片式钽电容的开发

1、2016年6月TONGREN UNIVERSITY本科毕业论文片式钽电容的开发与应用院别：物理与电子工程学院学科门类：理学专业：应用物理学姓名:廖昌俊学号:73贵州铜仁TONGREN UNIVERSITY2016年6月应用物理学专业本科毕业论文贵州铜仁目录01摘要钽电容以独特优异的综合性广泛使用于各行业。 钽电容由钽丝和钽粉经过一系列 工艺制作而成，具有小型化，贴片化，损耗角 (tan) 小，容量大，高温稳定性等一系列 独特性能。在远距离通讯，工业，电子制造业，航天军工，医疗及一些尖端科学领域 发挥了较大的价值。本文主要是对钽电容的基本概述，工艺，现状，应用，发展趋势 和应用前景的综合论述。关

2、键词：钽电容 ; 广泛使用 ; 发展趋势ABSTRACTantalum capacitors are widely used in various industries for itsunique and excellent comprehensive properties. Tantalum capacitors by tantalum and tantalum powder through a series of production process, has the advantages of miniaturization, SMD, loss angle tangent (tan),

3、 large capacity, high temperature stability, a series of unique the long distance communications, industry, electronics manufacturing, aerospace industry, medical and somecutting-edge science has played a greater value. This paper is mainly about the basic overview of tantalum capacitors, process, s

4、tatus, application, development trends and application prospects of a comprehensive exposition.Key words: Tantalum capacitors, Widely used, Development trends1钽电容的概述1.1钽电容的简介及基本结构钽，英文名叫Tantalum，具有2900C以上的熔点，过渡金属元素，主要存在 于钽铁矿中，富有延展性，硬度适中，介电常数为27,有优越的化学性质。对盐酸，浓硝酸及“王水”都不反应，抗腐蚀性极强，金属活动性在所有金属元素中 排倒数第四。钽电容

5、，1956年贝尔实验室研制成功，由钽粉与钽丝压制而成，钽丝直径一 般在2毫米10毫米之间，通过强大的机械外力保证了巨大的内部表面积即较大的 容积比（每克电容电压的乘积），然后经过高温真空烧结（1200-1800C）后作为 电容器的阳极，通过电化学方法在其表面生成五氧化二钽（Ta2O5氧化膜作为介质，通过加热硝酸锰分解得到阴极二氧化锰。钽电容一般以贴片式和直插钽电容最为常见。直插式钽电容结构图如图所示。钽丝与钽粉混合压制成钽块邙日极），通过电化学方法，在阳极表面生成 Ta2O5氧化膜（介电层），通过加热使硝酸锰分解变成 二氧化锰得到阴极，以石墨为缓冲层，避免银浆与二氧化锰接触被氧化而失去作 用，

6、以二根CP导线引出电容正负极，一般情况下，导线较长的为正极，短的一端 是负极。环SL镯霜呈熄结锢垛f阳摄1a户刖坡i正帳1悍于电誓赛银叢面的阴胺引战輝于血块的帼越五冢俭二柜介电Jf i二扱化磊固体电懈尽,才引St侦测图 直插式钽电容结构图贴片式钽电容结构如图所示。与直插式钽电容类似，贴片钽电容多为卧式结 构，体积较小，外壳为塑料封装。外壳标注黑色矩形的通常电容正极，另一端则 为负极。银胶图 贴片钽电容结构图在钽电解电容工作过程中，具有自动修补或隔绝氧化膜的独特性能，使氧 化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力，而不致遭到连续的累积性破坏。 这种独特自愈性能，保证了其长寿命和可靠性 呵。1.

