钽电容器的技术概述和使用指南培训教材之五.docx
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钽电容器的技术概述和使用指南培训教材之五
参考目录
序号
内容
页码
备注
1
钽和氧化铌电容器的技术概述和使用指南
2
引言
2
第一部分电气特性和术语解释
8
第二部分交流工作、波纹电压和波纹电流
24
第三部分可靠性和故障率计算
34
第四部分钽和氧化铌电容器应用指引
44
第五部分电容器的机械和热特性
50
第六部分环氧树脂的可燃性
52
第七部分产品的认证情况
52
2
片式钽电容器中的材料
54
附录1：
摘自其它材料
3
钽电容器的一些知识
55
附录2：
摘自其它材料
4
片式钽电容器的正确使用
57
附录3：
摘自其它材料
5
钽电容器使用中的注意事项
62
附录4：
摘自其它材料
INTRODUCTION导言
Tantalumcapacitorsaremanufacturedfromapowerofpuretantalummetal.Thetypicalparticlesizeisbetween2and10μm.
钽电容器是由纯钽金属制成的。
一般钽粉颗粒的大小为2-10μm。
Figurebelowshowstypicalpowders.NotetheverygreatdifferenceinparticlesizebetweenthepowderCVs/g.
下面的图介绍了典型的钽粉。
注意各种比容粉颗粒大小有很大的差别。
4000μFV20000μFV50000μFV
Figure1a.Tantalumpowde
图1a钽粉
Figure1b.NiobiumOxidepowder
图1b氧化铌粉
ThepoweriscompressedunderhighpressurearoundaTantalumwire（knownasRiserWire）toforma“pellet”.Theriserwireistheanodeconnectiontothecapacitor.
钽粉通过高压，压在钽丝（称为引出线）的周围，形成一个“钽块”，引出线是电容器阳极的接线。
Thisissubsequentlyvacuumsinteredathightemperature（typically1200-1800℃）whichproducesamechanicallystrongpelletanddriveoffanyimpuritieswithinthepower.Duringsinteringthepowerbecomesaspongelikestructurewithalltheparticlesinterconnectedinahugelattice.
接下来是在真空下的高温（一般为1200-1800℃）烧结，产生一种有机械强度、密度的钽块，并且驱除了钽粉中的所有杂质。
在烧结过程中，钽粉变成像海绵体一样的结构，所有颗粒在无限的格子内互相连接。
Thisstructureisofhighmechanicalstrengthanddensity,butisalsohighporousgivingalargeinternalsurfacearea（seeFigure2）..
该结构有高的机械强度和密度，但是也有高度的多孔性，在内部产生大的表面积（见图2）。
Figure2.SinteredAnode
图2烧结后的阳极
Thelargerthesurfaceareathelargerthecapacitance.ThushighCV/g（capacitancevoltageproductpergram）powers,whichhavealowaverageparticlesize,areusedforlowvoltage,highcapacitanceparts.
表面积越大，容量就越大。
因此高比容（CV/g）（每克容量电压的乘积）的钽粉，具有小的平均颗粒尺寸，用在低压大容量的产品上。
Bychoosingwhichpowerandsintertemperatureisusedtoproduceeachcapacitance/voltageratingthesurfaceareacanbecontrolled.
通过选择钽粉和烧结温度，可以控制表面积，以产生各种不同容量/额定电压的产品。
Thefollowingexampleusesa220μF6Vcapacitortoillustratethepoint.
通过220μF，6V的电容器为例，来说明这一点
C=（ε0εrA）/d
Where:
ε0isthedielectricconstantoffreespace（8.855×10-12Farads/m）
这里ε0是自由空间的介质常数（8.855×10-12法拉/m）
εristherelativedielectricconstant=27×10-12Farads/mforTantalumPentoxide
εr是相对介质常数，对五氧化二钽（Ta2O5）=27×10-12法拉/m
disthedielectricthicknessinmetals.
d是金属介质的厚度
CisthecapacitanceinFarads
C是容量，单位是法拉
Aisthesurfaceareainmeters
A是金属的表面积
Rearrangingtheequationgives:
重新安排等式得到：
A=Cd/ε0εr
Thusfora220μF6Vcapacitorthesurfaceareais346squarecentimeters,ornearlyoneandhalfthesizeofthepage.
因此，对于一个220μF/6V的电容器，其表面积为346平方厘米，接近于一张半纸那样大。
ThedielectricisthenformedoveralltheTantalumsurfacebytheelectrochemicalprocessofanodization.Toactivatethisthe“pellet”isdippedintoaveryweaksolutionofphosphoricacid.
