鉭電解電容的結(jié)構(gòu)和主要加工環(huán)節(jié)

“ 本篇介紹鉭電解電容，同樣分3 個小節(jié)介紹：第一小節(jié)介紹鉭電解電容的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)加工工藝流程；第二小節(jié)為鉭電解電容主要性能參數(shù)的變化特點，涉及到如何應(yīng)用等方面；第三小節(jié)為介紹鉭電解電容使用中的可靠性需要關(guān)注的地方。”

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1）鉭電容的ESR相對要比鋁電容要小，但其優(yōu)勢為作為表貼元件，安裝方便以及ESL較小，這也使得其應(yīng)用頻率較鋁電容要寬。從鉭電容的ESL和C的分布范圍，可以推算諧振頻率從 0.9MHz（Lmax＝3nH；Cmax＝1mF）到5MHz（Lmin＝1nH；Cmin＝1uF ），但從阻抗頻率特性曲線看，由于ESR也是相對較大，因此也是呈現(xiàn)“U”型，這使得其應(yīng)用頻率范圍進(jìn)一步擴(kuò)寬（在滿足目標(biāo)阻抗的條件下），最高可以達(dá)到10到幾十MHz。

2）相對于鋁電容關(guān)注工作溫度因素，鉭電容更為關(guān)注施加的工作電壓大小和變化速率。

3）濾波應(yīng)用時，溫度對鉭電容的性能影響可以忽略。

鉭電解電容是一種性能相當(dāng)優(yōu)越的電容，同樣作為電解電容，可以實現(xiàn)較大容量的同時體積較小，易于加工為小型和片狀元件，適應(yīng)目前電子裝聯(lián)技術(shù)向自動化小型化的發(fā)展，因此得到廣泛應(yīng)用。但鉭電容由于構(gòu)造問題，比較容易在上電大電流沖擊下失效；另外，對于邊緣規(guī)格的鉭電容， 其可靠性從實際應(yīng)用統(tǒng)計來看，是相對較差的，這些問題都需要在使用中加以注意。

01

鉭電解電容的結(jié)構(gòu)和主要加工環(huán)節(jié)

固體鉭電容是通過將鉭粉壓制成型后，經(jīng)高溫真空燒結(jié)成一多孔的堅實芯塊（圓柱形狀），芯塊經(jīng)過陽極化處理在表面生成氧化膜，再被覆固體電解質(zhì)，然后覆上一層石墨及鉛錫涂層，最后用樹脂包封成為固體鉭電容。以下圖1是一貼片固體鉭電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：

圖1. 鉭電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

下面介紹一下貼片固體鉭電容的加工工藝流程，一般有以下幾個步驟：陽極基體設(shè)計－> 成型燒結(jié)－>氧化膜形成－>被覆MnO2。

a） 陽極基體的設(shè)計－鉭粉的選取

目前，貼片固體鉭電容的陽極基體一般采用鉭粉燒結(jié)而成，因此鉭粉的質(zhì)量如何，將會直接影響鉭電容的性能。一般需要關(guān)注鉭粉的粒形、大小、配比、比表面積、比容、松裝密度及純度。采用高純度的鉭粉可用于制造工作電壓高（如采用C系、D系或SHR型A系高純鉭粉）的鉭電容或者可靠性高的鉭電容，因為鉭電容氧化膜質(zhì)量的好壞，主要取決于鉭粉雜質(zhì)的多少，當(dāng)鉭中含有雜質(zhì)時，它們都會成為陽極氧化膜中的疵點，影響漏電流的大小、閃火電壓下降，電流集中流過雜質(zhì)存在的部位時，伴有發(fā)熱，致使雜質(zhì)周圍的Ta2O5膜晶化，致使鉭電容壽命下降。采用高比容的鉭粉， 則減少了鉭粉的用量，減小了體積，降低成本。鉭粉顆粒越大，額定電壓越高；鉭粉顆粒越小，鉭粉燒結(jié)后的海綿狀表面積越大，電容容量越大。（鉭粉顆粒的典型尺寸10um，為增大表面積選有珊瑚蟲形狀）；鉭粉量的多少與形成電壓和額定電壓的比值有關(guān)（該比值一般為3.5～5）。鉭粉的選擇需要在電容量、額定電壓及ESR之間均衡考慮。