7、2钽电容的生产工艺流程钽电容主要有引线式和贴片式二种安装，其制造工艺大体相同。而钽电容的生产厂商主要是欧美日本等企业，其中主要竞争厂商有AVX,NEC,KEMET基美），VISHAY以下是生产厂商AVX生产的TAJ系列传统钽电容加工工艺流 程图和简要 说明。If料橙峻咸型悭结湿檢悍接V装配匚浸银石墨银浆mpV模型喷砂打卬切边预测试成匸杏爲匸老化图钽电容加工工艺流程图钽电容加工工艺简要说明：(1) 原材料检验：目前主要钽电容企业原料均由东方钽业提供。(2) 成型:将粗细不等的颗粒钽粉与粘合剂均匀混合，再与钽丝一起压制得到 钽电容阳极。(3) 烧结:烧结是指将钽块烧结成一定形状的微观多孔体。此过程

8、对温度和真 空度均须严格控制。(4) 湿检:通过烧结后的钽块抽样赋能实验和点参数测试确定钽块烧结比容， 对下道工序赋能的参数进行优化，同时，还将对钽丝，钽块的尺寸，强度等参数 进行测试。(5) 焊接：在工艺架上焊接钽与四氟垫，得到整架产品，方便后面的工序操作。 赋能：利用电化学的方法，在阳极表面生成绝缘的介质层五氧二钽氧化膜， 再将成架的产品浸入形成液中(一般为稀硝酸)一定深度，硝酸溶液会渗透到钽 块内部孔道中，再将钽块作为阳极通电，硝酸分解出氧，与硝酸接触的钽粒子表 面生产五氧化二钽氧化膜。(7) 被膜：首先清洗钽电容表面的杂质并干燥，放入硝酸锰溶液中加热，得到 电容的阴极二氧化锰，该工序应

9、多次重复，确保电容电量不会有较大损失。(8) 石墨银浆:石墨主要起缓冲作用，降低了电容的ESR还阻止了银浆的氧化, 一般使用机器自动操作。银浆主要收集电流，也方便后面工序引出引线，此道工 序操作繁琐，多以手工为主。(9) 浸银: 对钽电容阴极二氧化锰进行一系列的性能测试。(10) 装配: 该工序主要是切割产品，切割前应该清除已经在钽丝上的氧化膜， 然后将阳极与整个框架焊在一起，而阴极则使用银膏。(11) 模塑: 将上面得到的框架条产品模塑封装，使其成为有几何尺寸和外观的 形体。(12) 喷砂: 喷除产品框架上多余毛刺，再固化加强产品的模塑强度，常用水作 为喷砂，因为其对焊性影响较小。(13)

10、打印: 打印产品相关信息，一般包括容量，额定电压，阳极标识。(14) 切边: 将框架条的产品阳极边切除。(15) 预测试: 自动化测试产品漏电流，剔除漏电流大的产品。(16) 老化筛选 : 这是整个工序比较重要的一步，因为其电容的可靠性取决此工 序的方法是否得到完整实施。一般在老化炉内进行三步，一次老炼，浪涌测试， 二次老炼。(17) 编带: 利用编带机将产品引线成型，自动编带成为一整卷盘产品。(18) 查盘: 对已经成型的的钽电容外观再次检验，留下外观合格品，去除多余 载带，调整卷盘缠绕方向并打好包装。目前电子产品不仅小型化，其功耗却不断增加，传统以二氧化锰为负极的钽电容缺点越来明显，损耗角

11、正切较大，高频特性差，低ESR很难再减小，且在被膜时失效率高，加之本身二氧化锰氧含量很高，温度很高时，可能会自燃，燃烧电 路，损坏其他电子元件。对此工艺改进，主要有以下二种方法。(1) 对传统制造工艺的改造。传统重要的几道工序决定了电容的性能，因此对 钽粉比容量，烧结，被膜，赋能，烧结等重要几道工序进行细节的改进，尤其是 赋能和被膜工序，得到的阴极和电介质无氧化二钽是整个电容性能的关键，其主 要目前主要技术难点有二个，一是氧化膜质量，二是阴极二氧化锰的被覆质量 16(2) 对阴极材料的替换。 使用高导电聚合物来替换传统方法的阴极二氧化锰，目前主要有四种(聚乙炔，聚苯胺，聚吡咯，聚乙烯二氧噻吩P

