钽电解电容器生产工艺和漏电流探析

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摘要：钽电解电容器在电子元器件中占据着非常重要的地位，钽电容器是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品，最早在1956年由美国贝尔实验室首先研制成功的，它的性能稳定，可靠性优异，在将尽一个世纪以来没有哪种电容器通过完全替代钽电解电容器，钽电容器封装形式多种多样，体积尺寸设计多样化，其所具备的稳定性高、容量大、小型方便、高性能以及较强的自愈能力等优势使钽电容器不仅广泛在军事通讯，航空航天等领域应用，而且还在向工业控制，影视设备、通讯仪表、手机、电脑、飞机、工业控制电子线路或者火箭雷达等领域扩展，覆盖范围非常广，其地位和重要性在电子电路中可圈可点。文章主要针对钽电解电容器关键生产工艺流程以及漏电流情况做了简单阐述，希望能进一步提高钽电解电容器的生产制造水平。

关键词：钽电解电容器；制造工艺；漏电流

1钽电解电容器简单阐述

钽电解电容器顾名思义是以钽为金属材料制造的电容器，主要是其电介质层为钽的氧化物------五氧化二钽（Ta2O5）。五氧化二钽是不能单独生成的，作为电容器的电介质层，是在钽粉颗粒表面通过电化学方法获得。电解电容器结构的三个要素是正极、电介质、负极，围绕这三个要素，生成了许多不同生产工艺及结构。不管封装形式，钽电解电容器的正极都是以有色金属钽粉为原料，将适合于制造电容器的钽粉与钽丝一起通过模具压制成型钽坯，同时将带钽丝的钽坯在高温（1300~2000℃）高真空条件下烧结成具有多孔状蜂窝结构的钽块，通过控制钽粉的选择、烧结工艺的优化获取最大比表面积和高质量的钽块，这种钽块就是用作钽电容器的阳极芯子，钽丝作为正极引出线。在钽块的多孔状金属钽颗粒表面上通过电化学法生成电介质层五氧化二钽膜，厚度非常薄，该层氧化膜介质与电容器阳极钽块融合在一起，两者相互作用才能存储电荷，由于钽块的蜂窝结构具有极大的表面积，同时五氧化二钽电介质膜非常薄，所以钽电容器的单位体积内具有很大的电容量。因此，钽电解电容器有着较高的容量比，即可以大型化提高更大的容量，也可以小型化便于安装集成化表帖化。电介质五氧化二钽膜具有半导体单向导电特性，所以钽电解电容器有正负极性之分，主要是因为五氧化二钽在正向电压条件下电阻非常大，具有绝缘层介质特性，而在反向电压条件下电阻非常小，容易导通，所以钽电解电容器必须按正向电压使用，在错误的极性条件下，钽电解电容器的钽芯会快速发热，氧化膜即可失效，造成不良的后果。钽电解电容器在正常规定条件下使用可以说是一种性能优良，寿命长的电子元件。钽电解电容器的失效率呈现出一种浴盆失效曲线，前期失效也可以通过老练过程有效剔除，因此钽电解电容器只存在随机失效性。而导致钽电解电容器随机失效的原因可能由制造工艺问题、使用过程不当等。

