鈮電解電容器

鈮和鉭鋁一樣其表面可以形成介電氧化膜鈮電容器的最大問(wèn)題是熱和電應(yīng)力對(duì)介電氧化膜的破壞造成漏電流增大電容器失效。鈮電容器的惡化機(jī)理與鉭電容器類(lèi)似是由無(wú)定形介電氧化膜的晶化

作用和陽(yáng)極介電質(zhì)的表面脫氧反應(yīng)造成而膜向金屬鈮擴(kuò)散氧的速率遠(yuǎn)高于膜試驗(yàn)表明在℃退火膜溶解近但膜幾乎沒(méi)有任何影響。另外在鈮電容器陽(yáng)極氧化膜中存在的氧相低價(jià)鈮氧化物和是導(dǎo)體和半導(dǎo)體造成潛在的漏電流途徑。只有通過(guò)改善鈮粉的電性能和使用特殊的鈮電容器加工工藝介質(zhì)氧化膜才能穩(wěn)定從而制造出具有穩(wěn)定電性能的電容器。鈮在固體電解電容器中可有效代替鉭因?yàn)殁壿p、便宜盡管種金屬在晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)上很相似但鉭、鈮電解電容器的電性能是不同的鈮電容器在壽命測(cè)試時(shí)其漏電流有增加的傾向最終導(dǎo)致其參數(shù)失效鉭電容器的漏電流長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有明顯的變化但個(gè)別也有急劇增大偶爾發(fā)生一些災(zāi)難性的失效。鈮電容器的頻率特性和溫度特性與鉭電容器非常相似都優(yōu)于鋁電解電容器。鈮電容器的一個(gè)重要特征是在壽命試驗(yàn)時(shí)著火情況少典型的情況是漏電流變大通常不會(huì)被擊穿相反鉭電容器的失效是擊穿和短路嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電容器著火和燃燒。

鈮/NbO電容器的研究方向是片式化、大容量、低ESR。從表10.5-34中我們可以看出，以鈮粉為原料的MnO₂型鈮電容器的應(yīng)用一般在10V以?xún)?nèi)的電壓下；以NbO粉為原料的MnO₂型鈮電容器的應(yīng)用一般在6 V以?xún)?nèi)的電壓下。 2001年世界幾大電容器制造商相繼提供了固體電解質(zhì)鈮電容器樣品，其綜合性能與常規(guī)鉭電容器接近，而優(yōu)于鋁電容器，價(jià)格遠(yuǎn)低于鉭電容器。NEC公司開(kāi)發(fā)出低ESR導(dǎo)電高分子聚合物鈮電容器；Vishay公司開(kāi)發(fā)出MnO₂型鈮電容器；AVX公司開(kāi)發(fā)出低ESR MnO₂型鈮電容器并認(rèn)為NbO電容器價(jià)格更低，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。鈮電容器的形狀、結(jié)構(gòu)與片狀鉭電容器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸一致，制作工藝基本相同。Vishay、NEC、AVX等公司的鈮電容器已提供給用戶(hù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并得到認(rèn)可和好評(píng)，有的公司已開(kāi)始小批量生產(chǎn)供用戶(hù)進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)。幾種電容器的性能比較見(jiàn)表10.5-34；鈮電容器的典型形狀和結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10.5-91。 鈮和鉭、鋁一樣，在其表面可以形成介電氧化膜。鈮電容器的最大問(wèn)題是熱和電應(yīng)力對(duì)介電氧化膜的破壞，造成DCL增大，電容器失效。鈮/NbO電容器的惡化是由無(wú)定形介電氧化膜的晶化作用和陽(yáng)極介電質(zhì)表面脫氧反應(yīng)造成的。這兩種作用造成無(wú)定形介電質(zhì)不能在熱力學(xué)平衡狀態(tài)和氧化膜基層中穩(wěn)定存在，Ta-Ta₂O₅和Nb-Nb₂O₅不能形成熱力學(xué)平衡。鈮和鉭電容器的動(dòng)力學(xué)惡化過(guò)程和氧化膜基層的晶體結(jié)構(gòu)完全不同，尤其是Nb₂O₅膜向金屬鈮擴(kuò)散氧的速率遠(yuǎn)高于Ta₂O₅膜。研究表明，360℃/30min退火，Nb₂O₅膜50%溶解，但Ta₂O₅膜沒(méi)有影響。Ta₂O₅膜達(dá)到類(lèi)似的溶解率，溫度必須高于480℃。NbO電容器與此有相同的結(jié)果。另外，在鈮電容器陽(yáng)極介電氧化膜中存在低氧相，如Nb/Nb₂O₅界面中的NbO和NbO₂，以及Nb/MnO₂界面中的Mn₂O₃和Mn₃O₄，MnO等。