12、EDT) 4 是目前研究最多，最深入的导电高聚合物，其不仅能弥补二氧化锰作为阴极带来的缺点，且还能提高钽电容在高频率工作时的低 ESR提高纹波电压和稳定性，提高钽电容 的自修复能力和阻燃性。四种高导电聚合物都同时存在一个问题，如何在被被膜 时实现高导电聚合物在多微孔的阳极表面均匀致密的沉积14 。但是聚苯胺，聚吡咯大量使用时，会产生污染物质，对环境有一定的危害。此外，PEDT聚合反应快, 反应难以控制，电容量引出率低，等问题仍是难题。目前由拜尔公司使用 PEDT研 制的钽电容是当前可靠性最高的钽电容导电聚合物，此外， KEMET成功研制出了 T52X,T53X二个系列的军工导电聚合物钽电容 。

13、1.3 钽电容的分类与使用钽电容主要按二种方式分类，按安装方式可以分为；引线式和贴片式。按电 解质的可分为；固体和体态钽电容 8。由于钽电容本身的一些属性，使用钽电容前 应该注意以下一些问题；(1) 钽电容为极性电容，勿施加反向电压。(2) 应当在电容器规定的纹波电压内使用。(3) 环境温度一般为-55-125 C,额定电压，频率小于10KHZ(4) 注意安装方式，不要受到过大的机械冲击和热冲击。(5) 注意保养，点检和清洗方式，发生故障应先切断电源，再逐一排查。2 钽电容的现状钽电容的国内外生产状况随着科技的发展，钽电容的性能得到更好的放大，厂家遍布国内外，尤其是 欧美日本。1 997年世界

14、贴片钽电容年产量达到 145 亿只， 2000年超过了 250亿只，片式 化率超过80% 日本生产钽电容始于八十年代中期， 最初的厂品是树脂模型SK系 列，从的K1到静电量为33uf的超小型大电容K6日本电气公司成为了世界上最 大的片式钽电容厂商，目前已被美国凯美特公司取代 8 。二十世纪八十年代，我国开始自主研发的片式钽电容，九十世纪，又研制了 模塑封装型片式钽电容器；中国振华集团 (主要趋向于军工领域 )在 1995年首次引 入钽电容生产线，之后又连续引进了 6条钽电容生产线，使我国的钽电容得到了 迅速的发展。 2001 年国内生产钽电解电容亿只，同比增长 %，其中片式钽电容亿只 4 ，片

15、式化率达到 %，目前已超过 90%，是我国钽电容产品最多，配套规格最多的 专业制造企业之一，星日钽电容(宁夏星日电子有限公司)是国内最大的钽电容 生产基地，主要对口华为等电子企业， 2012年突破钽电容年产量 1 5亿只。图为全 球钽电容生产总量走势图。1994-2014全球铉电容生产总量走势:亿只图 全球钽电容生产总量走势图从钽电容的生产总量走势图上可以看出，其生产总量有二个高峰期，一个是2000年，超过了 250亿只，另一个是2012年，接近350亿只。二十世纪九十年代， 随着电子设备的逐渐普及化，通讯，网络的发展带动着个人微机，传呼机普遍使 用，加之军工武器对钽电容的青睐，使得钽电容的需

16、求有较大上升，到2000年达到最大，之后逐渐出现市场饱和，有小幅度下降。其原因有二个，一是以美国为 首的欧美发达国家的制造业出现低迷， 计算机，移动电话销量持续降低；二是2000 年电子市场出现亢奋状态，对钽电容市场的销量预计过高，尤其是计算机和移动 电话方面，导致许多销售商重复定货，出现了大面积的钽电容库存积压。但是随 着片式钽电容生产技术和厂品结构的不断改造，小型化，大容量，低ESR高频特性等优点，在电子厂品，微处理器，汽车工业，医疗方面得到进一步使用，总量 逐步上升，到2012年达到最大值，约为350亿只。近几年，各大电容器公司不断 推出新品电容，铌电解电容，MLC（片式多层陶瓷电容器）

