高耐壓低ESR鉭電容

電源供應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求更高電壓范圍的鉭電容器，而ESR水平越小越好。本文介紹一種基于復(fù)合電極設(shè)計的新技術(shù)，可將25V 和35V元件的的ESR降低到目前的低水平。為更新技術(shù)水平，必須對電極的設(shè)計，燒結(jié)工藝，電成型和錳處理都必須作出相應(yīng)的改進(jìn)。另外采用了特殊的電成型工藝以提高高壓下的擊穿電阻。

影響鉭電容特點的電極形狀

鉭電容器技術(shù)具有許多優(yōu)點，非常適合使用于DC/DC 繼電器，電源供應(yīng)的過濾和其它應(yīng)用方面。最重要的特點如下：

- ESR低且穩(wěn)定

- 高頻下的高電容量保持能力

- 低故障率

- 電壓范圍廣

- 抗浪涌耐度好

- 環(huán)境耐度好(濕度/溫度)

- 低成本

對以上特點影響最大的參數(shù)是電極的形狀。鉭電容器電極的表面積，特別表面積與體積之比決定其ESR值，表面積越大，ESR越低.

圖1. 電解設(shè)計截面圖

因為成品和效率的原因，電容器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計一般都采用單電極(圖1a)。復(fù)合（多）電極(圖1b) 提供最低的ESR。笛型電極設(shè)計(圖1c) 是單電極和復(fù)合電極之間的折衷設(shè)計：即要考慮到低ESR要求；又要考慮到 生產(chǎn)成本。

帶傳統(tǒng)的MnO第二電極系統(tǒng)的復(fù)合電極設(shè)計與新出現(xiàn)的聚合物復(fù)合電極電容器相比具有幾點優(yōu)勢，如“真正”無鉛回流能力, 在濕載下的良好的穩(wěn)定性，和電容器的高電壓潛力。特別是在高電壓領(lǐng)域，如25 至50V 多電極鉭設(shè)計，可以提供最低的工業(yè)ESR和幫助電子設(shè)計師開發(fā)小型高效的電源供應(yīng)系列產(chǎn)品。然而有一些技術(shù)局限使這些元件的準(zhǔn)備具有難度。本文介紹的技術(shù)使AVX公司能夠使25V-35V電容器達(dá)到最低的ESR水平，并具有開發(fā)50V鉭SMD復(fù)合電極電容器的潛力。

高電壓復(fù)合電極電容器

開發(fā)成果推出了新型品類的低ESR高電壓鉭電容器。E 殼體33uF 35 V 復(fù)合電極電容器 頻率特點- 見圖2. 在100 kHz的ESR 值約為40mOhms. 但取得方式不是直接的。

圖2. ESR vs頻率，E 33uF/35V 復(fù)合電極鉭電容器

鉭電容電極的壓制和燒結(jié)工藝

需要將電極芯體在極高的燒結(jié)溫度下進(jìn)行燒結(jié)，以制成有具有足夠強(qiáng)度的內(nèi)粒連頸的高壓部件。如連頸的厚度不夠，則在介質(zhì)層形成時會斷接或變得太薄而影響部件的穩(wěn)定性。

然而這樣的高溫連頸形成伴隨著鉭芯體的大規(guī)模收縮。當(dāng)電極芯體的結(jié)構(gòu)不均勻或不統(tǒng)一時，會產(chǎn)生收縮，然后變形（見圖3）。這樣的電極自然不適合用于電極的復(fù)合組裝。

圖3. 燒結(jié)后不合格的電極形態(tài)

為解決這一問題，我們采用了一種特殊的鉭粉粘合材料，使鉭粉的混合得以優(yōu)化。并采用側(cè)壓制方法以取得沿電極縱長的均勻壓制效果。燒結(jié)工序也要進(jìn)行改進(jìn)，以減少非線性受損。最后電極生產(chǎn)質(zhì)量獲得改進(jìn)，達(dá)到了隨后復(fù)合組裝要求(圖4)。

圖4. 燒結(jié)后電極芯體的合格形態(tài)

介質(zhì)層的電成型

介質(zhì)層電成型是鉭電容器生產(chǎn)的最重要工序。鉭五氧化物被電成型處理為非晶體水合玻璃。

然而，在燒結(jié)沉淀后，在鉭表面上總會出現(xiàn)一些氧化產(chǎn)生的籽晶。介質(zhì)水晶層的形成依賴于溫度和時間。因此首次成型的熱控制對于電極的長期穩(wěn)定性至關(guān)重要。

由于電極在錳處理工序經(jīng)過熱沖擊，其還要經(jīng)過再次成型處理。因此電成型通常被高溫焙烤所干擾。但除了機(jī)械性緩和和介質(zhì)層破壞(由于Ta 和Ta2O5的不同的熱脹率)，在該工序中介質(zhì)層還會發(fā)生脫水現(xiàn)象。 這是一種嚴(yán)重情況，因其會造成氧空位狀態(tài)從而會參與介質(zhì)層電擊穿。該空位必須通過化學(xué)過程由氧施體進(jìn)行中合。介質(zhì)層越厚，該問題越嚴(yán)重。

