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氧化铌电容器技术.doc 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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)。 另一方面，当多层陶瓷电容器仍保持年均增长25%的增长势头时，钽片式电容器大概达到它们年均增长10%的最高点。以铌金属和铌氧化物粉粒为基础的新工艺最近已经进入目前由铝、陶瓷、钽电容器占有的低电压(最大10/16左右)高容量(,100uF)这一竞争领域。(见图2) 图1不同产品增长图示 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 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(NbO)到铌金属其氧的分布比率要更高，导致漏电流(DCL)不稳定。25 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 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 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 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ，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。图4概括出这些原材料的特性。 1 图3 在85?、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 开采成本 300ppm 3% 3% 电容器应用 供应链 60% 10% 10% 密度(g/mm) 重力跌落测试 16.4 8.6 7.5 最小燃烧能(mJ) 阻燃性 3 3 600 燃烧率(mm/s) 燃烧速率 11.5 8 1.5 比热(J/mol/K) 负载电阻 25 25 40 电介质材料 电性能 TaONbO NbO 25 2525增长率(10mv) 容量 1.7 2.5 2.5 介电常数(ε) 容量 27 41 41 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-+105?(标准系列)、-55-+125?(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 MnO铝 陶瓷 钽聚合物 2 阳极 NbO NbO Ta Al 陶瓷 Ta 阴极 MnO MnO MnO 电解质 金属聚合物 222 涂层 基本可靠性0.5%/1000hrs 0.2%/1000hrs 1%/1000hrs 8000相关0.5-1%/1000hrs (%/1000hrs) 到CV 20000h rs 基本可靠性200khrs 500khrs 100khrs 8k-20k相关100k-200khrs (MTBF) hrs CV 容量范围 10-470uF 100-470uF 0.1-1000uF 0.1-680.01-10-680uF 00uF 220u F 容量偏差 20% 20% 10%或20% 20% 20% 20% 额定电压 4-6 4-6 2.5-50 4-400 4-100 2.5-16 2 ESR(D壳) 0.9Ω 100mΩ 35-900mΩ ,,1m,55mΩ 1500mΩ Ω DF ,18% ,12% ,16% ,40% ,7% ,30% DCL 0.02CV 0.02CV 0.01CV 0.01C0.0000.10CV V 001C V 在低阻抗 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 20% 20% 50% 0% 0% 20% 中的降额 温度范围 -55/105? -55/125? -55/125? -40/85-55/8-55/105? ?5? (-55/ 105; 125; 175) 图5铌氧化物电容器性能 五、可靠性 铌电容器有非常有效的自愈特性，这种特性和其他商业所使用的电容器技术比较起来可以保证优良的可靠性。这种可靠性规范在工作系列范围具有0.2%/1000 hrs这样高的水平， hrs，等同200000等同500000小时平均故障间隔时间(MTBF)。一般系列可靠性是0.5%/1000 小时平均故障间隔时间(MTBF)。对大多数目前可获得的商业级电容器来说是优良的。 六、阻燃性 铌氧化物比起钽和铌金属在燃烧能方面高两个数量级，而且比热多一倍(见图6和7)。 和常规的钽、铌金属电容器比较起来这会造成铌氧化物电容器的燃烧失效模式的有效减小(95%)。加上电介质内部的低电应力(NbO电介质比Ta2O5在单位应用电压下生成的25 要薄，并且对于给定额定电压可在低磁力强度下操作)，这也保证一个高纹波电流负载，而且当在低阻抗电路中使用时可以减小电压降额的需求。 燃 烧 率 引 燃 能 量 3 比 热 图6图7 NbO、Ta和Nb金属粉末的燃烧率、燃烧能量和比热的比较 另外，在典型应用中，关于铌电容器的更高阻燃性特性铌氧化物电容器表现与常规阴极(MnO)电容器和聚合物电容器不同。在电介质击穿期间铌氧化物电容器的典型失效模式2 可以分为两类:第一类是高阻抗(标准电阻R-30KΩ，通过金属绝缘体半导体(MIS)结构并具有“S”波形的伏安特性(V-A)曲线特征)，这与钽和钽聚合物不同。第二种类型是高电压(电压V-10V)的应用后的击穿。电介质击穿(第一种类型)后铌氧化物的高阻抗将在电路中的热量击穿点下限制电流，因此电容器表现出高阻抗引起燃烧。 七、应用检测 曾出现一种简单检测去比较铌氧化物、钽和聚合物电容器在下面一个典型电路中的强致电容器失效直到短路状态下的阻燃性: 1)强致电介质击穿:当通过一个高阻抗R施加一个大约25-30V(代表3-4倍额定电n 压)的高电压U时，电容器的电介质将被击穿，产生短路状态。电容器表现为一种具有非R 线形V-A特性的有效电阻。图8 显示出可产生短路状态的电路。 2)V-A特性测量:为了测量V-A特性，有一个带有可变电流设定的电流源Ia是很重要的。经过的电压Va和通过电容器的电流Ia都被 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 下。这些数据对测量电容器V-A特性是有用的。通过最大施加电流我们可以寻找出电容器冒烟、燃烧和完全毁坏的状态。图9 显示出该电路示意图。 图10 显示出从B到D壳在使产品处到短路状态中的4-6V额定电压的全部V-A特性。 图8电容器击穿 图9 V-A特性测量 4 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MnO钽电容器的热击穿失效模式有关2 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，可能出现冒烟和热击穿。 图10产品击穿后的V-A特性 图11使用4V470 uF-E壳NbO 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。 5 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焊/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1KHz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MnO(阴2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105?扩展到125?(125?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。 6 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—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降低音频清晰度。 钽和铌金属电容器在低阻抗电路中需要最小降额50%使用。铌氧化物电容器有能力承担更高负载应力，因此降额的需求可以被减小到最小20%。 铌和铌氧化物电容器的出现分享了目前钽片式电容器的同样稳定的外形设计和工业标准尺寸，并且适合低ESR电容器。然而铌有更高费用和相对更高失效率的不利因素。 铌氧化物电容器的关键优势是长时间稳定的电性参数、原材料广泛的可获取能力、降低的燃烧性、更低费用、经受高波峰温度回流焊的能力(无铅焊接所必需的)，在高增长的应用领域中这些将会对更快的设计周期形成基础。 7