Thedielectricthicknessiscontrolledbythevoltageappliedduringtheformingprocess.Initiallythepowersupplyiskeptinconstantcurrentmodeuntilthecorrectthicknessofdielectrichasbeenreached（thatisthevoltagereachesthe“formingvoltage”）,itthenswitchestoconstantvoltagemodeandthecurrentdecaystoclosetozero.Thechemicalequationsdescribingtheprocessareasfollows:
通过对阳极进行电化学工艺的处理，在所有钽表面形成了介质，为了激化钽块，将它浸到非常稀的磷酸溶液中，介质厚度是通过形成（赋能）过程中施加电压的大小来控制的。
起初采用电源电流保持不变的模式，直到达到了正确的介质厚度为止（电压达到了“形成电压”）。
然后转换到电压不变的模式，电流衰减到接近为零为止，描述该过程的化学方程式如下：
TantalumAnode:
2Ta→2Ta5++10e-
钽阳极22Ta5++10OH-→Ta2O5+5H2O
NiobiumOxideAnode:
氧化铌阳极2NbO→2NbO3++6e-
2NbO3++6OH-→Nb2O5+3H2O
Cathode:
阴极：
Tantalum:
钽10H2O–10e→5H2+10OH-
NiobiumOxide:
氧化铌6H2O–6e-→3H2+6OH-
TheoxideformsonthesurfaceoftheTantalum,butitalsogrowsintothematerial.Foreachunitofoxidetwothirdgrowsoutandonethirdgrowsin.ItisforthisreasonthatthereisalimitonthemaximumvoltageratingofTantalumcapacitorswithpresenttechnologypowers.Thedielectricoperatesunderhighelectricalstress.Considera220μF6Vpart:
在钽的表面形成氧化物，但是氧化物也在材料的内部生成。
一单位的氧化物，三分之二在外部生成，三分之一在内部生成。
这就是为什么现在技术的钽粉，在钽电容器的最大额定电压受到限制的原因。
介质在高的电场强度下工作。
举一个220μF6V的产品为例子：
Formingvoltage=FormingRatio×WorkingVoltage
形成电压=形成比×工作电压=3.5×6=21Vots
Thepentoxide（Ta2O5）dielectricgrowsatarateof1.7×10-9m/V
五氧化二钽（Ta2O5）介质的生长率为1.7×10-9m/V
Dielectricthickness（d）=21×1.7×10-9=0.036μm
介质厚度（d）
ElectricFieldstrength=WorkingVoltage/d=167KV/mm
电场强度=工作电压/d=167KV/mm每毫米16万七千伏
NiobiumOxide:
氧化铌：
Theniobiumoxide（Nb2O5）dielectricgrowsatarateof2.4x10-9m/V
氧化铌（Nb2O5）介质的生长率为2.4×10-9m/V
Dielectricthickness（d）=21x2.4x10-9=0.050μm
介质厚度（d）=21x2.4x10-9=0.050μm
ElectricFieldstrength=WorkingVoltage/d=120KV/mm
电场强度=工作电压/d=120KV/mm
介质层
钽
Figure3.Dielectriclayer
图3介质层
Thenextstageistheproductionofthecathodeplate.ThisisachievedbypyrolysisofManganeseNitrateintoManganeseDioxide.
下一阶段是产生阴极，这是通过高温分解硝酸锰成为二氧化锰实现的。
The“pellet”isdippedintoaaqueoussolutionofnitrateandthenbakedinovenatapproximately250℃toproducethedioxidecoat.Thechemicalequationis:
“钽块”浸入硝酸锰的水溶液中，然后在烘箱中以大约250℃的温度烘焙，产生二氧化锰层，该化学方程式是：
Mn（NO3）2→MnO2+2NO2-
Thisprocessisrepeatedseveraltimesthroughvaryingspecificdensitiesofnitratetobuildupathickcoatoverallinternalandexternalsurfaceofthe“pellet”.asshowninFigure4.
通过改变硝酸锰的浓度，该过程要重复进行多次。
在“钽块”的内部和外表面建立一定厚度二氧化锰的覆盖层。
如图4所示。
介质
钽
二氧化锰
Figure4.ManganeseDioxideLayer
图4：
二氧化锰层
The“pellet”isthendippedintographiteandsilvertoprovideagoodconnectiontotheManganeseDioxidecathodeplate.Electricalcontactisestablishedbydepositionofcarbonontothesurfaceofthecathode.Thecarbonisthencoatedwithaconductivematerialtofacilitateconnectiontothecathodeterminator.（seeFigure5）.Packagingiscarriedouttomeetindividualspecificationsandcustomerrequirements.ThismanufacturingtechniqueisadheredtoforthewholerangeofAVXTantalumcapacitors,whichcanbesubdividedinto
fourbasicgroups:
Chip/Resindipped/Rectangularboxed/Axial.
FurtherinformationonproductionofTantalumCapacitorscanbeobtainedfromthetechnicalpaper“BasicTantalumTechnology”,byJohnGill,availablefromyourlocalAVXrepresentative.