2钽电解电容器生产工艺过程

2.1电解电容器结构分析。电解电容器的各类突出优势正是它特殊的结构所决定的，按照正极形态分为烧结型钽电容器和卷绕型钽电容器，目前市场上主要是烧结型钽电容器；按照负极引出材料形态分为固体电解质钽电容器和非固体电解质钽电容器；按照封装形式分为金属外壳封装钽电容器和树脂封装钽电容器等。尤其是固体钽电解电容器，其所具备的高稳定性、高可靠性、体积小以及利于片式化优势，使得固体钽电解电容器在整个电子元件市场中占据着非常重要的地位。2.2成型与烧结。钽电解电容器的成型工艺主要利用成型机，将一定量的钽金属粉末压制成规定形状和尺寸的钽阳极坯。在实施成型工艺时，需要合理选择钽粉，规范设计阳极基体，保障钽粉无杂质。若钽粉存在杂质，不仅会影响电容器漏电流，损耗电容量以及角正切值，还会影响闪火电压高低。钽电容器阳极钽芯是由钽粉制造，其物理特征影响压制工艺，也对产品漏电流有影响，钽粉的化学杂质元素是影响后期电容器介质膜质量的关键，直接关系到成品漏电流和使用寿命的性能。因此钽粉质量与电容器性能息息相关。表征钽粉质量的因素诸多，但最主要的应为纯度、粒度和粒形等。因此对钽粉化学成份、物理性能和电气性能的考核指标提出了高要求。钽粉的主要杂质元素有O、C、P、H、N、Si、Fe、Ni、Cr、W、Mo、Al、Mn、Ti、K、Na等。钽电解电容器介质氧化膜的质量好坏，主要取决于钽中杂质的多少。杂质的含量直接影响漏电流的大小、闪火电压的高低及产品的可靠性和寿命的长短。电流集中流过杂质存在的部位时，伴有发热，促使它周围的五氧化二钽膜晶化，介质出现裂缝，致使漏电流进一步上升，耐压下降，钽块阳极性能恶化。钽粉中的杂质含量是影响其电性能的重要因素，究竟其含量应以多少为宜，应根据使用需要和生产可能性来确定。一般来说，对于高压高可靠性钽粉其纯度要求高些，而对于低压超高比容钽粉其纯度可以低些，甚至可以添加某些掺杂元素。目前国内外为提高比容，改善钽粉的电性能，采用了在钽粉中进行掺杂的尝试，并已收到了较明显的效果。金属钽是一种对O,N和C非常活性的元素,随着钽粉比表面积的增大,钽粉的活性也随之增加,所以钽粉的O,N含量相应的比较高。对于钽粉中适当的N含量，可以使钽粉具有较好的(对于氧)稳定性，少吸收氧，在烧结时减少收缩率，有较大的孔隙率，提高比容，降低漏电流；但是如果N含量过高，使得成型性变差，压块强度不够，烧结性差，烧结块与钽丝的结合不好，因而增大漏电流，影响电容器的可靠性。烧结的功能是使钽粉原子之间以及钽粉与钽丝之间牢固结合并使杂质蒸发、飞溅。钽粉粒子之间及钽粉与钽丝之间的结合在处于接触状态的金属相互扩散后会熔成一体，并增加强度阳极块强度，阳极块强度随温度升高而增大。同时，杂质的飞溅也随温度升高而增多。但是温度升高的话，熔敷加快，阳极块空孔率降低，随着烧结温度的提高和颗粒结合力的发展，自然要导致体积收缩、气孔率减小、密度和机械强度增加等物理状态的变更，CV值也变小。因此，烧结温度必须根据钽粉种类、电容器的品种、规格来选择最佳值。烧结工艺过程要注意的事项：―选择合适的烧结温度，保证烧结比容达到最佳状态；―选择合适的总坩埚高度，减小温度不均匀性造成同炉产品比容的差异；―注意出炉温度，减少由于吸氧影响产品的性能，尤其是对于高比容钽粉。―合理安排每埚的装入量，减小在高温过程中造成的钽丝弯曲、钽块粘连，钽块变形等问题的出现；―避免烧结后产品与硬物接触造成表面的划伤；―控制产品的收缩率，保证钽块性能的均一性。2.3赋能形成。赋能形成简称赋能，主要指使用电化学的方法，使其在烧结钽块颗粒表层形成一层五氧化二钽（Ta2O5)薄膜。其反应机理为：阳极：2Ta→2Ta5++10e2Ta5++10OH-→Ta2O5+5H2O阴极：10H2O+10e→5H2↑+10OH-以赋能槽接电源负极，带钽丝的烧结钽块接电源正极，在赋能槽中选择以0.01%.~0.1%H3P04的水溶液为电解液，进行电化学处理，这样就会在阳极钽块表面生成一层五氧化二钽（Ta2O5)薄膜。形成工艺的三个基本参数包括温度、形成电压、形成电流密度。（1）形成温度。采取较高温度形成，能获得相对均匀致密的氧化膜，其温度一般控制在85±5℃范围内；（2）形成电流密度。氧化膜生成速度与阳极化电流密度息息相关。因此，为了提高钽电解电容器生产效率，通常需要加大电流密度，但也需要合理控制。若电流密度过大，就会增加阳极反应产生的热能量，从而导致晶化发生。一般采取15-30mA/g的电流密度最佳，不仅可以使氧化膜快速形成，还能有效保障其质量；（3）形成电压。形成电压可以说直接影响着氧化膜厚度，氧化膜厚度又与钽电解电容器的设计容量息息相关。一般来说，固体钽电解电容器的形成电压为额定电压的3.5~5倍之间。2.4被膜工序被覆固体电解质在工业领域被称为被膜，主要是在被膜槽中，将形成完成的钽芯放置到高锰酸钾溶液中，放置一段时间后，在高温状态下分解并形成二氧化锰，以此作为钽电解电容器阴极，是一种非常重要的工序流程。在开展被摸工艺时，需要注意一下几点问题：（1）被膜固体电解质要保持牢固、稳定的附着力，结构密实，具备良好的导电性，同时注意与氧化膜的接触效果。（2）二氧化锰是在高温分解下生成的，因此需要重视起高温使介质膜损伤，而影响漏电流与合格率问题。二氧化锰层作为一种电容电解质，其有着较多的优势性能。例如，二氧化锰的应用，对保障生成牢固、致密以及良好导电性能的膜层起着非常重要的作用。对于硝酸锰溶液的要求：保证温度不低于规定的值，溶液浓度不能有太大的偏离，溶液清澈无混浊现象，溶液的PH值保持平稳，无太大变化。添加剂的作用是减低表面张力改善浸润效果，添加比例必须严格控制到位。脱水操作是改善溶液浸润性的一个重要环节，浸渍溶液后的被膜块放入脱水炉内，溶液的温度相应得到提高，热力学效应会加速溶液向微孔和MnO2的低密度区域浸润和扩散，改善了溶液的浸润效果，对产品的容量引出和损耗等参数作用明显，具体操作过程中必须要保证工艺温度和时间受控。

