1、助 锨 材 料 2005年第1期(36)卷铌、钽电容器性能分析。李春光12，高 勇1，董宁利2(1西安理工大学电子工程系，陕西西安710048；2宁夏星日电子股份有限公司，宁夏石嘴山753000)摘要：钽铌属于同族元素，都是阀金属材料，其介电常数分别为27、41，都可以用来制作电解电容器，本文使用铌和钽2种材料分别制作电解电容器，并通过容量损耗测试仪、漏电流测试仪、电子扫描电镜等分析仪器对其初始性能、偏压性能、温度特性、寿命特性及其电介质层的微观特性进行检测分析。结果表明使用铌材料同样可以得到性能较好的电解电容器。关键词：铌电容器；电子扫描电镜；钽电容器；电介质中图分类号： TQl3512；T
2、Ql5041 文献标识码：A文章编号：100l一9731(2005)01一0064一031 引 言钽、铌都是阀金属元素，可以用于制造电解电容器，首先人们使用了性能稳定的钽材料制造了性能稳定的电解电容器，并广泛应用于电子整机制造业。但是从另外一个方面来讲，铌的介电常数很大，而且性能与钽相近，可以用于制造电饵电容器，而且铌的储藏量非常丰富，仅在我国铌的储藏量是钽的100倍，它为铌电容器的发展提供了较充足的原材料保证，在钽材料相对缺乏的背景下，人们开始了对铌电容器的研究，19世纪六七十年代和2000年前后是铌电容器研究的两个比较重要的时期1州。本文通过两种方法分别研究制备了铌电容器样品，并与钽电解电
3、容器样品的性能进行了对比分析。2 实 验21样品制备首先我们将电容器级铌粉和五氧化二铌粉按照一定的比例进行混合，利用五氧化二铌的氧化性，将铌粉氧化为一氧化铌粉7”3(反应方程式如下)，得到的一氧化铌粉及铌粉的形貌见图1。反应方程式：3Nb+Nb2 055NbO将电容器级Nb粉、所制备的Nb0粉及电容器级Ta粉分别制成33mm23mm145mm的阳极胚块，根据其特性分别在1150、1500、1370的真空条件下烧结，使其具有一定强度。然后，在HNOs电解液中施加30V的直流电压对阳极胚块进行阳极化处理(称为阳极块)，在颗粒表面分别形成Nbzos及Tazos膜作为电介质，并通过热分解方法在电介质表
4、面沉积MnO。作为阴极。再被覆石墨、银浆并进行装配、模塑、老化分别得到样品1、样品2、样品3种电解电容器样品。图1 铌粉(a)和一氧化铌粉末(b)的SEM图Fig l SEM pictures of(a)Nb powder and(b)NbOpowder22性能测试分别取经过阳极化处理的阳极块，进行晶相制样，通过电子扫描电镜对比分析阳极块断面的电介质层的结构；在室温条件下，使用TH2617型电容测量仪和TH2685型漏电流测试仪测试样品的初始性能(容量、损耗、漏电流、等效串联电阻)；在室温条件下，使用TH2617型电容测量仪和TH2685型漏电流测试仪分别测试3种样品的耐偏压性能；在一5512
5、5温度范围内，施加额定电压，用TH2685型漏电流测试仪测试样品的漏电流温度特性，用TH2617型电容测量仪测试样品的容量损耗温度特性；在85条件下，分别对样品施加额定工作电压，并保持连续工作2000h，测试比较样品的寿命特性。3结果与讨论31 电介质层的结构对比通过使用电子扫描电镜对比不同材料所制备的阳极块的断面结构，如图2所示。从图中我们可以看出，在氧化膜的方面，两种材料具有相似性，其结构都是在粉末的颗粒表面形成了电介质层，其内部是阀金属，在电介质与阀金属之间可以看见比较明显的分界线，这是由于在阀金属与电介质之间存在有电离层，表现出对电子束的反射有所不同，所以在电介质与基体之间存在一较为明
6、显的层。另外铌的比容高，粉末的颗粒基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2002AA325120)；国际科技合作重点资助项目(2003DFoo0026)收稿日期：2004一11一05 通讯作者：李春光作者简介：李春光 (1968一)，男，内蒙锡盟人，西安理工大学博士研究生，宁夏星日电子股份有限公司高级工程师，研究方向为电解电容器及制造业信息化。万方数据李春光等：铌、钽电容器性能分析小，而且铌材料对电子束的反射能力较弱，自然其清晰度要差一些。可见在形成电介质方面，钽和铌是非常相近的，在SEM照片中可以明显的看到在粉末颗粒表面生成的层状电介质(即氧化膜层)。图2 铌阳极块(a)和
