氧化铌电容器技术

1、铌氧化物电容器技术摘要钽技术方面的最近发展已经导致一种以铌氧化物为基础的一种新型固体电解质电容器 的出现。由铌氧化物粉粒制成的电容器对最终用户来说表现出非同一般的性能，例如显著地 减小燃烧失效模式，更好的负载电阻，费用的减小等。本文将对此技术目前的技术状态提供 出大概的回顾，而且也描绘出未来中长期重点发展方向。一、简介在过去的几年里伴随着快速的技术成长，电容器发展，仍是.一个充满活力的领域。当一些 成熟的技术显示出年均增长衰退的时候，而另外一些为应对未来高容量应用而刚刚显露出技 术则面临明显的挑战。引线型钽电容器、铝箔电容器和一些薄膜电容器它们年均增长已经低 于 5% （见图 1）。 -.（最

2、大10/16左右）：（T00uF）这一竞争领、11岫 UrgiLiXWa心胃电容器-煽金属-NbO引线薄膜电容器铝箔电容器引线粗 电容器片式超（最大10/16左右）：（T00uF）这一竞争领、11岫 UrgiLiXWa心胃电容器-煽金属-NbO引线薄膜电容器铝箔电容器引线粗 电容器片式超电容器片式薄膜电容器多层陶瓷电容器出现期成长期成熟期25%25%-10%10%-5%T-inwnEg主时图2不同技术的容量/图2不同技术的容量/电压（CV）图示二、铌氧化物和铌金属粉粒而且与钽有相似的化学特性。在矿石中铌矿更加丰在元素周期表中铌金属紧挨钽出现而且与钽有相似的化学特性。在矿石中铌矿更加丰富，且费用

3、低。这已经为钽电容器制造商提供一个良机，去把铌作为一个有潜力的钽金属替 代物加以评价；然而曾经有两个对铌的应用起重要的障碍的因素，目前才被克服。首先，相 对于钽从电介质（Nb2O5）到铌金属其氧的分布比率要更高，导致漏电流（DCL）不稳定。 第二个阻碍是能够满足电容器制造商所需要的电性能和机械性能规范的高纯度铌粉的短缺。 现在有两种可能的方式可减小氧分布和改善DCL稳定性：一种采用掺氮的金属性铌粉，另 一种是使用铌氧化物粉粒（见图3）。铌氧化物（NbO）是一种具有高导电性的硬陶瓷特性原材料，此特性通常和金属联合在 一起。铌氧化物粉粒和钽粉一样有着相似的颗粒形态，而且铌金属是在同样的方式下生产出

4、 来的。本文比较了钽、铌金属（掺氮）和铌氧化物粉粒分别制成的电容器的性能。囹概括 出这些原材料的特性。.O-J LO. 心罗 ECD-J.O-J LO. 心罗 ECD-J图3在85C、5000小时寿命下的漏电流稳定性参数性能钽铌铌氧化物粉末单位成本电容器级钽电容器级铌铌铌矿石含量开米成本300ppm3%3%电容器应用供应链60%10%10%密度（g/mm）重力跌落测试16.48.67.5最小燃烧能（mJ）阻燃性33600燃烧率（mm/s）燃烧速率11.581.5比热(J/mol/K)负载电阻252540电介质材料电性能TaO -5Nb2O5NbO -5增长率（10mv）容量1.72.52.5介

5、电常数（8）容量274141图4钽铌和铌氧化物粉末参数一览表三、可获取能力-供应链铌和铌氧化物在自然界中的含量比钽更丰富。这些原材料通常作为合金成分而被广泛地使用在为造船业就、管道、建材而生产的钢材中。为了电容器而生产的铌的应用因这些主要 广泛工业需求而受到阻碍，因此要保证一个长期的稳定的供应。然而金属铌到电容器级铌粉 的转变需要和电容器级钽粉同样的专门的工艺，并且分享同一供应链。另外，电容器级铌金 属粉的生产目前还未占有很大的比率。通过对比铌氧化物（NbO）技术有了比较广泛的原材 料供应基地和更大份额的可获取能力。四、铌氧化物电容器的基本性能图5提供一个钽、铌和铌氧化物电容器的基本电性能参数