低價(jià)鈮氧化物NbO和NbO₂是導(dǎo)體和半導(dǎo)體，它們部分存在于五氧化二鈮氧化膜系統(tǒng)中，造成潛在的漏電流途徑。通過(guò)改善原料鈮粉和使用特殊的鈮電容器生產(chǎn)工藝，介電氧化膜的惡化得到抑制，介電質(zhì)-陽(yáng)極界面得到穩(wěn)定，并且制造出具有穩(wěn)定電性能的鈮電容器。 圖10.5-93對(duì)鈮，鉭，鋁，陶瓷電容器的電溫度-容量特性進(jìn)行了對(duì)比。從圖中可以看到，由于鈮與鉭的化學(xué)相似性，鈮電容器顯示了與鉭電容器相似的容量-溫度特性。與鉭類(lèi)似，在-55℃到125℃之間，鈮電容器的容量變化是±20%，而陶瓷電容器失去80%的標(biāo)稱(chēng)容量。

圖10.5-94 展示了各種電容器的電容量隨偏壓的變化。從圖10.5-94a，圖10.5-94b可以看出偏壓增大電容量下降；偏壓對(duì)濕式鈮電容器的影響很大，對(duì)固體鈮電容器的影響相對(duì)較??；進(jìn)一步研究表明，偏壓對(duì)大殼號(hào)鈮電容器的影響較大，對(duì)小殼號(hào)鈮電容器，電容量隨偏壓的變化與鉭電容器類(lèi)似。

隨著電子電路的發(fā)展，微處理器和數(shù)字電路的應(yīng)用要求更高的頻率（100 kHz～10MHz），并且具有低ESR。據(jù)報(bào)道國(guó)外已開(kāi)發(fā)出用于高頻的鈮電解電容器，其工作頻率達(dá)到800 kHz。圖10.5-95和圖10.5-96比較了用鈮氧化物、鈮、鉭、陶瓷和鋁生產(chǎn)的100μF/6.3 V電容器的ESR和電容量隨頻率的變化。

早在世紀(jì)六七十年代以美國(guó)和蘇聯(lián)為首的國(guó)家就開(kāi)始了對(duì)鈮電容器的研究工作但在工藝過(guò)程中由于熱和電學(xué)應(yīng)力使五氧化二鈮介質(zhì)膜遭到嚴(yán)重破壞導(dǎo)致電容器漏電流大、產(chǎn)品失效率高。我國(guó)年代也開(kāi)展過(guò)這方面的研究年月還專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了研制發(fā)展鈮電解電容器專(zhuān)題會(huì)議在廠(chǎng)成立了鈮電容器實(shí)驗(yàn)室但生產(chǎn)出的鈮電容器存在許多質(zhì)量問(wèn)題漏電流大、儲(chǔ)存性能差尤其是被膜工序反復(fù)經(jīng)過(guò)℃的高溫?zé)岱纸庀跛徨i溶液的工藝電容量增加以上產(chǎn)品性能極不穩(wěn)定“以鈮代鉭”不斷降溫年后逐漸淡出歷史舞臺(tái)。年代以來(lái)隨著粉末生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高鈮粉的電性能有了很大的提高為鈮電容器的研制奠定了基礎(chǔ)。新型鈮電解電容器性能優(yōu)良價(jià)格便宜已被世界各國(guó)的電容器行業(yè)廣泛關(guān)注。鈮電容器的制備必須避免鈮陽(yáng)極含氧過(guò)飽和即必須防止次氧化物的生成抑制氧通過(guò)膜和界面遷移保證介質(zhì)層的熱穩(wěn)定。英國(guó)公司已有鈮電容器樣品供應(yīng)市場(chǎng)電容量范圍為¨工作溫度高達(dá)℃世界鉭電容器龍頭企業(yè)——美國(guó)和日本公司也在積極開(kāi)發(fā)鈮電容器電容器鈮粉主要由美國(guó)公司和德國(guó)公司供應(yīng)并已成產(chǎn)品系列電容器漏電流和高頻阻抗值與鉭電容器不相上下還可采用多種形式封裝。出等以聚苯胺和聚吡咯導(dǎo)電聚合物為陰極研制成功一種用于高頻的鈮電解電容器其工作頻率達(dá)而以為陰極的電容器只有。俄羅斯在前蘇聯(lián)研究的基礎(chǔ)上不斷研究也具有相當(dāng)高的水平。