7、钽阳极块(b)的断面SEM图片Fig 2 SEM pictures of crosrsection of(a)Nb anodeand(b)Ta anode32样品初始性能比较分别取10只使用不同材料得到的3种样品，测试并记录初始性能参数(容量、损耗、漏电流、等效串联电阻)值，表1是每10只样品性能参数的平均值。从表中我们可看出，在容量方面，使用两种材料得到的3种样品结果比较接近，数值都在100110弘F问；在等效串联电阻(ESR)方面，样品3的值最小，但三者都很接近；3种样品的损耗和漏电流值相差较大，其中用钽材料样品(样品3)的损耗最小，用铌材料制作的电容器样品1损耗最大，达到了48，用铌材料
8、制作的样品2的损耗与样品3接近；而且3种样品的漏电流结果与其损耗情况相似，同样是样品3的漏电流最小，样品1的漏电流最大，而样品2与样品3的漏电流接近，分别为15和11肛A。总的来看，样品2与样品3的初始性能接近，样品1与样品2及样品3的初始性能相差较大。表1样品初始性能参数统计表Table 1 Initial electrical performances of the capacitorsamples容量 损耗 漏电流 等效串联电阻样品(肛F) () (肛A) (0)样品l 1076 480 5O O2017样品2 1013 256 15 O2010样品3 103O 234 11 O1816
9、33样品偏压特性的比较从图3可以看出：样品3的容量随偏置电压的增加变化很小，使用铌粉材料所制备的样品2同样品3一样容量随偏置电压的增加略有降低，样品2与样品3的容量随偏置电压变化曲线几乎是平行的。而对于样品1，随偏置电压增加，容量降低比较大，如偏置电压由oV增加到2V时，其容量由103pF降低到947pF，变化率为81。利用铌材料所制备的样品2与钽电容器样品3的偏压特性非常相似，当偏置电压由oV增加到1V时，样品容量变化很小；当偏置电压大于1V时，容量都保持在一个稳定值。由于在电容器的实际使用电路中，施加于电容器两端的电压远对于1V，且钽电容器早已普遍应用于电子工业，所以，就耐偏压特性而言，利
10、用铌材料所制备电容器样品2已具备电子工业化应用基础。Fig 3 DC bias response vs capacitance of the capacitorsamples34样品温度特性的比较图4、图5、图6分别是3种样品在不同温度条件下的漏电流、容量、损耗性能变化特性曲线。111三1煺脚嘿图4 不同温度下的样品的漏电流特性Fig 4 Leakage current at different temperature111兰：删1肄图5 不同温度下的样品的容量特性Fig 5 Capacitance change with different temperature161412蓬10斌8略64
11、20温度，图6 不同温度下的样品的损耗特性Fig 6 Dissipation factor at different temperature从图中可以看出，样品3和样品2 3种性能参数的变化幅度都比较相近，变化曲线几乎重合且变化幅度比较平缓，而样品1 3种性能参数随温度条件变化的幅度都比较大。如图4所示，随温度提高样品1的漏电流增长幅度最大，85温度条件时的漏电流值已经增加到了室温条件时的10倍以上，125时达到了室温条件时的50倍，而样品2和样品3的漏电流随温万方数据66 助 锨度变化特性要好一些，85温度条件时的漏电流值是室温时的4倍左右，125温度条件时也只有室温条件下的910倍，温度低
12、于25时3种样品的漏电流都呈现出降低趋势。从图5可以看出，样品2和样品3的容量变化率较小，一55温度条件时其容量分别为loO8、1032pF，在125为温度条件时其容量分别为1089、1098弘F，容量变化率分别为8o和64；而样品1的容量变化率较大，一55温度条件时其容量值为1026IuF，125为温度条件时其容量为1211肛F，容量变化率达到18o。图6为样品的损耗、温度特性曲线，从图中可以看出，样品2和样品3在各温度条件下的损耗值非常接近且变化幅度较小，样品1在各温度条件下的损耗值都较样品2、样品3的大且变化幅度也较大，样品1、样品2、样品3在125温度条件时的损耗值分别为其室温条件时的