   陽極基體的尺寸一般為圓柱形，受外殼尺寸限制，直徑一般是確定的，而基體長度與直徑之比接近于2，最多不超過2.5。

b） 成型燒結(jié)：

在鉭粉擠壓成型前加入適量的粘合劑（成型劑），使顆粒間及顆粒和成型模具的摩擦都大為減少，可以得到密度均勻而致密的壓塊，另外，在真空燒結(jié)后，粘合劑還可以提高塊體的氣孔率，對提高容量和降低損耗有明顯作用。但近年來，隨著小尺寸的要求及成型能力增強(qiáng)，已趨向于不加粘合劑。成型操作是在真空高溫150℃幾分鐘內(nèi)完成。若有粘合劑，則必須進(jìn)行預(yù)燒，以揮發(fā)其中的粘合劑。在預(yù)燒或成型后（沒有粘合劑），應(yīng)立即進(jìn)行真空燒結(jié)，否則鉭粉表面活性下降易開裂， 一般燒結(jié)溫度為1500－2000℃，真空度不低于1.3×10-2Pa。燒結(jié)使各孤立的鉭粉顆粒燒結(jié)在一起形 成海綿狀結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械強(qiáng)度及密度，同時多孔的海綿狀結(jié)構(gòu)提供大的內(nèi)部表面積。因此，燒結(jié)時間過長或溫度過高將導(dǎo)致電容容值變低。此后添加聚四氟乙烯墊圈隔離鉭金屬絲，以免在后序加工流程中與MnO2短路。真空環(huán)境有助于鉭粉的提純，使雜質(zhì)揮發(fā)掉。

圖2. 不同情況下鉭粉的形態(tài)

c） 氧化膜形成：

與鋁電容類似，鉭電容的氧化膜也是通過電化學(xué)方法生成，即在形成電解液中，施加適當(dāng)?shù)恼龢O電壓及電流，使鉭表面生成Ta2O5介質(zhì)。介質(zhì)厚度由施加電壓控制；介質(zhì)厚度與耐壓性能有關(guān)。厚度與額定電壓的對應(yīng)關(guān)系為每20埃能夠承受1V的電壓。

    要獲得優(yōu)質(zhì)的氧化膜層，形成電解液（弱酸溶液）的選擇很重要，因為它的閃火電壓大小決定了鉭電容額定電壓的高低；它抑制晶化能力的強(qiáng)弱也是影響鉭電容可靠與否的一個重要因素。相對鋁電容的形成工藝，鉭氧化膜形成工藝控制要更為嚴(yán)格，因為，鉭氧化膜在形成過程中會發(fā)生晶化， 形成電壓、形成溫度和升壓電流密度這三個基本參數(shù)，對晶化都有直接和間接的影響。形成電壓必須低于形成液的閃火電壓，同時提高形成電壓與額定電壓的倍數(shù)有利于減小產(chǎn)品的漏電流及其分散 性，這樣一般固體鉭電容的形成電壓與額定電壓比值為3～5，而電容額定電壓越高，倍數(shù)愈?。ㄊ?限于形成液的閃火電壓），這也一方面說明高壓鉭電容的漏電流和分散性是比較大的。形成溫度高， 得到的氧化膜較好，但高溫形成時易誘發(fā)晶化、降低形成液的閃火電壓，使形成液水分蒸發(fā)量較快。低壓形成時，可以不考慮閃火和晶化問題，一般為85±5℃或更高；形成電壓高于150V時，要先在室 溫下進(jìn)行形成，待電壓升至形成電壓后，再在適當(dāng)高溫下恒壓形成。氧化膜的生長速度，取決于陽極化時的電流密度，密度高，速度快，但同時會使陽極反應(yīng)產(chǎn)生的熱量增加，促使晶化發(fā)生。

d） 陰極成型

陰極成型，在Ta2O5表面上被覆MnO2層作為電解質(zhì)，需要進(jìn)行Mn(NO3)2的熱分解。將形成后在多孔體表面生成Ta2O5的陽極基體浸入Mn(NO3)2溶液中，浸透取出烘干，在水汽（濕式）或空氣（干 式）的高溫氣氛中分解制取電子電導(dǎo)型MnO2，以作為電容器的固體電解質(zhì)層。濕式分解比干式分 解優(yōu)越很多，分解溫度比干式的270℃要低，為210℃～250℃。同時生成的MnO2電阻率比干式得到的要低一個數(shù)量級，只有0.42Ωcm，干式為7.5Ωcm。還有濕式分解得到的MnO2在致密度、多孔性 等多方面都比干式要優(yōu)越，基本上目前的廠家工藝均用濕式熱分解法。