6、的回顾。NbO电容器的基本电性能：容量：10-470uF电压范围：4-6V壳号：EIA： A-E壳温度范围：-55-+105C（标准系列）、-55-+125C（工作系列）DCL： 0.02CV基本可靠性：0.2%/1000hrs （工作系列）、0.5%/1000hrs （标准系列）工艺NbO标准NbO 低 ESR钽 MnO2铝陶瓷钽聚合物阳极NbONbOTaAl陶瓷Ta阴极MnOc2MnOc2MnOc2电解质金属 涂层聚合物基本可靠性（%/1000hrs）0.5%/1000hrs0.2%/1000hrs1%/1000hrs8000到20000hrs相关CV0.5-1%/1000hrs基本可靠性

7、（MTBF）200khrs500khrs100khrs8k-20k hrs相关CV100k-200khrs容量范围10-470uF100-470uF0.1-1000uF0.1-6800uF0.01-220u F10-680uF容量偏差20%20%10% 或 20%20%20%20%额定电压4-64-62.5-504-4004-1002.5-16ESR（D 壳）0.9Q100mQ35-900mQ1500mQ 1mQ55mQDF18%12%16%40%7%ibg VAdir idi4. BfUk mKximun Applied cihdii.Mi Hbd ul ihu cobJiila. tr h

8、gkihpbAihiih .kJ drrucEbzti lihio! -oi ihbThe df-:，图9 V-A特性测量Tlimr diu itr MKful Kkir- iibg VAdir idi4. BfUk mKximun Applied cihdii.Mi Hbd ul ihu cobJiila. tr hgkihpbAihiih .kJ drrucEbzti lihio! -oi ihbThe df-cue du-im iff it Q.匚图8电容器击穿fhcwr diu ik* ukCuI Itkif- utibg VAcfa?BylLic mEsimuncutlriii.幻1

9、1 bdeuL ifart+iibd土iucxioh lihin -at diif -a|Mdi-o-k The at- cuiE is ib 日事八、钽聚合物电容器和铌氧化物电容器比较钽聚合物电容器已经在实际中使用，这与常规MnO2钽电容器的热击穿失效模式有关 系。如图10所示，可以肯定解决热击穿问题铌氧化物电容器比钽聚合物电容器更加优良安 全。当施加使用电压导致电介质击穿期间，铌氧化物电容器没有伴随着短路失效模式而损坏。 如果施加使用电压，聚合物钽电容器在电介质击穿期间不可能出现短路损坏，可能出现冒烟图10产品击穿后的V-A图10产品击穿后的V-A特性图11使用4V470 uF-E壳NbO

10、电容器的TV游戏机的PCB板与钽聚合物电容器相比，铌氧化物电容器的另一个优势是漏电流（DCL）对于电池/移 动使用设备，DCL值特别重要，这里高漏电流消耗电池能量，因而缩短设备寿命时间。铌 氧化物电容器DCL规范比钽聚合物电容器低5倍。4V470 uF 的标准 DCL：钽聚合物电容器：190uA铌氧化物电容器：38 uA在3.3V使用电压下，电介质击穿状态下，通过电容器的标准电流：钽聚合物电容器：1.7A （短路失效模式）铌氧化物电容器：97 uA （高阻抗失效模式）基于此种比较，铌氧化物电容器电介质层击穿后的DCL表现的比好的钽聚合物电容器 要低。八、壳号研究4V470 uF-E壳铌氧化物电

11、容器曾使用在TV游戏机接口中（见图11）。一种检测曾经被 执行去证明电介质击穿后设备的使用情况。示波器记录过电路中4V470 uF良好铌氧化物电容器的滤波能力（见图12）。如上文中“应用检测”所描述的那样，一个好的电容器从PCB板上取出，然后受到3 倍额定电压后出现电介质击穿。电介质击穿后的阻抗是130K欧（低阻抗分配值）。此电容 器被重新放回TV游戏机并在击穿前的同等条件下测量。击穿后的纹波输出如图13所示。通过铌氧化物电介质击穿前后的测量发现作为描述滤波能力的最重要参数的波峰到波 峰的纹波电压输出类似，没有太大的区别。更大的背景噪声在图13 （产品击穿后）和图12 （产品击穿前）比较起来可

