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鉭電容的性能

文章出處:未來電子    作者:Admin    瀏覽次數(shù):15    發(fā)表時間:2016-10-23 20:48:45

1.1金屬鉭的性質(zhì)

1.1.1物理性質(zhì)

1802年,稀有金屬鉭(Ta)AG Ekeberg發(fā)現(xiàn),位于元素周期表VB 族中[2],原子序數(shù)73,原子量為108.195,屬于體心立方結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)A3.2959,熔點為2996 ℃,沸點5427 ℃, 僅次于鎢和錸,位居第三。室溫下的電阻率為13.58μΩ·cm,電離電位7.30±3V

1.1.2化學(xué)性質(zhì)

鉭具有非常好的化學(xué)穩(wěn)定性,不與空氣和水作用,無論是在冷和熱的條件下,對鹽酸、濃硝酸及“王水”都不反應(yīng)。除氫氯酸以外能抵抗包括“王水”在內(nèi)的一切無機酸,也包括任何堿溶液的侵蝕。將鉭放入200℃的硫酸中浸泡一年,表層僅損傷0.006毫米。實驗證明,鉭在常溫下,對堿溶液、氯氣、溴水、稀硫酸以及其他許多藥劑均不起作用,僅在氫氟和熱濃硫酸作用下有所反應(yīng),這樣的情況在金屬中是比較罕見的。它的另一個重要特性是可以吸收氣體,如氫、氮、氧等,并形成相應(yīng)的固溶體或化合物。

1.1.3力學(xué)性能

金屬鉭具有高熔點、極強的抗腐蝕能力和良好的強度。鉭富有延展性,可以拉成細絲式制薄箔。其熱膨脹系數(shù)很小,每升高一攝氏度只膨脹百分之六點六。除此之外,它的韌性很強,比銅還要優(yōu)異。但是,硬度偏低,抗劃傷能力和抗變形能力不足,使用壽命短,制約了金屬鉭的推廣應(yīng)用,這樣,對其表面進行強化處理就顯得非常重要。

鉭所具有的特性,使它的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。在制取各種無機酸的設(shè)備中,鉭可用來替代石墨陰極,壽命可比石墨陰極提高幾十倍。此外,在化工、電子、電氣等工業(yè)中,鉭可以取代過去需要由貴重金屬鉑承擔(dān)的任務(wù),使所需費用大大降低。

.鉭電容簡介和基本結(jié)構(gòu)

固體鉭電容是將鉭粉壓制成型,在高溫爐中燒結(jié)成陽極體,其電介質(zhì)是將陽極體放入酸中賦能,形成多孔性非晶型Ta2O5 介質(zhì)膜,其工作電解質(zhì)為硝酸錳溶液經(jīng)高溫分解形成MnO2 ,通過石墨層作為引出連接用。

鉭電容性能優(yōu)越,能夠?qū)崿F(xiàn)較大容量的同時可以使體積相對較小,易于加工成小型和片狀元件,適宜目前電子器件裝配自動化,小型化發(fā)展,得到了廣泛的應(yīng)用,鉭電容的主要特點有壽命長,耐高溫,準確度高,但耐電壓和電流能力相對較弱,一般應(yīng)用于電路大容量濾波部分。

2.1.基本結(jié)構(gòu)

下圖為MnO2為負極的鉭電容



2.2.工藝流程

一、工藝制造流程

大致工藝流程如下(粗體為關(guān)鍵工序):

原材料檢驗成型工序燒結(jié)工序-濕檢QC-焊接工序-賦能工序被膜工序石墨銀漿工序-浸銀QC-裝配工序-模塑工序-噴砂工序-打印工序-切邊工序-預(yù)測試工序-老練工序-測試工序-外觀工序-編帶工序-查盤工序-成品QC-入庫儲存-包裝-發(fā)貨QC

下面按照工藝流程路線作一個簡要的介紹:

a)原材料檢驗:

b) 成型:

粗細比例不同的顆粒鉭粉與溶解于溶劑中的粘合劑均勻混合好,待溶劑揮發(fā)后,再與鉭絲一起壓制成陽極鉭塊;該工序自動化程度較高,每隔一定時間,操作員將混好的鉭粉倒入進料盤(防止鉭粉太多產(chǎn)生的自重,粘結(jié)在一起),設(shè)備自動按照尺寸模腔壓制成型;

c) 脫臘和燒結(jié):