在所有電容器的所有最終結(jié)構(gòu)中，電極的外層表面和邊棱是承受最多電沖擊的區(qū)域。進(jìn)入電極的所有電荷在表面發(fā)生分流。因此，當(dāng)電擊穿發(fā)生時，經(jīng)常發(fā)生在表面。低額定的電壓代碼用來保護(hù)外層表面：即所謂的“殼結(jié)構(gòu)”，即介質(zhì)層厚度只在外表面明顯地增加。

所以高額定電壓代碼如E 33uF/35V (見圖5) 的“殼結(jié)構(gòu)”研制是另一重要步驟。當(dāng)使用傳統(tǒng)殼成型方法時，生成顏色(光在介質(zhì)薄膜上的衍射結(jié)果)由于在電極殼成型時電壓的下降而不均勻。然而外介質(zhì)層與125–130 V成型電壓相對應(yīng)，例如與“非殼機(jī)構(gòu)”104 V成型相對比。這意味著表面介質(zhì)層電場強(qiáng)度由190 kV/mm 降到150 kV/mm. 經(jīng)過進(jìn)一步的機(jī)械性及化學(xué)改進(jìn)，取得外介質(zhì)層顏色的均勻效果，并能夠?qū)��?yīng)更高的電壓（例如：140 V）而不降低電容量。介質(zhì)層表面電場強(qiáng)度進(jìn)一步降到約135 kV/mm.

圖5. [綠色]–非-殼成型電極(104 V);

[紅]–傳統(tǒng)殼成型電極(125-130 V);

[藍(lán)色]–種殼成型電極(140 V)

圖6. E33uF /35 V

鉭復(fù)合電極電容器特種殼成型擊穿電壓分布

“殼層”方法所帶來的表面電沖擊減少效果在電容器擊穿電壓分布圖上表現(xiàn)得非常明顯(圖6).由于“殼層”結(jié)構(gòu)，擊穿電壓分布變窄而且提高到較高電壓值。這意味著與傳統(tǒng)成型方法相比，元件的穩(wěn)定性提高了。

錳處理工藝

高額定電壓鉭電容器的電極結(jié)構(gòu)與用較細(xì)鉭粉制成的電極結(jié)構(gòu)不同。例如，結(jié)構(gòu)的形狀不同，內(nèi)粒溝道較寬。因此硝酸錳的熱解，象連鎖反應(yīng)一樣，比我們觀察到的細(xì)鉭粉芯體的反應(yīng)更快，也更劇烈。內(nèi)連聚集物溝道作用猶如“煙囪”一樣，將氮氧化物搜集并積聚到表面。氮氧化合物散到表面并且形成二氧化錳，造成“噴孔”和“噴丘”。結(jié)果二氧化錳的外層經(jīng)常不平或起層(圖7)。 \

圖7. 錳層外表面不合格，由于電極將進(jìn)行復(fù)合組裝

這樣的起層疵點不僅會影響到復(fù)合電極鉭電容器的順利組裝，而且會影響到部件的最終性能。在噴孔區(qū)域，銀擴(kuò)散滲透的可能性會大大增加。

高額定電壓的部件加工需要平整均勻的的二氧化錳涂層(圖8)。改進(jìn)處理措施包括硝酸錳的濃度和施用順序，特別是硝酸錳熱解時的條件。

圖8. 錳處理后高額定電壓電極的合格形態(tài)

鍍銀和石墨涂層工藝

我們?yōu)榈研偷虴SR電容器專門開發(fā)了一種獨特的系統(tǒng)，以保證低ESR和潮濕下的超穩(wěn)定性，該系統(tǒng)也別應(yīng)用于復(fù)合電極 的概念。E 33uF/35 V復(fù)合電極鉭電容器在潮濕條件下的高穩(wěn)定性參考圖9.

圖9. E33uF/35 V 鉭復(fù)合電極電容器潮濕穩(wěn)定性在（紅）之前和(藍(lán))之后引進(jìn)特種石墨-銀層[1000 個, 85°C后, 85% RH, 250 小時, 20秒 測量飽和時間]

高耐壓低ESR鉭電容的應(yīng)用

以上介紹工藝已被應(yīng)用于額定電壓25V-35V的電容器，并具有在不遠(yuǎn)的將來將電壓增至20V的潛力。主要的應(yīng)用領(lǐng)域為電訊/基站，電源供應(yīng)和汽車工業(yè)，這些行業(yè)需要小型化，高效的供應(yīng)電源。25 至35V鉭復(fù)合電極將提供最低工業(yè)ESR，以支持12-24V的常用工作電壓。E 68uF 5V 部件的ESR水平低至 55mOhm；E 33-47uF 35V 部件則為65mOhm。