圖10.5-96中可以看出，鈮和鈮氧化物電容器的電容量—頻率變化趨勢(shì)曲線(xiàn)與鉭電容器沒(méi)有太大差別，而優(yōu)于鋁電容器；陶瓷電容器的電容量穩(wěn)定性最好。圖10.5-95展示電容器的等效串聯(lián)電阻與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)，從該圖中可以看出，鈮和鈮氧化物電容器的等效串聯(lián)電阻與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)幾乎與標(biāo)準(zhǔn)鉭電容器一致，而優(yōu)于鋁電容器。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化氧化膜，鈮電容器的等效串聯(lián)電阻將達(dá)到鉭電容器的性能。 相對(duì)于鉭電容器，鈮電容器的一個(gè)重要特征是，在壽命測(cè)試時(shí)著火失效情況低。鈮電容器中典型的失效情況是高漏電流。通常失效鈮電容器不被擊穿，它們的容量與完好電容器相當(dāng)。相反，鉭電容器典型的失效情況是擊穿和短路，在低阻抗電路中，尤其是在大殼號(hào)電容器中，這種失效會(huì)造成電容器著火和燃燒。 鈮電容器與鉭電容器失效情況的不同與它們?cè)趬勖鼫y(cè)試時(shí)的不同行為特征有關(guān)，見(jiàn)圖10.5-97。從圖可以看出，在失效鈮電容器中，漏電流逐漸增大，而在失效鉭電容器中，漏電流在一定時(shí)間保持穩(wěn)定，然后急劇增大。顯然，在鈮電容器中漏電流的逐漸增加有助于修復(fù)電介質(zhì)中的缺陷，使積聚能量逐漸散失到基片，在電介質(zhì)被擊穿前熔斷電阻絲。在低阻抗電路中，鉭電容器中漏電流的急劇增加，使得鉭電容器難以實(shí)現(xiàn)鈮電容器的這種作用。電介質(zhì)擊穿發(fā)生時(shí)，伴隨著積聚能量的突然散失，局部溫度急劇增加。在大殼號(hào)鉭電容器中，積聚的能量高，散失的能量低，溫度快速達(dá)到臨界點(diǎn)，使鉭電容器著火。圖10.5-98和圖10.5-99展示了Nb，NbO，Ta粉末的比熱容和著火能。 在失效鈮電容器中，漏電流的逐漸增加，伴隨著活化能的降低，這種結(jié)果與鈮電容器低的著火失效情況相一致。電介質(zhì)中缺陷點(diǎn)的漏電流較高，造成局部溫度增高；溫度增高，漏電流變得更大，造成溫度進(jìn)一步增高，漏電流更是加速增大，最終導(dǎo)致在一定的直流電壓下電介質(zhì)擊穿。 2.1.3 發(fā)展趨勢(shì) 高質(zhì)量、高比容的鈮/NbO粉的快速發(fā)展，使得用高比容鈮/NbO粉替代鉭和鋁作為電容器的陽(yáng)極材料制造高比容鈮電容器成為可能。鈮電容器已經(jīng)進(jìn)入高比容電容器市場(chǎng)，它們具有與普通片式鉭電容器類(lèi)似的容量/電壓范圍，并且表現(xiàn)出與標(biāo)準(zhǔn)鉭電容器類(lèi)似的等效串聯(lián)電阻特性。鈮電容器價(jià)格低、性能穩(wěn)定，可以替代部分低壓鉭、陶瓷、鋁電容器。鈮電容器不容易發(fā)生著火失效，為電路的安全提供了保障。鈮電容器較高的漏電流，對(duì)于大部分的應(yīng)用并不是問(wèn)題，因?yàn)殁夒娙萜鞯淖畲箅娏鳉埩袅窟h(yuǎn)低于50μA。例如，在個(gè)人電腦（PC）中的應(yīng)用，相對(duì)于微處理器的全部功率消耗，這一數(shù)值很小，沒(méi)有太大影響。 壽命測(cè)試證實(shí)鈮電容器的電容量是穩(wěn)定的，漏電流隨時(shí)間持續(xù)增加，但增長(zhǎng)速率減弱并出現(xiàn)飽和狀態(tài)，這是鈮陽(yáng)極氧化膜不穩(wěn)定造成的。鈮電容器的改進(jìn)目標(biāo)是避免低價(jià)氧化物的形成和穩(wěn)定介電氧化膜。 隨著電子電路和電子工業(yè)的發(fā)展，鈮電容器必將作為一種新型電容器推向市場(chǎng)，開(kāi)辟它的應(yīng)用領(lǐng)域 。