脫臘又叫預(yù)燒,即將壓制成型的鉭塊內(nèi)的粘結(jié)劑去除;燒結(jié)則是將已經(jīng)脫粘結(jié)劑的鉭塊燒結(jié)成為具有一定機械強度的微觀多孔體,燒結(jié)過程只是顆粒與顆粒間接觸的部分熔合在一起,但若燒結(jié)溫度過高,則會導(dǎo)致顆粒與顆粒之間的熔合部分過多,導(dǎo)致表面面積減少;脫臘和燒結(jié)對爐的真空度、起始溫度、升溫、保溫、降溫及出爐、轉(zhuǎn)爐時間等參數(shù)均有嚴格控制要求。

d) 濕檢QC

濕檢是通過對燒結(jié)后的鉭塊抽樣進行賦能試驗及電參數(shù)測試確定鉭塊的燒結(jié)比容,為下道賦能工藝的參數(shù)進行優(yōu)化(電流密度、形成電壓等),同時反饋調(diào)整上道燒結(jié)工序的溫控曲線等參數(shù)。同時,還會對鉭塊、鉭絲的外觀尺寸、強度等參數(shù)進行測試。

e) 焊接:

該工序自動將單支鉭陽極塊穿上四氟墊,焊接在工藝條上并收集在工藝架上,形成整架產(chǎn)品,以便后道工序進行整架產(chǎn)品的操作。

f) 賦能:

賦能工序是很關(guān)鍵的一道工序,它利用電化學(xué)的方法,在陽極表面生成一層致密的絕緣Ta2O5氧化膜,以作為鉭電解電容器的介質(zhì)層。過程為成架的產(chǎn)品浸入形成液中(通常為稀硝酸液)一定深度,硝酸溶液會滲透到鉭塊內(nèi)部的孔道內(nèi),再將鉭塊作為陽極通以電流,硝酸分解出氧,就會在與硝酸接觸的鉭粒子表面生成Ta2O5氧化膜。

g) 被膜:

被膜是將已經(jīng)賦能好的鉭電容進行清洗干燥后,浸在硝酸錳溶液中,硝酸錳溶液一直深入到鉭塊內(nèi)部孔洞,硝酸錳加熱分解變成二氧化錳形成電容的陰極。此工序須重復(fù)多次直到內(nèi)部間隙都充滿二氧化錳,這樣保證二氧化錳的覆蓋率使電容的容量不會有損失。

h) 被石墨銀漿:

石墨層作為緩沖層,既減小了ESR又可以防止銀漿與二氧化錳接觸導(dǎo)致銀漿的氧化;銀漿層的目的是提供一種等電位表面,收集電容器充放電的移動電流,它也易于和引線框架連接。石墨的浸漬采用儀器自動控制,一般是一到二次(SAB殼為二次;其余為一次),浸漬石墨層后需要進行固化(1503040mins);而銀漿的浸漬則采用手工按工藝條來操作(固化溫度1605060mins),每隔一定時間就重新對銀漿槽攪伴,以確保銀漿的粘度,該工序的手工操作較多,感覺不是太好。

i) 浸銀QC

浸銀QC是對前面陰極生成工序后的電性能和外觀尺寸的抽檢,電性能測試包括:容量、損耗、漏電流及ESR四參數(shù),采用PC與測試設(shè)備構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

j) 裝配:

將被銀后的產(chǎn)品定距切斷,在切斷前先對鉭絲表面的氧化膜刮除,防止虛焊,再將陽極焊接在框架上,陰極通過銀膏固化與框架托片結(jié)合在一起。

k) 模塑:

將裝配后的框架條產(chǎn)品模塑包封,使其成為具有一定幾何尺寸和外觀質(zhì)量的形體。

l) 噴砂:

噴除模塑后產(chǎn)品框架上的多余溢料和毛刺,并對產(chǎn)品進行固化加強產(chǎn)品的模塑強度。噴砂的介質(zhì)已經(jīng)改用為水,這樣對可焊性的影響更小。

m) 打印:

打印產(chǎn)品的標稱容量、額定電壓和陽極標識,以進行產(chǎn)品標識識別。

n) 切邊:

將框架條產(chǎn)品的陽極邊切除,方便后續(xù)的電性能測試和老煉篩選。

o) 預(yù)測試:

只是測試產(chǎn)品的漏電流,并剔除漏電流大的產(chǎn)品。該工序自動化程度較高。

p) 老化篩選:

鉭電容的可靠性程度取決于篩選工序的方法和實施程度,因此老化篩選是重點工藝。生產(chǎn)線一般有兩套老化爐,一套同時具備浪涌測試及老煉功能;另一套只具有高溫老煉功能。其工序分為三段:一次老煉、浪涌測試、二次老煉。

q) 測試:

老煉浪涌測試完的產(chǎn)品會進行電性能四參數(shù)的測試,容量、損耗、漏電流及ESR,不合格品會自動剔除到收集盒。

r) 外觀分選:

對產(chǎn)品的外觀進行全檢,并剔除外觀廢品。

s) 編帶:

利用編帶機將產(chǎn)品引線成型,并自動編帶成為一整卷盤產(chǎn)品。

t) 查盤:

對編帶后產(chǎn)品的外觀進行100%的檢驗,剔除外觀不合格品,將合格品重新熱封,去除多余載帶,調(diào)整卷盤纏繞方向并打好包裝。

u) 成品QC

成品QC進行外觀、電性四參數(shù)、可焊、耐焊的檢驗。產(chǎn)品抽樣進行回流焊試驗,確定產(chǎn)品的電性能參數(shù)不會有太大的變化率。

.鉭電容的主要特性參數(shù)

鉭電容器在實際制造過程中,由于使用的原材料性能差異和工藝水平不同以及裝備性能的不同,批量生產(chǎn)出的產(chǎn)品的性能盡管都符合標準規(guī)定,但實際上不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品的性能存在明顯的質(zhì)量差異。即使是同一生產(chǎn)批,不同只產(chǎn)品實際上也存在質(zhì)量差異。造成此現(xiàn)象的深層次原因是鉭電容器復(fù)雜的生產(chǎn)工藝過程使產(chǎn)品參數(shù)不可能保持絕對的完全一致,因此,追求質(zhì)量一致性和追求高性能就成為所有生產(chǎn)廠家的重要目標。而對于用戶而言,造成使用時失效的原因主要有兩點;一;產(chǎn)品性能參數(shù)與電路使用條件不匹配。二;由用戶提供的產(chǎn)品存在質(zhì)量問題。


鉭電容器的各電性能參數(shù)對使用時可靠性的影響
鉭電容器的實際參數(shù)如下; 1CR;額定容量[uF] 2DF;損耗[%] 3DCL;直流漏電流[uA] 4ESR;等效串聯(lián)電阻。[Ω]

3.1.容值

容量精度對使用影響及可靠性影響簡單說明;在實際工作狀態(tài),容量大小可以決定濾波后的信號響應(yīng)速度和波幅大小,在脈沖充放電電路中可以決定輸出電流波形是否合乎要求。但是,除非在工作頻率非常高的電路需要濾波的信號較弱時,必須需要高的容量精度,一般的DC-DC電路中的濾波和脈沖充放電,容量的微小偏差根本不會影響使用效果,更不會影響可靠性。因此,在實際使用中容量的偏差幅度大小不會對可靠性造成任何影響。

容值一般的測試條件:環(huán)境溫度:25度室溫下,頻率:120HZ,電壓:交流有效值最大1V或最大直流2.5V。一般來講,容值隨頻率增加而降低,隨溫度增加容量也會略有增加,因為固體鉭電容采用固體MnO2電解質(zhì),容量變化相對穩(wěn)定,在濾波應(yīng)用時,容量變化基本可忽略。

容值VS頻率變化曲線:

容值VS溫度變化曲線:

3.2.額定工作電壓&浪涌電壓

一般規(guī)格書上標示的工作電壓為在一定溫度范圍內(nèi)最大直流電壓(低于85度),當溫度高于85度,額定電壓會降低,一般在125度,額定電壓降為原額定電壓的2/3

工作電壓VS溫度變化曲線:

3.2.1.浪涌電壓

一般鉭電容能承受的浪涌電壓大約為額定電壓或類別電壓的1.3倍,超過浪涌電壓很容易導(dǎo)致Ta2O5介質(zhì)的擊穿,下表出示了一般固體鉭電容在25&85度℃,125℃浪涌電壓值。

額定電壓(V)

@25&85

浪涌電壓(V)

@25&85

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