12、能会看到，然而这对TV游戏机的功能没有影响。此TV游戏机 曾一直在任何使用者无意降级的情况下工作着。由于优良的可靠性（见“可靠性”）铌氧化物电容器的电介质击穿在标准应用状态中将 不会真正出现。然而如果发生，最终设备或许仍会使用。图13电介质击穿后4V470 uF-E壳NbO电容器的电压纹波输出图12 一个好的4V470 uF-E壳图13电介质击穿后4V470 uF-E壳NbO电容器的电压纹波输出NbO电容器的电压纹波输出九、其他性能在一些典型应用中有更多的铌氧化物电容器的性能显出明显的优势：1）无铅系统准备：无铅装配系统需要伴随更高热机械应力的更高回流焊温度。并不是 所有的电容器技术都准备好去

13、经受此种严酷的状况。铝和箔膜电容器对热机械负载非常敏感，特别是对能引起毁灭性电失效的回流可温度/ 时间焊接曲线。陶瓷电容器对电过载有更好的恢复性，而且与无铅装配有热机械相容的特点，但是外 形尺寸大的产品对电路板弯曲敏感，因此要采纳制造商的操作指南。一般陶瓷电容器失效机 理是低绝缘阻抗或短路。新型铌氧化物电容器具有同样恢复性，和陶瓷电容器相似它们在热机械应力和高温度 波峰回流焊（无铅装配）状态下也表现出非常好的稳定性，但是对机械缺点不敏感。2）无压电效应：钡钛酸盐（基本陶瓷原材料）的高CV成分展示出一种扩音器的效果。 例如，如果取一个Y5V电容器并且使之受到一个双倍信号的DC偏置电压（例如1KH

14、z正 弦波），电容器将开始发出“声音”这种机理也是可逆的，这意味着1KHz外部信号将对电 信号引起1KHz噪声的产生。铌氧化物电容器展示不出与陶瓷材料粉末一样的类似的扩音器 效果。3）低重量：铌氧化物粉末密度是钽粉的一半。这时单位产品重量有影响。标准E壳 铌氧化物电容器比由钽粉制成的相同电容器轻大约25%。实际使用在类似移动设备对重量 敏感的应用中。在相同的PCB板元件轨迹上更低的重量将改善作为在一些应用中的另一个 重要参数PCB板跌落试验强度。4）高温下的低ESR：铌氧化物电容器的温度依赖性和钽电容器相同。由于MnO2（阴 极）电导率的改善ESR下降。因此，高温下的滤波性能和室温25规定比较

15、会更好。十、发展方向图14提供一个铌氧化物电容器满足所有市场不同需求而不断发展过程的概括。这可以 被分成四个主要区域：最大额定温度从105C扩展到125C（125C在性能系列中已经可获 取）、增加产品范围即范围扩展、额定电压扩展到2.5V和10V、低DCL （相当于钽电容器）。 AVX目前也正在进行铌氧化物电容器的研究，把我们最近研究出的新技术应用去生产低端面 和微型片式电容器。电源供应部分的关键需求之一是低ESR。AVX正在朝着几种更低ESR产 品进行研究。在发展计划中有一些关键阶段（见图15）。这表明为1-2年以后新产品投放市场计划出 一个时间表。所有这些发展都因目前铌氧化物电容器的优质的稳定性和可靠性而发生。图14铌氧化物发展方向图15铌氧化物发展的里程碑十一、结论铌基本技术一铌和铌氧化物电容器现在正在进入高容量/电压（CV）电容器市场领域。 它们有和钽片式电容器类似的容量/电压（CV）范围，而且证明ESR特性和常规钽电容器相 当。它们的参数稳定性和不昂贵的原材料费用（特别在铌氧化物电容器的壳号中）使得它们 制造工艺有望替代低压钽电容器、陶瓷电容器和铝箔电容器。铌氧化物电容器减小的燃烧性 也使它的技术有意义。铌和铌氧化物电容器电介质（像钽一样）表现出无压电效应，如果电容器使用在苛刻的 音频-视频领域这种压电效应可能会