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带你从头到脚认识“钽电容”

发表时间:2020-07-30 11:35

一.概述

钽电容全称是钽电解电容,也属于电解电容的一种,使用金属钽做介质,因而得名。钽电容是1956年由美国贝尔实验室首先研制成功的,它的性能优异,是一种电容器中体积小而又能达到较大电容量的被动型元器件。钽电容器外形多种多样,并制成适于表面贴装的小型和片型元件。钽电容器不仅在军事通讯,航天等领域应用,而且钽电容的应用范围还在向工业控制,影视设备、通讯仪表等产品中大量使用。

常见的钽电容

二.基本结构(以贴片钽电容为例)

固体钽电容是将钽粉压制成型,在高温炉中烧结成阳极体,其电介质是将阳极体放入酸中赋能,形成多孔性非晶型Ta2O5介质膜,其工作电解质为硝酸锰溶液经高温分解形成MnO2,通过石墨层作为引出连接用。

三.工艺制造流程

大致工艺流程如下(蓝色粗字体为关键工序):

原材料检验-成型工序-烧结工序-湿检QC-焊接工序-赋能工序-被膜工序-石墨银浆工序-浸银QC-装配工序-模塑工序-喷砂工序-打印工序-切边工序-预测试工序-老练工序-测试工序-外观工序-编带工序-查盘工序-成品QC-入库储存-包装-发货QC

下面按照工艺流程路线作一个简要的介绍:

a)原材料检验:

b)成型:

粗细比例不同的颗粒钽粉与溶解于溶剂中的粘合剂均匀混合好,待溶剂挥发后,再与钽丝一起压制成阳极钽块;该工序自动化程度较高,每隔一定时间,操作员将混好的钽粉倒入进料盘(防止钽粉太多产生的自重,粘结在一起),设备自动按照尺寸模腔压制成型;

c)脱腊和烧结:

脱腊又叫预烧,即将压制成型的钽块内的粘结剂去除;烧结则是将已经脱粘结剂的钽块烧结成为具有一定机械强度的微观多孔体,烧结过程只是颗粒与颗粒间接触的部分熔合在一起,但若烧结温度过高,则会导致颗粒与颗粒之间的熔合部分过多,导致表面面积减少;脱腊和烧结对炉的真空度、起始温度、升温、保温、降温及出炉、转炉时间等参数均有严格控制要求。

d)湿检QC:

湿检是通过对烧结后的钽块抽样进行赋能试验及电参数测试确定钽块的烧结比容,为下道赋能工艺的参数进行优化(电流密度、形成电压等),同时反馈调整上道烧结工序的温控曲线等参数。同时,还会对钽块、钽丝的外观尺寸、强度等参数进行测试。

e)焊接:

该工序自动将单支钽阳极块穿上四氟垫,焊接在工艺条上并收集在工艺架上,形成整架产品,以便后道工序进行整架产品的操作。

f)赋能:

赋能工序是很关键的一道工序,它利用电化学的方法,在阳极表面生成一层致密的绝缘Ta2O5氧化膜,以作为钽电解电容器的介质层。过程为成架的产品浸入形成液中(通常为稀硝酸液)一定深度,硝酸溶液会渗透到钽块内部的孔道内,再将钽块作为阳极通以电流,硝酸分解出氧,就会在与硝酸接触的钽粒子表面生成Ta2O5氧化膜。

g)被膜:

被膜是将已经赋能好的钽电容进行清洗干燥后,浸在硝酸锰溶液中,硝酸锰溶液一直深入到钽块内部孔洞,硝酸锰加热分解变成二氧化锰形成电容的阴极。此工序须重复多次直到内部间隙都充满二氧化锰,这样保证二氧化锰的覆盖率使电容的容量不会有损失。

h)被石墨银浆:

石墨层作为缓冲层,既减小了ESR又可以防止银浆与二氧化锰接触导致银浆的氧化;银浆层的目的是提供一种等电位表面,收集电容器充放电的移动电流,它也易于和引线框架连接。石墨的浸渍采用仪器自动控制,一般是一到二次(S、A、B壳为二次;其余为一次),浸渍石墨层后需要进行固化(150℃30~40mins);而银浆的浸渍则采用手工按工艺条来操作(固化温度160℃50~60mins),每隔一定时间就重新对银浆槽搅伴,以确保银浆的粘度,该工序的手工操作较多,感觉不是太好。

i)浸银QC:

浸银QC是对前面阴极生成工序后的电性能和外观尺寸的抽检,电性能测试包括:容量、损耗、漏电流及ESR四参数,采用PC与测试设备构成的数据采集系统。

j)装配:

将被银后的产品定距切断,在切断前先对钽丝表面的氧化膜刮除,防止虚焊,再将阳极焊接在框架上,阴极通过银膏固化与框架托片结合在一起。

k)模塑:

将装配后的框架条产品模塑包封,使其成为具有一定几何尺寸和外观质量的形体。

l)喷砂:

喷除模塑后产品框架上的多余溢料和毛刺,并对产品进行固化加强产品的模塑强度。喷砂的介质已经改用为水,这样对可焊性的影响更小。

m)打印:

打印产品的标称容量、额定电压和阳极标识,以进行产品标识识别。

n)切边:

将框架条产品的阳极边切除,方便后续的电性能测试和老炼筛选。

o)预测试:

只是测试产品的漏电流,并剔除漏电流大的产品。该工序自动化程度较高。

p)老化筛选:

钽电容的可靠性程度取决于筛选工序的方法和实施程度,因此老化筛选是重点工艺。生产线一般有两套老化炉,一套同时具备浪涌测试及老炼功能;另一套只具有高温老炼功能。其工序分为三段:一次老炼、浪涌测试、二次老炼。

q)测试:

老炼浪涌测试完的产品会进行电性能四参数的测试,容量、损耗、漏电流及ESR,不合格品会自动剔除到收集盒。

r)外观分选:

对产品的外观进行全检,并剔除外观废品。

s)编带:

利用编带机将产品引线成型,并自动编带成为一整卷盘产品。

t)查盘:

对编带后产品的外观进行100%的检验,剔除外观不合格品,将合格品重新热封,去除多余载带,调整卷盘缠绕方向并打好包装。

u)成品QC:

成品QC进行外观、电性四参数、可焊、耐焊的检验。产品抽样进行回流焊试验,确定产品的电性能参数不会有太大的变化率。

四.主要特性参数

钽电容器在实际制造过程中,由于使用的原材料性能差异和工艺水平不同以及装备性能的不同,批量生产出的产品的性能尽管都符合标准规定,但实际上不同生产厂家生产的产品的性能存在明显的质量差异。即使是同一生产批,不同只产品实际上也存在质量差异。造成此现象的深层次原因是钽电容器复杂的生产工艺过程使产品参数不可能保持绝对的完全一致,因此,追求质量一致性和追求高性能就成为所有生产厂家的重要目标。而对于用户而言,造成使用时失效的原因主要有两点;一;产品性能参数与电路使用条件不匹配。二;由用户提供的产品存在质量问题。

钽电容器的各电性能参数对使用时可靠性的影响,实际的主要参数包括:

①额定容量,即容值[uF];

②DC,直流漏电流[uA];

③损耗[%],耗散因子(DF值);

④ESR,等效串联电阻,[Ω]

1.容值

容量精度对使用影响及可靠性影响简单说明;在实际工作状态,容量大小可以决定滤波后的信号响应速度和波幅大小,在脉冲充放电电路中可以决定输出电流波形是否合乎要求。但是,除非在工作频率非常高的电路需要滤波的信号较弱时,必须需要高的容量精度,一般的DC-DC电路中的滤波和脉冲充放电,容量的微小偏差根本不会影响使用效果,更不会影响可靠性。因此,在实际使用中容量的偏差幅度大小不会对可靠性造成任何影响。