     但是Mn(NO3)2的熱分解對陽極塊的電性能影響很大。因為鉭塊和表面的Ta2O5的膨脹系數(shù)不同， 受熱產(chǎn)生拉伸應(yīng)力導(dǎo)致原有的細(xì)微裂紋增大，造成漏電流大大增加。同時熱分解還容易導(dǎo)致?lián)p耗角 增大、MnO2進(jìn)入氧化膜細(xì)微裂紋導(dǎo)致形成電壓無法升高等。因此，為了修補熱分解對氧化膜的破壞， 需要進(jìn)行中間再形成。

       為彌補MnO2導(dǎo)電性能差的缺點，即MnO2與金屬焊接不良，在陽極基體表面的MnO2層上還要涂 上一層導(dǎo)電石墨層和銀或鉛錫合金之類的金屬材料，然后接上外部電極，進(jìn)行封裝、老練。

02

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影響鉭電解濾波效果的模型參數(shù)

與鋁電解電容類似，鉭電容的阻抗頻率特性也呈現(xiàn)U形特性，但其ESR相對要小，且作為表貼 封裝的固有優(yōu)點ESL比較小。同樣，按照C、ESR和ESL三項參數(shù)來分析：

2.1電容量

鉭電容是目前大量供應(yīng)電容中比容最大的品種，相同容量的體積可以做得比較小；但限于固體燒結(jié)型工藝結(jié)構(gòu)和材料，其CV值（電容與電壓乘積）做不大，容量和電壓有一定范圍，一般從 0.1uF1000uF；工作電壓從2V50V；典型的最大CV組合為22uF/50V(插件)或（33μF/35V）22uF/35V（表貼），而且從實際應(yīng)用統(tǒng)計情況來看， 處于這些邊緣規(guī)格參數(shù)的電容，其相對可靠性要差很多。這些因素都限制了鉭電容在高壓大容量上的應(yīng)用。

此外，容量的值隨著頻率的增大而減小，另外由于為固體MnO2電解質(zhì)，所以一其容量溫度特性較穩(wěn)定，甚至低溫至-200℃時，其容量才減小不過10%。在濾波應(yīng)用時，溫度對鉭電容的性能影響可以忽略。

圖3. 鉭電容容量 vs 溫度

2.2 RSR值

鉭電容的ESR組成與鋁電容類似，同樣可分為：ESR＝r介＋r解＋r金＝ tgδ/wc ，對于漏電流電阻rL ，它在頻率極低的情況才有一定的影響。

用損耗因數(shù)DF來表示，即DF＝ tgδ ＝ω ?C? ESR = tgδ 介 ＋ω ?C?r解 （ tgδ 介是一個幾乎于頻 率無關(guān)的量），從損耗因數(shù)角度來看，如下面圖4.

圖4. 損耗因數(shù)vs頻率

在極低頻為漏電流代表的損耗，可通過阻抗轉(zhuǎn)換公式換成串聯(lián)的表示形式，其影響一般不考慮。在低頻的區(qū)域，可以看到，氧化膜介質(zhì)損耗D3基本不變，反映到r介上，即隨著頻率的增大，r介減小， 直到到達(dá)較高的頻率，其影響已基本可忽略，而主要是r解與r金的影響。在低頻的區(qū)域，主要是r介， 其隨著頻率的關(guān)系，如下面圖5. 所示

圖5. ESR vs 頻率

在室溫情況下，r介的值一般為500/HzuF~1500/HzuF ；另外，從溫度上，r介的溫度特性比較穩(wěn)定，一般從室溫到125℃，其值會有2％的增加。tgδ 介 變化量若大于2％，則可能反映了形成的氧化膜質(zhì)量很可能不合格。

在較高頻率段時，r介的值降到比r解還要小時，這時主要是r解主要影響ESR；由于燒結(jié)塊是個細(xì)長形的圓柱體（直徑相對于長度比較?。?dāng)施加交流電壓后，其電流按徑向流動，其導(dǎo)電模型可視為一有無數(shù)微小的在氧化膜微孔內(nèi)的、由電解質(zhì)組成的微小電阻和由相應(yīng)的氧化膜介質(zhì)組成的無數(shù)微小的電容量構(gòu)成，即由分布參數(shù)的RC組成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（實際PSPICE對電解電容的模型也正是基于 這樣的結(jié)構(gòu)），如下面圖6.

