片式钽电容的开发

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1、本科毕业论文片式钽电容的开发与应用院别：物理与电子工程学院学科门类： 理学专业：应用物理学姓名：廖昌俊学号 ：20120511732016 年 6 月I / 15i耕他禽枕TONGREN UNIVERSITY应用物理学专业本科毕业论文XX XX2016年6月目录摘要IABSTRACI1 钽电容的概述 11.1 钽电容的简介及根本结构 11.2 钽电容的生产工艺流程 21.3 钽电容的分类与使用 52 钽电容的现状 52.1 钽电容的国外生产状况 52.2 钽电容的市场消费 73 钽电容的应用领域 74 片式钽电容的前景展望 8参考文献 10致11摘要钽电容以独特优异的综合性广泛使用于各行业。钽

2、电容由钽丝和钽粉经过一系列 工艺制作而成，具有小型化，贴片化，损耗角(tan)小，容量大，高温稳定性等一系列 独特性能。在远距离通讯，工业，电子制造业，航天军工，医疗及一些尖端科学领域 发挥了较大的价值。本文主要是对钽电容的根本概述，工艺，现状，应用，开展趋势 和应用前景的综合论述。关键词：钽电容;广泛使用;开展趋势ABSTRACTantalum capacitors are widely used in various industries for its unique and excellent comprehensive properties. Tantalum capacitors b

3、y tantalum and tantalum powder through a series of production process, has the advantages of miniaturization, SMD, loss angle tangent (tan), large capacity, high temperature stability, a series of unique properties.In the long distance communications, industry, electronics manufacturing, aerospace i

4、ndustry, medical and some cutting-edge science has played a greater value. This paper is mainly about the basic overview of tantalum capacitors, process, status, application, development trends and application prospects of a comprehensive exposition.Key words:Tantalum capacitors, Widely used, Develo

5、pment trends1 钽电容的概述1.1 钽电容的简介及根本结构钽，英文名叫Tantalum，具有2900*以上的熔点，过渡金属元素，主要存在 于钽铁矿中，富有延展性，硬度适中，介电常数为 27，有优越的化学性质。对盐 酸，浓硝酸及“王水都不反响，抗腐蚀性极强，金属活动性在所有金属元素中 排倒数第四。钽电容，1956 年贝尔实验室研制成功，由钽粉与钽丝压制而成，钽丝直径一 般在2毫米10毫米之间，通过强大的机械外力保证了巨大的部外表积即较大的容 积比每克电容电压的乘积，然后经过高温真空烧结1200-1800*后作为电 容器的阳极，通过电化学方法在其外表生成五氧化二钽Ta205氧化膜作为介

6、质， 通过加热硝酸锰分解得到阴极二氧化锰。钽电容一般以贴片式和直插钽电容最为常见。直插式钽电容结构图如图1.1所示。钽丝与钽粉混合压制成钽块阳极，通 过电化学方法，在阳极外表生成Ta2O5氧化膜介电层，通过加热使硝酸锰分解 变成二氧化锰得到阴极，以石墨为缓冲层，防止银浆与二氧化锰接触被氧化而失 去作用，以二根CP导线引出电容正负极，一般情况下，导线较长的为正极，短的 一端是负极。焊点ri基埠于电容器银義面的閉祓弓I绒环氟封畤层烧缩翟虫（拥楹1h引线侦腳五粗化二担介电层）亡戸引坯正相二抚化靈t固棒电醮除图 1.1 直插式钽电容结构图贴片式钽电容结构如图 1.2 所示。与直插式钽电容类似，贴片钽电

7、容多为卧 式结构，体积较小，外壳为塑料封装。外壳标注黑色矩形的通常电容正极，另一 端那么为负极。塑亮负端子*焊接正端子知00対锡普圈极性条纹+）/极性圆锥体（+）迸旦）氧化孟外套7C（第一层）第二层银涂料（第三层）图 1.2 贴片钽电容结构图 在钽电解电容工作过程中，具有自动修补或隔绝氧化膜的独特性能，使氧化 膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力，而不致遭到连续的累积性破坏。 这种独特自愈性能，保证了其长寿命和可靠性5。1.2 钽电容的生产工艺流程钽电容主要有引线式和贴片式二种安装，其制造工艺大体一样。而钽电容的 生产厂商主要是欧美日本等企业，其中主要竞争厂商有AVX,NEC,KEMET基