17、，尤其是MLCC占使用 电容器市场份额的43%价格相对钽电容较低，许多电子工程师在使用的MLCCfe容时，发现其能满足普通电路需求，逐渐侵入原有的钽电容市场，据产业研究院 公布的2014-2018年中国MLCC亍业发展前景预测与投资战略规划分析报告预 计，到2018年，MLC（在中国手机方面的使用将达到 3416亿只。加之铝电解电容 一直的传统地位，使得钽电容生产总量下降，但是钽电容一些独特的优异属性在 一些特定领域内的应用，始终是其他钽电容无法替代的。钽电容的市场消费由于钽电容本身优越性，之前主要是军工用品，随着其使用范围越来越广泛， 现在全球片式钽电容器主要用于手机中，约占35%平均一部手

18、机使用5只至20只不等，其次为数码相机及数码影音产品， 约占34%笔记本电脑方面应用占15% 图为全球钽电容消费结构图。全球钮电容消费结构图具他 手机 笔记#电脑 数码相机最埶谒产品图 全球钽电容消费结构图3钽电容的应用领域钽电容以独特的性能异于其他电解电容，不管是其超低的漏电流，等效串联 电阻，大容量，轻小，都是其他同等体积电容器达不到的，重要地位不言而喻。 应用领域横跨工业，电子，通讯，国防，航天，医疗等行业。以下是钽电容的二 个典型应用。(1) 移动电话：移动电话经过几次变革，智能化，数字化，轻小薄型化是根本趋势，也使得其内部变化较大，空间的大面积缩小，间接的要求了所使用的电 容必须有更

19、好的滤波性能，消除噪音。在电源电路DC/DC专换过程中一般都接上钽电解电容9，而实际工作过程时，与理想情况有所差异，通常在输出端与输入端 都接上电容，使其更好的将各种干扰滤除。(2) 微处理器：目前市场上使用的笔记本微处理器主要是美国Inert奔腾系 列。当电压降低时，供应的电流不断增高，微处理器与其他电子器件重复的自动 进行ON/OFF由于时间极短，电源的稳定性受到了很大的影响，Inter公司采用低 阻抗，容量大的片式钽电容，很好的解决了电荷急速变动对电源的稳定性的影响15。除此之外，钽电容还在以下应用领域内得到具体应用。通讯：程控机、专用交换机、传呼机、无绳电话、传真机13;电脑：主机、芯

20、片、微处理器；汽车： 发动机控制、燃料控制、尾气排放控制、噪声控制、刹车装置、空气袋、避碰装 置、音响系统、汽车电视、汽车随机故障诊断系统、汽车结构优化设计系统、汽 车性能计算机化测试系统；仪器仪表：石油勘探用仪器仪表，其它各种实验与生 产用仪器仪表；航空航天：民用航空飞机、卫星；国防军工：现代军事武器和装 备。4片式钽电容的前景展望钽电容由于具有优越的优势，加上表面贴装技术的不断改进，能在相对较宽 的温度范围下工作，且具有高可靠性，在现代工业电子重要作用不可替代。近年 来，其技术取得了一系列突破，超小型化、轻型化、薄型化、片式化、大容量方 向将是钽电容的下一个技术发展趋势。随着电子整机化的发

21、展，片式钽电容的应 用领域正在扩宽，行业的应用比重也将发生变化，未来医疗，航空与军工，汽车 工业，小型电子消费等领域的应用不仅更细更广，应用比重也将大大增加。(1)钽电容技术发展趋势。随着半导体行业的飞速发展和钽电容技术的不断 更新，高密度元件成了电子行业的首选。钽电子作为高密度元件的标志之一，其 技术发展主要朝小型化，轻型化，薄型化，片式化，高频大容量化五个方向发展。 小型化：日本最初研发的贴片钽电容外形大小为(土)mrnc (土)mm之后不断改进工艺，尺寸不断缩小，从( 土)mm( ) mm ( ) mm( ) mm縮小至( ) mm( ) mm之后AVX研制的0201型的贴片钽电容，尺寸