圖6. 鉭電容的模型

r解的值就是這些分布參數(shù)電阻值的集成代表，它由有效電阻率ρ（ohm/cm）來決定，而p決定于多孔性、微孔的大小和形狀、裝填MnO2的程度以及MnO2電阻率。這與成型和熱分解被覆MnO2工藝均有關(guān)，一般成型壓力應(yīng)盡可能小，使燒結(jié)塊密度相應(yīng)小一些為好。

r解由于與工藝和材料構(gòu)造工藝有關(guān)，比較難于定量分析，不像r介同容量的電容基本一樣, r解在不同電容規(guī)格差別很大。在濾波電路中，由于正是用于r解所處的這一頻率范圍，因此，r解對我們應(yīng)用 的ESR影響較大。MnO2的電阻率隨著溫度上升而減小，溫度升到85℃，ρ會減小大約一半；而溫度降到-55℃，則為原來的2倍。由于與 tgδ 的變化相反，所以一定程度上抵消了變化幅度，總的來說， 鉭電容的ESR溫度特性比較好。r解從低頻一直較穩(wěn)定，但直到10kHz左右，有個轉(zhuǎn)折點，隨著頻率增大而減小，如下面圖7.

圖7. ESR vs 溫度 及 r解 vs 頻率

在工藝保證下，r金一般可不考慮，但到高頻后，其值會由于趨膚效應(yīng)而增大。下面圖為一個頻率范圍內(nèi)鉭電容ESR的變化圖：

圖8. ESR vs 頻率

貼片固體鉭電容的ESR值相應(yīng)要比鋁電容小一些，其范圍也是從幾十毫歐到10 歐（100kHz） 分布，具體的ESR值（100kHz）可以在相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊上找到（有些需要從85℃變換為常溫25℃）， 另外，通過DF值也可以算得在100Hz下的ESR值是多少。

2.3 ESL值

ESL于電容的封裝尺寸及引線等有關(guān)，因此對于貼片固體鉭電容，其ESL很小，一般為1～3nH。同樣，ESL值較為穩(wěn)定，不隨頻率、溫度變化，電容量對ESL的影響也不太大，主要是封裝尺寸的影響。下圖為貼片固體鉭電容各規(guī)格尺寸與貼片陶瓷電容的ESL對比：

03

使用中的可靠性需要關(guān)注的地方

鉭電容有三種失效模式：電流型、電壓型和發(fā)熱型。

電流型失效常見于固體鉭的異常漏電流巨大，一方面表明其氧化膜上的缺陷部分惡化，引起介質(zhì)的漏導(dǎo)增大，最后導(dǎo)致介質(zhì)短路，大多數(shù)情形下，自愈特性會修復(fù)這些疵點，但如處于充分電過于頻繁的場合，這種介質(zhì)瞬時擊穿也會弄得不可收拾導(dǎo)致突然失效。因此，電壓一定時，串聯(lián)電阻可以顯著減小失效。

   電壓型失效是指使用中的不當(dāng)導(dǎo)致工作電壓或浪涌電壓突然過高，結(jié)果引起局部閃火，終致介質(zhì)擊穿；另外是長期經(jīng)受高的工作電壓，而氧化膜不可避免地存在著雜質(zhì)或其它缺陷；當(dāng)這些部位的場強(qiáng)較高，電流密度較大，導(dǎo)致局部高溫點出現(xiàn)，從而留下了誘發(fā)熱致晶化的隱患。在金屬氧化物界面的某些點上，由于金屬里含有雜質(zhì)，也成了誘發(fā)場致晶化成核的因素，當(dāng)溫度升高時，便促進(jìn)了晶核的形成和生長。因為晶體要達(dá)到一定大小后，才會使無定形氧化膜破裂，所以晶體生長的快慢是決定電容器壽命的一個因素，試驗表明，使晶體生長到足以引起氧化膜破裂臨界尺寸的時間是場強(qiáng)的指數(shù)函數(shù)。隨著施加電壓增加（即場強(qiáng)提高）和環(huán)境溫度的提高（相應(yīng)的缺陷部位溫度更 高），電容器的失效率也就增加，在晶體生長階段，對電容器性能并沒有顯著影響，只在氧化膜破裂時，絕緣會完全喪失，導(dǎo)致突然失效。