容值一般的测试条件:环境温度:25度室温下,频率:120HZ,电压:交流有效值最大1V或最大直流2.5V。一般来讲,容值随频率增加而降低,随温度增加容量也会略有增加,因为固体钽电容采用固体MnO2电解质,容量变化相对稳定,在滤波应用时,容量变化基本可忽略。参见下图,可见测试频率不同的情况下,所测量到的容值是有差异的。

1)额定工作电压&浪涌电压

一般规格书上标示的工作电压为在一定温度范围内最大直流电压(低于85度),当温度高于85度,额定电压会降低,一般在125度,额定电压降为原额定电压的2/3。

工作电压VS温度变化曲线:

2)浪涌电压

一般钽电容能承受的浪涌电压大约为额定电压或类别电压的1.3倍,超过浪涌电压很容易导致Ta2O5介质的击穿,下表出示了一般固体钽电容在25℃&85度℃,125℃浪涌电压值。

3)反向电压

一般不允许对钽电容施加反向电压,并且不可在纯交流的环境中应用,若在不得以情况下允许时间小量的反向电压。25℃环境下:小于或等于10%Ur或1V(取较小者)85℃环境下:小于或等于5%Ur或0.5V(取较小者),125℃环境下:小于或等于1%Ur或0.1V(取较小者),IEC60384-3对反向电压测试条件为:125℃环境下,3Vdc或10%UR(取较小者)测试125小时。

2.直流漏电流

1)纹波电流&浪涌电流

浪涌电流和纹波电流破坏机理主要是通过引起器件的过热,导致器件烧毁,功率损耗(P有)与纹波电流(Irms)的关系由下式表示:P有=V-·I漏+Irms2·R≈Irms2·Rs,

其中:V-:直流偏压(V);

I漏:漏电流(A);

Rs:等效串联电阻(Ω);

Irms:纹波电流。

由上式可以看出:当Rs增大或当Irms增大时,功率损耗增大,因此,在高频线路中要求通过钽电解电容器的纹波电流小和选用等效串联电阻小的钽电解电容器。在所有应用中都应注意电路中纹波电流和浪涌电流不应太大,一般来讲,浪涌电流和纹波电流在钽电容规格书中没有写出,需要咨询供应商,或者应用I=U/R粗略估算,其中U为额定电压和浪涌电压。R为等效串联阻抗,国军标和供应商一般建议在低阻抗电路中串接一电阻降低其浪涌电流的冲击(一般建议串接1V/ohm或3V/ohm)

2)漏电流

DCL值是钽电容器性能高低的最重要的决定性参数,特别是产品漏电流的衰减速度和高温时的漏电流变化率将对产品的可靠性起到决定性的影响。因此,一只产品在使用时的可靠性高低主要取决于该只产品的漏电流大小和高温时该只产品的漏电流变化率。特别是在无电阻保护的低阻抗开关电源电路[也叫DC-DC电路或低阻抗电路]和大功率脉冲充放电电路里使用时,该只产品的上述特性将对电路可靠性影响非常大,几乎是决定性的。因为此类电路中存在频繁的浪涌电压和浪涌电流,耐压不够和高温时漏电流变化大的产品根本不能承受浪涌冲击,瞬间就有可能被击穿而失效或爆炸。

钽电容器漏电流与充电时间之间关系:

不同生产厂家生产的相同规格的产品的漏电流衰减速度完全不一样,尽管它们都是合格品。钽电容器的漏电流会随充电时间延长而逐渐降低,3分钟内达到稳定态,但不同质量的产品在充电时的漏电流衰减速度却因为不同的生产条件而不同。衰减速度快的产品由于在极短的时间内通过电流较小而产生的热量较小,因此,产品几乎不存在可导致产品瞬间失效的过高热量集中,因此产品不容易发热失效。通过的漏电流小,说明该产品的介电层质量较好,可以安全承受更高的电压和电流冲击,而漏电流衰减速度慢的产品,不光容易在浪涌产生时因为通过电流大而击穿,而且极易爆炸燃烧,对使用者造成毁灭性影响。因此,用户可以通过测试钽电容器的漏电流衰减速度来甄别钽电容器耐电压冲击能力和耐电流冲击能力。