13、3、27和21倍，在一55温度条件下的损耗值分别为其室温条件下的21、15和15倍。综合来看，样品1各项堕 塾 !笙笙!塑!鲞性能参数的温度特能较差，而样品2和样品3各项性能参数的温度特性非常接近且变化幅度较小，说明利用铌材料所制备的样品2的各项温度特性指标已基本达到钽电容器样品3水平，是比较稳定的产品。35样品寿命实验对比表2为3种样品寿命实验结果统计，从表中我们可以看出，使用铌粉得到的样品1在寿命实验中连续工作792h(即33天)后，性能已经变得很差了，尤其是漏电流性能，数值已经达到了200mA，样品无法正常延续寿命实验。而样品2和样品3寿命实验前后的性能变化比较小，漏电流分别由初始值的1
14、62和13弘A左右增加到了2。1肛A和19弘A左右，损耗分别由寿命实验前的33和22增加到了41和29。3种样品的容量值在寿命实验前后变化较小，变化率都在5范围内。所以说，使用铌材料所制备的铌电容器样品2的寿命特性可以达到钽电容器样品3的水平。表2 样品寿命试验前后性能参数对比(平均值)Table 2 Comparison of electrical performances before and after life test(average value)样 品 样品l 样品2 样品3性能参数 试验前 工作792h后 试验前 工作2000h后 试验前 工作2000h后容量(弘F) 108O
15、111O 102O 1043 1061 1068损耗() 43 57 33 41 22 29漏电流(弘A) 30 2O105 1-62 21 13 19综合比较分析3种样品的电介质微观结构、初始性能(容量、损耗、漏电流、等效串联电阻)、耐偏压特性、温度特性、寿命特性表明：使用铌材料所制备的样品1性能较差，不能满足工业化应用的性能要求，制造工艺需进一步改进；使用铌材料并将其氧化为氧化铌粉后所制备的铌电容器(样品2)各项性能参数与已经成熟应用的钽电解电容器(样品3)性能相当，完全可满足电子工业应用的要求。4 结 论作为性能相近的钽、铌材料，他们在电介质的形成方面非常相近，电介质层都是均匀地覆盖在基
16、体的表面。通过对比电容器样品的性能发现，使用铌材料同样可以制造出与钽电容器性能相近的铌电容器，尤其是本文中使用的将铌粉氧化为一氧化铌制作铌电容器的方法所制备的铌电容器样品，其性能与钽电容器性能非常接近，而且具有较高的可靠性。因此，只要工艺方法得当，使用铌材料同样可以制得性能优良的电解电容器。参考文献：1 Chen YongfengJTa Nb Industry Progress，2002，76(1)：23242 Yoshida K，Kuge N Solid Electrolytic Capacitor andManufacture ThereofPJP：11-329902，1999一ll一30
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22、nic Science宁夏星日电子股份有限公司,宁夏,石嘴山,753000)， 高勇(西安理工大学,电子工程系,陕西,西安,710048)， 董宁利(宁夏星日电子股份有限公司,宁夏,石嘴山,753000)刊名： 功能材料英文刊名： JOURNAL OF FUNCTIONAL MATERIALS CONTENTS年，卷(期)： 2005，36(1)被引用次数： 0次参考文献(9条)1.Chen Yongfeng 查看详情 2002(01)2.Yoshida K.Kuge N Solid Electrolytic Capacitor and Manufacture Thereof 19993.Hi
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