鈮電解電容器

鈮電解電容器具有比鋁電解電容器優越的性能而價格比鉭電解電容器便宜在電解電容器領域頗有發展前途。

基本介紹

• 中文名：鈮電解電容器
• 外文名：Niobium electrolytic capacitor
• 類型：電容器

鈮電解電容器的製備

早在世紀六七十年代以美國和蘇聯為首的國家就開始了對鈮電容器的研究工作但在工藝過程中由於熱和電學應力使五氧化二鈮介質膜遭到嚴重破壞導致電容器漏電流大、產品失效率高。我國年代也開展過這方面的研究年月還專門召開了研製發展鈮電解電容器專題會議在廠成立了鈮電容器實驗室但生產出的鈮電容器存在許多質量問題漏電流大、儲存性能差尤其是被膜工序反覆經過℃的高溫熱分解硝酸錳溶液的工藝電容量增加以上產品性能極不穩定“以鈮代鉭”不斷降溫年後逐漸淡出歷史舞台。年代以來隨著粉末生產技術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製奠定了基礎。新型鈮電解電容器性能優良價格便宜目前已被世界各國的電容器行業廣泛關注。鈮電容器的製備必須避免鈮陽極含氧過飽和即必須防止次氧化物的生成抑制氧通過膜和界面遷移保證介質層的熱穩定。英國公司已有鈮電容器樣品供應市場電容量範圍為¨工作溫度高達℃世界鉭電容器龍頭企業——美國和日本公司也在積極開發鈮電容器電容器鈮粉主要由美國公司和德國公司供應並已成產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採用多種形式封裝。出等以聚苯胺和聚吡咯導電聚合物為陰極研製成功一種用於高頻的鈮電解電容器其工作頻率達而以為陰極的電容器只有。俄羅斯在前蘇聯研究的基礎上不斷研究也具有相當高的水平。

鈮電解電容器性能

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題是熱和電應力對介電氧化膜的破壞造成漏電流增大電容器失效。鈮電容器的惡化機理與鉭電容器類似是由無定形介電氧化膜的晶化

作用和陽極介電質的表面脫氧反應造成而膜向金屬鈮擴散氧的速率遠高於膜試驗表明在℃退火膜溶解近但膜幾乎沒有任何影響。另外在鈮電容器陽極氧化膜中存在的氧相低價鈮氧化物和是導體和半導體造成潛在的漏電流途徑。只有通過改善鈮粉的電性能和使用特殊的鈮電容器加工工藝介質氧化膜才能穩定從而製造出具有穩定電性能的電容器。鈮在固體電解電容器中可有效代替鉭因為鈮輕、便宜儘管種金屬在晶體結構和物理化學性質上很相似但鉭、鈮電解電容器的電性能是不同的鈮電容器在壽命測試時其漏電流有增加的傾向最終導致其參數失效鉭電容器的漏電流長時間內沒有明顯的變化但個別也有急劇增大偶爾發生一些災難性的失效。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於鋁電解電容器。鈮電容器的一個重要特徵是在壽命試驗時著火情況少典型的情況是漏電流變大通常不會被擊穿相反鉭電容器的失效是擊穿和短路嚴重時會造成電容器著火和燃燒。

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鈮電解電容器的選擇

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型鈮電容器的套用一般在10V以內的電壓下；以NbO粉為原料的MnO₂型鈮電容器的套用一般在6 V以內的電壓下。 2001年世界幾大電容器製造商相繼提供了固體電解質鈮電容器樣品，其綜合性能與常規鉭電容器接近，而優於鋁電容器，價格遠低於鉭電容器。NEC公司開發出低ESR導電高分子聚合物鈮電容器；Vishay公司開發出MnO₂型鈮電容器；AVX公司開發出低ESR MnO₂型鈮電容器並認為NbO電容器價格更低，更具有競爭力。鈮電容器的形狀、結構與片狀鉭電容器的行業標準尺寸一致，製作工藝基本相同。Vishay、NEC、AVX等公司的鈮電容器已提供給用戶進行評價，並得到認可和好評，有的公司已開始小批量生產供用戶進行整機試驗。幾種電容器的性能比較見表10.5-34；鈮電容器的典型形狀和結構見圖10.5-91。 鈮和鉭、鋁一樣，在其表面可以形成介電氧化膜。鈮電容器的最大問題是熱和電應力對介電氧化膜的破壞，造成DCL增大，電容器失效。鈮/NbO電容器的惡化是由無定形介電氧化膜的晶化作用和陽極介電質表面脫氧反應造成的。這兩種作用造成無定形介電質不能在熱力學平衡狀態和氧化膜基層中穩定存在，Ta-Ta₂O₅和Nb-Nb₂O₅不能形成熱力學平衡。鈮和鉭電容器的動力學惡化過程和氧化膜基層的晶體結構完全不同，尤其是Nb₂O₅膜向金屬鈮擴散氧的速率遠高於Ta₂O₅膜。研究表明，360℃/30min退火，Nb₂O₅膜50%溶解，但Ta₂O₅膜沒有影響。Ta₂O₅膜達到類似的溶解率，溫度必須高於480℃。NbO電容器與此有相同的結果。另外，在鈮電容器陽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。