钽电容器的伏安特性关系:

从相同规格的产品在不同电压下测试出的漏电流来看,钽电容器的漏电流会随测试或使用电压的增加而增加,至到击穿[这种现象叫做钽电容器的伏安特性]。但不同厂家生产的产品,漏电流增加的程度会有很大差别。实际上,钽电容器容许施加1.3倍的额定电压而不会出现任何质量问题,但如果某只产品的漏电流随电压的变化而变化过大的话,这样的产品将不能承受过高的工作电压,同样,它也不能承受即使是偏高的浪涌电压冲击。

质量较高的产品的漏电流在规定的测试或使用电压范围内变化将较小。反之,产品的质量将不能满足用户的基本要求。这样的产品因为抗浪涌能力较差,因此,使用在存在大的脉冲电流的电路将非常容易出现击穿现象。

钽电容器的漏电流和工作温度之间的关系:

钽电容器的漏电流会随使用温度的增加而增加,此曲线称作漏电流温度曲线.但不同厂家生产的相同规格的产品,常常由于生产工艺和使用的原材料及设备精度不同而高温漏电流变化存在非常大的差别.高温漏电流变化大的产品在高温状态会由于自己产生的热量的不断累积而最终出现击穿现象.高温漏电流变化小的产品在高温下长时间工作,产品的稳定性和可靠性将较高.因此高温时产品漏电流变化率的大小可以决定钽电容器的可靠性.对于片式钽电容器,高温性能高低对可靠性有决定性的影响。

漏电流的测试一般是在20℃时施加额定电压进行测试,在测量电路中与电容串接一1000OHM保护电阻,充电一到五分钟(KEMET、VISHAY、AVX为两分钟、SANYO为五分钟),然后测出漏电流。

3.耗散因子(DF值)

耗散因子是决定电容内部功率耗散的一个物理量,越小越好,一般DF值随频率增加而增加。

损耗大小对产品使用影响及可靠性影响说明:损耗(DF值)是表征钽电容器本身电阻能够造成的无效功耗比例的一个参数,损耗较小的产品ESR也将较小。但损耗大小的微小差别不会对使用造成明显影响,对工作状态的产品的可靠性影响与容量偏差的影响相比较大,但与产品漏电流大小和ESR大小对使用时的可靠性的影响相比仍然较小(漏电流大小和ESR大小影响>损耗大小影响>容量偏差的影响),滤波时如果产品的损耗较大,滤波效果差一些。同时,损耗较大的产品的抗浪涌能力也较差。

4.阻抗,等效串联阻抗(ESR)&感抗

ESR是决定电容滤波性能的一个重要指标,钽电容的ESR主要是由引脚和内部电极阻抗引起,是电容在高频上表现的一个很重要的参数,一般来讲,同容量,同电压值的钽电容的ESR要低于电解电容,但要高于多层陶瓷电容,ESR随着频率和温度的增加而减少,ESR=DF/WC。在谐振频率以下,电容的阻抗是电容的容抗和ESR的矢量和,在电容产生谐振以后,电容的阻抗是电容的感抗和ESR矢量和。

在脉冲充放电电路,钽电容器会不断承受峰值功率可能达到几十安培的浪涌电流冲击,而且有时候充放电的频率也可能达到几百甚至几千HZ;在此类电压基本稳定,浪涌电流不断的电路,钽电容器的可靠性不光取决于产品耐压高低及伏安特性和高低温性能,还取决于产品的等效串联电阻ESR的高低,因为ESR值较大的产品在高浪涌时瞬间就会产生更多的热量积累,非常容易导致产品出现击穿。因此,钽电容器ESR值的高低直接可以决定产品的抗直流浪涌能力。

另外,不同ESR值的产品在存在交流纹波的电路里,一定时间内产生的热量也与其ESR值高低成比例,ESR越高的产品在一定的时间内产生的热量也越高,因此,不同规格的产品由于阻抗ESR值不一样,具有不同的耐纹波电流能力。ESR低的产品不光在高频使用时容量衰减较少,滤波效果较好而且可以使用在更高频率的电路,同时因为它具有更大的抗浪涌能力,也符合可靠性要求较高的不断通过瞬时大电流的脉冲充放电电路的基本要求。