然后将“钽块”浸入石墨和银浆中，使之与二氧化锰阴极有良好的接触。
通过在阴极表面沉积石墨建立了良好的电接触，在石墨的表面再涂上导电材料使阴极更容易连接（见图5）。
最后进行包封以满足每个产品的规范和客户的要求。
该制造技术应用于AVX钽电容器的全部产品，然后再分为四个基本的组别：
片式包封/蘸环氧树脂包封/矩形直角包封/轴向包封钽电容器。
钽电容器更多的资料可以从技术文章“基本钽电容技术”，或者与AVX的当地代表那里得到。
CathodeConnection
阴极连接
OuterSilverLayer
外银层
Graphite
石墨
ManganeseDioxide
二氧化锰
Anode
阳极
Figure5.CathodeTermination
图5：
阴极端
SECTION1：
ELECTRICALCHARACTERISTICSANDEXPLANATIONOFTERMS
第一部分：
电气特性和术语解释
1.1Capacitance容量
1.1.1Ratedcapacitance（CR）额定容量（CR）
Thisisthenominalratedcapacitance.Itismeasuredasthecapacitanceoftheequivalentseriescircuitat20℃usingameasuringbridgesuppliedby0.5Vpk-pk120Hzsinusoidal,freeofharmonicswithamaximumbiasof2.2Vd.c.
这是标称的额定容量。
容量的测试条件是：
温度20℃，采用等效串联电路测量电桥，0.5V峰-峰正弦电压，最大直流偏置电压为2.2V，无谐波。
1.1.2Capacitancetolerance.容量误差
Thisisthepermissiblevariationoftheactualvalueofthecapacitancefromtheratedvalue.
实际的容量与额定值允许的偏差。
1.1.3Temperaturedependenceofcapacitance容量与温度的关系
Thecapacitanceoftantalumcapacitorvarieswithtemperature.Thevariationitselfisdependenttoasmallextentontheratedvoltageandcapacitorsize.
钽电容器的容量随温度而变化，变化本身很小，决定于额定电压和电容器的体积大小。
TYPICALCAPACITANCEvs.TEMPERATURE典型的容量与温度的关系
Capacitance（%）
容量变化
20
NOSSeries
NOS系列
10
OxiCap
氧化铌
TAJSeries
TAJ系列
0
Tantalum
钽
-10
-20
-50-250255075100125150175
Temperature温度℃
1.1.4Frequencydependenceofcapacitance频率与容量的关系
Theeffectivecapacitancedecreasesasfrequencyincreases.Beyond100KHzthecapacitancecontinuestodropuntilresonanceisreached（typicallybetween0.5-5MHzdependingontherated）.Beyondtheresonantfrequencythedevicebecomesinductive.
有效的容量随频率的增加而减少。
频率超过100KHz，容量继续减少直到达到谐振频率（一般为0.5-5MHz，决定于额定的容量）。
超过谐振频率，元件就变成电感。
TAJE227K010
CAPACITANCEvs.FREQUENCY容量与频率
Capacitance
容量（μF）
250
200
150
100
50
0
100000
10000
1000000
1000
100
Frequency频率（Hz）
1.2Voltage电压
1.2.1Ratedd.cvoltage（VR）额定电压
Thisistheratedd.cvoltageforcontinuousoperationat85℃.
连续工作在85℃的额定直流电压。
1.2.2Categoryvoltage（VC）.类别电压（Vc）
Thisisthemaximumvoltagethatmaybeappliedcontinuouslytoacapacitor.Itisequaltotheratedvoltageupto+85℃,beyondwhichitissubjecttoalinerderating,to2/3VRat125℃fortantalumand2/3VRat105°CforOxiCap_.
这是可以连续施加到电容器上的最大电压。
它等于工作在85℃时的额定电压，超过此温度就要降额使用，钽电容器在125℃、氧化铌电容器在105℃时降到额定电压的2/3。
RatedVoltage（%）
额定电压
MAXIMUMCATEGORYVOLTAGEvs.TEMPERATURE
120
最大类别电压与温度之间的关系
100
Tantalum
钽
80
OxiCap
氧化铌
60
40
NOSSeries
NOS系列
TAJSeries
TAJ系列
20
Temperature温度（℃）
175
150
125
115
95
105
85
75
1.2.3Surgevoltage（VS）.浪涌电压（Vs）
Thisisthehighestvoltagethatmaybeappliedtoacapacitorforshortperiodsoftimeincircuitswithminimumseriesresistanceof330Ohms（CECCstates1KΩ）.Thesurgevoltagemaybeappliedupto10timesinanhourforperiodofupto30secondsatatime.Thesurgevoltagemustnotbeusedasaparameterinthedesignofcircuitsinwhich,inthenormalcourseofoperation,thecapacitorisperiodically
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