22、为X，公制为( ) mn mm是目前尺寸最小的贴片钽电容 。轻型化：钽电容的质量的轻型 化将使钽电容的钽粉的消耗量有所减小，生产一个普通的钽电容，美国需钽粉60mg 左右，日本需25-30mg,我国则需70-90mg。日本松下电子企业研发 KE型钽电容， 开始质量达到了 28mg目前质量降低了一半，仅是14mg其使用的的钽粉质量仅 为1 mg。薄型化：日本成功研制的厚度小于,体积仅有贴片钽电容，引线长仅有。 片式化：日本1977年成功研制的没有引线的钽电容，并成功使用在薄膜收音机以 来，拉开了片式钽电容的序幕。电子厂品逐渐小型化是整个电子器件的主流趋势，其中钽电容的片式化也在不断增加，从刚开始

23、的70%，到目前已超过 91%。高频大容量：由于电子不断小型化趋势，加上功耗越来越大，使得各大厂商不仅对其体 积有要求，而且电容的大容量也是其追求的目标， 1990 年最大的电容容量仅为 100uf。目前包括KEMET,NE等一系列主要厂商研制的钽电容最大为lOOOuf，而AVX的TAJ系列达到了 ,2200uf。（2）钽电容新应用领域与比重的变化。随着经济发展和工业的到来，人们的 消费观念逐渐转变，将会更加注重产品质量与安全性，未来钽电容的主要发展和 应用领域也会与之息息相关。由于钽电容的一系列其他电容无法替代的关键作用， 其在医疗，航空与军事领域，汽车工业，电子消费等应用领域将会大大增加。

24、医 疗用钽：目前便携式电池供电种类繁多，由于医疗钽电容的低流漏电流较其他电 容大大减低，Vishay研制的TM8系列钽电容将漏电流限制在 200nA这是其他电 容远远达不到的，大大的提高了设备的储能，同时方便携带，随时充电，延长设 备使用寿命，因此未来在一些关键医疗植入设备，医疗仪器，医疗电子方面将会 有更多的应用。航空与军事领域 : 航空、军事、武器一直都备受关注，与一般的电 子消费市场不同，对电容的性能要求极高，价格高低并不在其考虑范围。所以， 其使用的电容必须可靠性高，寿命长，高容量，且小型化和易于片式，这些钽电 容综合优异性能是其他电容难以匹敌的，这也将一直是钽电容的备受青睐的原因3

25、。汽车工业：人们消费水平的逐渐提高，往更注重汽车的可靠与安全性成了购买 的首要考虑。全球汽车市场逐渐回升，汽车工业电子再次迎来迅速发展，在 2016 年 3 月慕尼黑上海电子展，汇聚了接近六万明行业精英和企业参展，使汽车电子 再次成为了主角。在一般中高级轿车中，每辆车最少使用 300 个钽电容。现在钽 电容技术改进，结构优化，生产成本较原来也有大幅度减少，以后一般的车辆也 能大量使用钽电容，当汽车不再成为奢侈品时，汽车工业也将会是钽电容最重要 的消费支柱之一 11 。电子消费：目前能源，资源过度消费，环境保护责任加大， 用料少，费能少，少排污等随着小型化厂品的到来而不可轻视。加上表面贴装技 术

26、的成熟化，更要求电子产品趋于小，薄，轻方向发展，对电容要求越来越高， 钽电容能在温度变化的条件下正常工作，滤波，耦合极好，且当钽电容与其他电 容体积一样大时，电容量为其他电容的 5-10 倍，将是未来轻薄小型电子产品的首 选12 。参考文献1 屈乃琴，陈久录国内外片式钽电容器的开发与发展J.稀有金属与硬质合金，2000,(3):1-3.2 钟景明，李春光，高勇，刘宁.片式钽电容器的研究现状与发展趋势J.稀有金属快报，2003,1-5.3 彭永燃.宇航片式钽电容器耐加速应力研究D:西安：电子科技大学，2010.4 杨涛.钽电解电容用新型聚合物电极材料D:西安：电子科技大学，5 蔡钧璞.基于高温漏电流指标的钽电容器优化筛选方案研究J.混合微电子技术，2014,(1):25.廉军.片式钽电容的结构及制造工艺J.电子工业专业设备，2000，(9):60-63.7 王耀东.中压大容量液体钽电容器工作电解质的研究C.博硕论文库.天津：天津大学出版社，2006,7-8.8 王春霞，潘艳，马永红.钽电解电容使用中的注意事项J.电源技术，2