低價鈮氧化物NbO和NbO₂是導體和半導體，它們部分存在於五氧化二鈮氧化膜系統中，造成潛在的漏電流途徑。通過改善原料鈮粉和使用特殊的鈮電容器生產工藝，介電氧化膜的惡化得到抑制，介電質-陽極界面得到穩定，並且製造出具有穩定電性能的鈮電容器。 圖10.5-93對鈮，鉭，鋁，陶瓷電容器的電溫度-容量特性進行了對比。從圖中可以看到，由於鈮與鉭的化學相似性，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%的標稱容量。

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；偏壓對濕式鈮電容器的影響很大，對固體鈮電容器的影響相對較小；進一步研究表明，偏壓對大殼號鈮電容器的影響較大，對小殼號鈮電容器，電容量隨偏壓的變化與鉭電容器類似。

隨著電子電路的發展，微處理器和數字電路的套用要求更高的頻率（100 kHz～10MHz），並且具有低ESR。據報導國外已開發出用於高頻的鈮電解電容器，其工作頻率達到800 kHz。圖10.5-95和圖10.5-96比較了用鈮氧化物、鈮、鉭、陶瓷和鋁生產的100μF/6.3 V電容器的ESR和電容量隨頻率的變化。

鈮電解電容器的市場

圖10.5-96中可以看出，鈮和鈮氧化物電容器的電容量—頻率變化趨勢曲線與鉭電容器沒有太大差別，而優於鋁電容器；陶瓷電容器的電容量穩定性最好。圖10.5-95展示電容器的等效串聯電阻與頻率的關係曲線，從該圖中可以看出，鈮和鈮氧化物電容器的等效串聯電阻與頻率的關係曲線幾乎與標準鉭電容器一致，而優於鋁電容器。通過進一步最佳化氧化膜，鈮電容器的等效串聯電阻將達到鉭電容器的性能。 相對於鉭電容器，鈮電容器的一個重要特徵是，在壽命測試時著火失效情況低。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。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，尤其是在大殼號電容器中，這種失效會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在壽命測試時的不同行為特徵有關，見圖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，漏電流在一定時間保持穩定，然後急劇增大。顯然，在鈮電容器中漏電流的逐漸增加有助於修復電介質中的缺陷，使積聚能量逐漸散失到基片，在電介質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現鈮電容器的這種作用。電介質擊穿發生時，伴隨著積聚能量的突然散失，局部溫度急劇增加。在大殼號鉭電容器中，積聚的能量高，散失的能量低，溫度快速達到臨界點，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，這種結果與鈮電容器低的著火失效情況相一致。電介質中缺陷點的漏電流較高，造成局部溫度增高；溫度增高，漏電流變得更大，造成溫度進一步增高，漏電流更是加速增大，最終導致在一定的直流電壓下電介質擊穿。 2.1.3 發展趨勢 高質量、高比容的鈮/NbO粉的快速發展，使得用高比容鈮/NbO粉替代鉭和鋁作為電容器的陽極材料製造高比容鈮電容器成為可能。鈮電容器已經進入高比容電容器市場，它們具有與普通片式鉭電容器類似的容量/電壓範圍，並且表現出與標準鉭電容器類似的等效串聯電阻特性。鈮電容器價格低、性能穩定，可以替代部分低壓鉭、陶瓷、鋁電容器。鈮電容器不容易發生著火失效，為電路的安全提供了保障。鈮電容器較高的漏電流，對於大部分的套用並不是問題，因為鈮電容器的最大電流殘留量遠低於50μA。例如，在個人電腦（PC）中的套用，相對於微處理器的全部功率消耗，這一數值很小，沒有太大影響。 壽命測試證實鈮電容器的電容量是穩定的，漏電流隨時間持續增加，但增長速率減弱並出現飽和狀態，這是鈮陽極氧化膜不穩定造成的。鈮電容器的改進目標是避免低價氧化物的形成和穩定介電氧化膜。 隨著電子電路和電子工業的發展，鈮電容器必將作為一種新型電容器推向市場，開闢它的套用領域。