8、美）， VISHAY。以下是生产厂商AVX生产的TAJ系列传统钽电容加工工艺流6程图1.3和 简要说明。V匸 _S _ 匸 _M装配 二 浸银 匸石里银浆V老化模塑 I ( ; I 喷砂 II 打卬 II切边 II预测试查盘 匸I编带 I匸I图 1.3 钽电容加工工艺流程图钽电容加工工艺简要说明：(1) 原材料检验:目前主要钽电容企业原料均由钽业提供。(2) 成型:将粗细不等的颗粒钽粉与粘合剂均匀混合，再与钽丝一起压制得到 钽电容阳极。(3) 烧结:烧结是指将钽块烧结成一定形状的微观多孔体。此过程对温度和真 空度均须严格控制。(4) 湿检:通过烧结后的钽块抽样赋能实验和点参数测试确定钽块烧结比

9、容， 对下道工序赋能的参数进展优化，同时，还将对钽丝，钽块的尺寸，强度等参数 进展测试。(5) 焊接:在工艺架上焊接钽与四氟垫，得到整架产品，方便后面的工序操作(6) 赋能:利用电化学的方法，在阳极外表生成绝缘的介质层五氧二钽氧化膜 再将成架的产品浸入形成液中一般为稀硝酸一定深度，硝酸溶液会渗透到钽 块部孔道中，再将钽块作为阳极通电，硝酸分解出氧，与硝酸接触的钽粒子外表 生产五氧化二钽氧化膜。(7) 被膜:首先清洗钽电容外表的杂质并枯燥，放入硝酸锰溶液中加热，得到 电容的阴极二氧化锰，该工序应屡次重复，确保电容电量不会有较大损失。石墨银浆:石墨主要起缓冲作用，降低了电容的ESR,还阻止了银浆的

10、氧化, 一般使用机器自动操作。银浆主要收集电流，也方便后面工序引出引线，此道工 序操作繁琐，多以手工为主。(9) 浸银:对钽电容阴极二氧化锰进展一系列的性能测试。(10) 装配:该工序主要是切割产品，切割前应该去除已经在钽丝上的氧化膜， 然后将阳极与整个框架焊在一起，而阴极那么使用银膏。(11) 模塑:将上面得到的框架条产品模塑封装，使其成为有几何尺寸和外观的 形体。(12) 喷砂:喷除产品框架上多余毛刺，再固化加强产品的模塑强度，常用水作 为喷砂，因为其对焊性影响较小。(13) 打印:打印产品相关信息，一般包括容量，额定电压，阳极标识。(14) 切边:将框架条的产品阳极边切除。(15) 预测

11、试:自动化测试产品漏电流，剔除漏电流大的产品。(16) 老化筛选:这是整个工序比拟重要的一步，因为其电容的可靠性取决此工 序的方法是否得到完整实施。一般在老化炉进展三步，一次老炼，浪涌测试，二 次老炼。(17) 编带:利用编带机将产品引线成型，自动编带成为一整卷盘产品。(18) 查盘:对已经成型的的钽电容外观再次检验，留下外观合格品，去除多余 载带，调整卷盘缠绕方向并打好包装。目前电子产品不仅小型化，其功耗却不断增加，传统以二氧化锰为负极的钽电 容缺点越来明显，损耗角正切较大，高频特性差，低 ESR 很难再减小，且在被膜 时失效率高，加之本身二氧化锰氧含量很高，温度很高时，可能会自燃，燃烧电

