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钽电容器的可靠性和关键应用
- 2020-12-04-

        虽然有来自铝电容器和陶瓷电容器不时的竞争,一个世纪以来,钽电容器不断在市场上占有超越半数的份额。它们仍然会不时生长,特别是相关新型钽电容器,像导电聚合物阴极钽电容器。坚持贴片钽电容占有市场并吸收电子产品用户的主要参数,是体积小、(CV/cc)、低等效串联电阻(ESR)和等效串联电感,对电压和温度的高稳定性,以及长期高稳定性(即高牢靠性)。

        高稳定性和牢靠性将贴片钽电容带入特殊的应用,例如军工、航天和医学范畴。同时,钽电容器的关键成分,Ta2O5介质固有的受热应力会不稳定。稳定介质和Ta/ Ta2O5界面能够经过动力学手腕完成。在更高温度和电压条件下,要扩展高稳定性和牢靠性,需求对这些热应力和动力学要素,以及制造技术对该科学应用完成的影响有深入的理解。

       在这篇文章中,我们引见如何应用这些学问,能够将高牢靠元件的工作温度从125℃扩展到150℃,以及额定电压扩展到125V或以上。我们也会解释CV/cc和能量/cc如何在更高电压的状况下能够继续增加。

       这篇文章的课题是扩展聚合物钽电容器的额定电压。如今低ESR聚合物钽电容器只能做额定电压比拟低的产品。要有高额定电压牢靠元件,这种型号的电容器应该继续扩展市场。这里的问题不只仅是介质和钽与介质界面的稳定,而且也是介质与聚合物界面根本特性问题。经过理解该界面的特性,我们引见为什么改动聚合物的化学性质能够招致元件击穿电压明显进步。

        我们引见一种新的挑选技术,能够用来区分弱的不牢靠产品和好的牢靠产品,为了高牢靠性应用,也能够用来选择“好”的产品。

       1、钽电容器中Ta2O5稳定性回忆

       Ta2O5和Ta按照Ta-O平衡形式图,构成非-平衡对相。成为一种缓和热力学稳定状态方式,氧从Ta2O5介质迁移到Ta阳极,发作在Ta./ Ta2O5界面的临近区域。这种过程招致Ta2O5薄膜中氧空缺的积聚,因而,形成介质的退化。

       钽电容器中Ta2O5热应力不稳定的第二个缘由是无组织(非结晶)的构造。电子圈套,随同无组织(非结晶)构造,减少了强电场中电子的活动性,因而,避免介质击穿。另一方面,无组织(非结晶)的介质本能地倾向排序和结晶化,以减少它们内在的能量。当晶体的内含物生长成薄膜无组织(非结晶)的矩阵,由于无组织(非结晶)和晶体相之间详细体积的差别,它们产活力械应力。这种应力招致介质的团结,这是钽电容器灾难毛病的主要缘由。

       钽电容器列在牢靠性电子元件清单的前面和Ta2O5介质的热应力不稳定性之间显而易见的矛盾,能够经过动力学手腕处理。减少氧的迁移比率,经过来自阴极的氧补偿介质中的氧空缺,抑止结晶化过程,在牢靠性钽电容器设计中是重要的目的。

       由于钽电容器正朝着具有更高CV阳极,增加它们的体积效能,以及采用聚合物阴极以减少ESR的方向开展,完成这些目的变得越来越艰难。关键的应用,需求高的工作温度和高的工作电压,钽电容器稳定性和牢靠性成为应战。满足这些应战的技术时机和应战自身以及物理障碍是这篇文章的课题。

       2、高的工作温度

      大多数型号钽电容器的工作温度是125℃。在篷盖汽车应用中,需求更高的工作温度是175℃,石油探测应用需求进一步进步工作温度到200℃以上。虽然当工作温度T≥125℃时采用降额电压,工作温度的增加可能损伤钽电容器的一切成分。首当其冲的是它非结晶的介质薄膜。这是由于温度增加以指数方式加速了Ta2O5介质层中氧的迁移和结晶化过程。

      首先,用传统技术制造的非固体钽电容器200℃寿命测试招致直流漏电流、损耗因子和容量的疾速增加。显现阳极中介质颜色变化的毛病剖析是发作在200℃寿命测试中(图1)。这种颜色的变化是介质厚度减少的证据,它与电气测试数据是分歧的。

      3、高的工作电压

      非固体钽电容器工作电压高达150V,普通请求构成电压大约是工作电压的1.8-2.5倍。非固体钽电容器在新的医学范畴的应用,在那种场所,工作电压使本体温度超越250℃。固体钽电容器的工作电压高为50V,普通请求构成电压大约是工作电压的2.8-3.5倍。由于钽电容器中介质的厚度与构成电压成正比,高电压钽电容器有相对较厚的介质,范围在0.3-0.7微米之间。

       高压钽电容器的主要问题是在这些电容器中非结晶介质是十分容易变成结晶化。该现象地道是热力学本性。在两个不同结晶相界面之间需求不相称断层来调理这些不同相的结晶格子。当相中有一相是非结晶的,像结晶钽上的Ta2O5 非结晶状况,不需求不相称断层。由于不相称断层在系统中引入附加的能量,结晶根底上的非结晶膜比起相似的结晶膜具有比拟低的内部能量。另一方面,非结晶膜中的原子无序化给系统带来附加的能量。因而,内部能量的均衡和坚持非结晶或结晶之间均衡的趋向,决议于薄膜外表和体积之间的比率。该比率随着介质厚度的增加变得比拟小,均衡将倾向结晶化。

       初次用传统技术制造的125V非固体钽电容器的寿命实验,由于DCL的快速增加,招致少量灾难的毛病。事故剖析标明介质的颜色从原始的绿色变成了毛病元件的灰色。

       4、高的能量效率

       钽电容器应用在医学设备上,像心脏去纤颤器,使贮存能量(E)成为一个关键的参数。由于E=CV2/2,增加工作电压,贮存的能量以抛物线方式增加。同时,工作电压的增加,因而构成电压招致钽电容器中电荷Q=CV减少。这两种趋向的堆叠招致能量到达值,然后,随构成电压的增加而滚动降落。作为一个例子,图5引见这种用50KCV/g钽粉烧结钽阳极的结果。

       5、高压聚合物电容器

       在长期大量消费以来,钽电容器基本的变化总随同等效串联电阻(ESR)的减少。其中包括用传导性更好的固体MnO2阴极取代有机液体电解质阴极,和后来采用传导性更好的聚合物阴极

       6、新的挑选技术

       运用高纯度的原资料、先进的技术和精细复杂的机器,不能保证一切的废品电容器有理想的、无瑕疵的介质。由于偶尔的污染或来自机械毛病或人为要素,有些废品电容器在它们的介质上有缺陷。

       在介质上躲藏的缺陷,在消费线老化过程中没有被修复,在电气测试中未被发现,在现场应用中可能日益恶化,并惹起电容器发作毛病。那就是为什么在钽电容器制造过程中要停止加速老化、浪涌测试、再流实验等等,来展现介质中躲藏的缺陷,来挑选出不牢靠的产品,当强化实验时,能够使普通电容器的性能和牢靠性恶化,在测试中能够发现。

       这就是为什么开发出特地的挑选技术,将在介质中躲藏缺陷的不牢靠的贴片钽电容挑选出来,而不损伤普通电容器。这种技术也能够挑选特殊用处、以至不允许有小毛病率可能性的、牢靠“空间质量”电容器。