3钽电解电容器漏电流分析

钽电解电容器的漏电流反映了介质膜薄五氧化二钽的绝缘质量，完美的电容器介质应是无损无缺的薄膜，这种薄膜的绝缘电阻可高达几百兆或以上。实际上，五氧化二钽自身存在着一定的微小缺陷，例如表面疵点，缝隙等，漏电流则是这些缺陷杂质离子电流以及电子电流共同构成的。所以五氧化二钽介质膜的质量对整个钽电容器质量起着决定性作用，若本身介质膜电流较大，那么在高应力下，电应力越集中，电流密度就越大，从而导致疵点周围的氧化膜出现晶化，进一步增大了疵点，恶化介质质量，导致绝缘电阻下降。并且产品介质膜漏电流与环境温度及施加的电压都有着必然的关联，若钽电解电容器的漏电流超过一定值时，就会导致电容器失效。因此，要想考核一个产品是否可靠，应在具体使用过程中关注产品漏电流变化率，分析产品漏电流在不同温度下的变化率关系以及浪涌电压条件下的漏电流变化，尤其在低阻抗无开关电源电路中，该产品有着决定性特点，因此对电路可靠性影响非常大。

4固体钽电解电容器使用的几点建议

4.1避免超温应用。固体钽电解电容器在超温状态下，其材料的本质与性能就会发生改变。这是由于固体钽电解电容器使用的材料热膨胀系数均不同，若产生内部应力，就会导致电容器失效。同时还需要注意的是，固体钽电解电容器在高温条件下长期储存，也可能会发生失效问题。因此，针对以上情况，应规范固体钽电解电容器的使用，避免超温应用，避免在高温状态下长时间使用以及避免在电装过程中的过温焊接。4.2禁止频繁充电、放电的开关行为。这是因为如果电源与负载电阻变小，电流就会瞬间增大电流值，从而使得固体钽电解电容器氧化膜破损。且固体电解电容器不耐大的冲击电流很容易在氧化膜薄弱区域发热，从而使得氧化膜晶化发生，降低其耐压能力。因此，规范使用固体钽电解电容器非常重要。

5总结

固体钽电解电容器经过几十年的发展与优化，其性能得到了一定的提升，并增加了能量密度和可靠性。在未来，希望相关生产单位可以积极应用先进生产工艺与制造技术，使用新型材料，采取科学的检测手段，以此更好的确保固体钽电解电容器使用质量，延长器使用寿命。

参考文献

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作者:刘建清 单位:株洲宏明日望电子科技股份有限公司