2100433B

電解電容器(包括鋁電解電容器、鉭電解電容器、鈮電解電容器、鈦電解電容器及合金電解電容器等)和氣體介質(zhì)電容器(包括空氣電容器、真空電容器和充氣電容器等)、紙膜復(fù)合介質(zhì)電容器等，無(wú)機(jī)介質(zhì)電容器(包括陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、玻璃釉電容器等)，隨著電子整機(jī)產(chǎn)品市場(chǎng)格局的調(diào)整，移動(dòng)通信設(shè)備和便攜式計(jì)算機(jī)異軍突起，為 MLCC 的發(fā)展帶來(lái)巨大的市場(chǎng)空間的同時(shí)，對(duì) MLCC 在縮小尺寸、擴(kuò)大容量、降低 ESR、抗 EMI 特性、寬工作溫度范圍、高可靠性和高頻特性等方面提出了更高的要求。為此，國(guó)內(nèi)外電容器生產(chǎn)廠(chǎng)商都加快了MLCC 生產(chǎn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，已取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。

（1）按結(jié)構(gòu)及電容器是否能調(diào)節(jié)分：有固定電容器、可變電容器和半可變電容器．

（2）按介質(zhì)材料的不同分：有機(jī)介質(zhì)電容器(包括漆膜電容器、混合介質(zhì)電容器、紙介電容器、有機(jī)薄膜介質(zhì)電容器、紙膜復(fù)合介質(zhì)電容器等)、無(wú)機(jī)介質(zhì)電容器(包括陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、玻璃釉電容器等)、電解電容器(包括鋁電解電容器、鉭電解電容器、鈮電解電容器、鈦電解電容器及合金電解電容器等)和氣體介質(zhì)電容器(包括空氣電容器、真空電容器和充氣電容器等)。

（3）按作用及用途的不同分：有高頻電容器、低頻電容器、高壓電容器、低壓電容器、耦合電容器、旁路電容器、濾波電容器、中和電容器、調(diào)諧電容器．

（4）按封裝外形的不同分：有圓柱形電容器、圓片形電容器、管形電容器、疊片形電容器、長(zhǎng)方形電容器、珠狀電容器、方塊狀電容器和異形電容器等多種．

（5）按引出線(xiàn)的不同分：有軸向引線(xiàn)型電容器、徑向引線(xiàn)型電容器、同向引線(xiàn)型電容器和無(wú)引線(xiàn)型(貼片式)電容器等多種 ．

鋁電解電容器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示