五.钽电容优缺点

◆优点:

钽电容,使用金属钽做介质,而不像普通电解电容那样使用电解液,钽电容也不需像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸绕制,本身几乎没有电感,但这也限制了它的容量。此外,由于钽电容内部没有电解液,很适合在高温下工作。这种独特自愈性能,保证了其长寿命和可靠性的优势。固体钽电容器电性能优良,工作温度范围宽,而且形式多样,体积效率优异,具有其独特的特征:钽电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。此层氧化膜介质与组成电容器的一端极结合成一个整体,不能单独存在。因此单位体积内具有非常高的工作电场强度,所具有的电容量特别大,即比容量非常高,因此特别适宜于小型化。钽电容性能优越,能够实现较大容量的同时可以使体积相对较小,易于加工成小型和片状元件,适宜目前电子器件装配自动化,小型化发展,得到了广泛的应用,钽电容的主要特点有寿命长,耐高温,准确度高,但耐电压和电流能力相对较弱,一般应用于电路大容量滤波部分。

◆缺点:

钽电容相对铝电解电容,容量较小、价格也比较贵,而且耐电压及电流能力较弱。它被应用于大容量滤波的地方,像CPU插槽附近就看到钽电容的身影多。

六.标识方法

1.直标法:用字母和数字把型号、规格直接标在外壳上。如下(以AVX品牌为例):

2.文字符号法:用数字、文字符号有规律的组合来表示容量。文字符号表示其电容量的单位:P、N、u、m、F等。和电阻的表示方法相同。标称允许偏差也和电阻的表示方法相同。小于10pF的电容,其允许偏差用字母代替:B--±0.1pF,C--±0.2pF,D--±0.5pF,F--±1pF。

3.色标法:目前较少看到,在此不做介绍。

七.封装类型

钽电容,基本可分贴片型和插件型。其中,插件型,又分轴向型(类似圆柱,引脚从中心的左右两端引出)和编带型(引脚从同侧引出);而贴片型,根据其长宽高的不同尺寸,可分为A、B、C、D、E、U、V等型,对应的尺寸,如下:

八.主要用途及注意事项

钽电容的性能优异,是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品,在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手。钽电解电容器具有储藏电量、进行充放电等性能,主要应用于滤波、能量贮存与转换,记号旁路,耦合与退耦以及作时间常数元件等。在应用中要注意其性能特点,正确使用会有助于充分发挥其功能,其中诸如考虑产品工作环境及其发热温度,以及采取降额使用等措施,如果使用不当会影响产品的工作寿命。另外,贴片钽电容有标记的一端是正极,另外一端是负极,引线钽长腿的正极,钽电容不能接反,接反后就不起作用了。

因为钽电容有爆炸这种危险性,所以我们在使用的时候,要特别注意,具体是:

①钽电容器是有极性的电解电容器(有"+"符号端为正极),使用时不可反极性。反极性使用时会增加漏电或可能引起短路、甚至冒烟爆炸!

以下是各种常见钽电容的极性(请务必记住!):

②不能应用的电路如下:高阻抗电压保持电路;耦合电路;时间常数电路;漏电流有影响的电路;用串联方式增加耐压的电路。

③不能超过额定电压使用,否则有可能引起短路。

④要限制急速地充电或放电。建议在充、放电电路中加一个限流电阻,使冲击电流小于20A。

⑤在设计时,电容的容量、耐压、阻抗等要留一定的裕度,使更为安全、可靠。

⑥要确认使用的温度范围在电容器的工作温度范围内。电源电流不超过容许的纹波电流,当超过容许的纹波电流时,电容器内部会增加热量,降低使用寿命。

⑦建议电容器施加的电压为额定电压的90%,若额定电压大于10V时,取额定电压的80%为好;若直流电压加上交变电压,则其峰值电压不能超过额定电压;若总的直流电压加上负峰值交变电压,不允许出现负压。


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