  發(fā)熱型失效一般認(rèn)為是由于產(chǎn)品的 tgδ 太大導(dǎo)致熱不平衡，熱量累積以致熱破壞，但隨著高頻化，趨膚效應(yīng)，是另一種熱失效模式。

   對固體鉭電容承受大的沖擊電流對產(chǎn)品性能的影響研究中，例如應(yīng)用在計算機(jī)電源里作為去耦元件以及開關(guān)電源的輸出濾波元件時，所遇到的瞬時高頻大電流的沖擊，分析其失效原因發(fā)現(xiàn)MnO2 層及銀層部分，已破裂脫開鉭塊，由于局部熱點的低阻和較差的熱導(dǎo)接觸，發(fā)生局部高溫，最后造成介質(zhì)的熱擊穿，按照傳輸線理論，電容器鉭塊可視為一RC組成單元，在高頻時（例如脈沖的前沿部分），電流只在鉭塊表面通過，而未及內(nèi)部，因此電量集中在表面，電流密度很大。未能均勻分布在鉭塊全部，所以表面成為電量集中區(qū)域，而主要集中在鉭塊的一小部分面積上，如鉭塊的上下肩部，一方面該處曲率很大，不利于導(dǎo)熱和散熱；另一方面，肩部的MnO2層較薄，電阻小，因此沖擊電流失效的擊穿是源于發(fā)熱，成為發(fā)熱型失效的典型。

     這幾種失效模式最終都會造成鉭電容短路燒毀，失效分析很難判斷是那種類型導(dǎo)致。一般說來， 鉭電容在正常運行時（電壓降額足夠）是很少發(fā)生失效的，只有在上下電、電源波動及頻繁充放電場合才有可能失效（即在脈沖電流沖擊下），究其原因也是因為，鉭電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致。因此，相對于鋁電容關(guān)注工作溫度因素，鉭電容更為關(guān)注施加的工作電壓大小和速率。

        另外，在恒定溫度下，選定某一種形成電解液，不管采用何種電流密度升壓（影響氧化膜的厚度）， 所形成的氧化膜的結(jié)構(gòu)基本不變，即ε（氧化膜介電常數(shù)）和α（形成常數(shù)nm/V）為一常值，由![圖片](https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/X9vY79BErlh8S6SuT1zrHuBlFG5Zc3F2bl5PLiadD7zlcvEhBOUibXBnSaibIomtYHFWY3Fud7ooharibUjEqibHewg/640?wx_fmt=png&tp=wxpic&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1)      及氧化膜厚度d＝Uf×α （形成電壓乘以形成常數(shù)）可以知道，形成電壓與電容量的 乘積![圖片](https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/X9vY79BErlh8S6SuT1zrHuBlFG5Zc3F2OTnmziaIh247JklsCwsjX5bUnVthTgfiaES93RY7XfpVjE9hkvdDWwzQ/640?wx_fmt=png&tp=wxpic&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1) (uF.V)，在ε和α以及陽極表面面積A不變時（可以認(rèn)為封裝一樣時，其表面面積有一最大值），CUf為一常值，又由于形成電壓與額定電壓有一比值，因此，同一系列同一封裝的不同規(guī)格電容，是有一個最大的CV值。表貼Case D的典型業(yè)界最大CV組合為22uF×35V＝ 770uF.V，在同規(guī)格同樣陽極表面積下，超出這個規(guī)格就是比較邊緣的產(chǎn)品，從實際應(yīng)用情況來看， 邊緣規(guī)格產(chǎn)品的失效率相對較高，這與其工藝控制要求高有關(guān)。從器件廠家給出的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格、擴(kuò)展規(guī)格及發(fā)展規(guī)格是可以做出那些產(chǎn)品屬于邊緣規(guī)格的判斷。一般鋁電容氧化膜的CUf值為6～ 8.5uF.V/cm2 ;鉭電容氧化膜的CUf值為11～13uF.V/cm2。