12、路，损坏其他电子元件。对此工艺改良，主要有以下二种方法。(1)对传统制造工艺的改造。传统重要的几道工序决定了电容的性能，因此对 钽粉比容量，烧结，被膜，赋能，烧结等重要几道工序进展细节的改良，尤其是 赋能和被膜工序，得到的阴极和电介质无氧化二钽是整个电容性能的关键，其主 要目前主要技术难点有二个，一是氧化膜质量，二是阴极二氧化锰的被覆质量16。2对阴极材料的替换。使用高导电聚合物来替换传统方法的阴极二氧化锰， 目前主要有四种聚乙炔，聚苯胺，聚吡咯，聚乙烯二氧噻吩PEDT是目前研 究最多，最深入的导电高聚合物，其不仅能弥补二氧化锰作为阴极带来的缺点， 且还能提高钽电容在高频率工作时的低ESR,提

13、高纹波电压和稳定性，提高钽电容 的自修复能力和阻燃性。四种高导电聚合物都同时存在一个问题，如何在被被膜 时实现高导电聚合物在多微孔的阳极外表均匀致密的沉积 14。但是聚苯胺，聚吡 咯大量使用时，会产生污染物质，对环境有一定的危害。此外，PEDT聚合反响快, 反响难以控制，电容量引出率低，等问题仍是难题。目前由拜尔公司使用PEDT研 制的钽电容是当前可靠性最高的钽电容导电聚合物，此外， KEMET 成功研制出了 T52X,T53X 二个系列的军工导电聚合物钽电容4。1.3 钽电容的分类与使用钽电容主要按二种方式分类，按安装方式可以分为；引线式和贴片式。按电 解质的可分为；固体和体态钽电容8。由于

14、钽电容本身的一些属性，使用钽电容前 应该注意以下一些问题；(1) 钽电容为极性电容，勿施加反向电压。(2) 应当在电容器规定的纹波电压使用。(3) 环境温度一般为-55-125*，额定电压2.5-50V,频率小于10KHZ。(4) 注意安装方式，不要受到过大的机械冲击和热冲击。 (5)注意保养，点检和清洗方式，发生故障应先切断电源，再逐一排查。2 钽电容的现状2.1 钽电容的国外生产状况随着科技的开展，钽电容的性能得到更好的放大，厂家遍布国外，尤其是欧 美日本。1997年世界贴片钽电容年产量到达145亿只， 2000年超过了250亿只，片式 化率超过80%。日本生产钽电容始于八十年代中期，最初

15、的厂品是树脂模型SK系 列，从3.3uf的K1到静电量为33uf的超小型大电容K6。日本电气公司成为了世 界上最大的片式钽电容厂商，目前已被美国凯美特公司取代8。二十世纪八十年代，我国开场自主研发的片式钽电容，九十世纪，又研制了 模塑封装型片式钽电容器；中国振华集团(主要趋向于军工领域)在1995年首次引 入钽电容生产线，之后又连续引进了 6 条钽电容生产线，使我国的钽电容得到了 迅速的开展。2001 年国生产钽电解电容 11.78 亿只，同比增长 42.4%，其中片式 钽电容9.96亿只4，片式化率到达88.5%，目前已超过90%，是我国钽电容产品最 多，配套规格最多的专业制造企业之一，星日

16、钽电容星日电子是国最大的钽 电容生产基地，主要对口华为等电子企业，2012年突破钽电容年产量 15亿只。图2.1 为全球钽电容生产总量走势图。1994-2014全球袒电容生产总量走势:亿只图 2.1 全球钽电容生产总量走势图从钽电容的生产总量走势图上可以看出，其生产总量有二个顶峰期，一个是 2000 年，超过了 250 亿只，另一个是 2012 年，接近 350 亿只。二十世纪九十年代， 随着电子设备的逐渐普及化，通讯，网络的开展带动着个人微机，传呼机普遍使 用，加之军工武器对钽电容的青睐，使得钽电容的需求有较大上升，到2000 年到 达最大，之后逐渐出现市场饱和，有小幅度下降。其原因有二个，

17、一是以美国为 首的欧美兴旺国家的制造业出现低迷，计算机，移动销量持续降低；二是2000年 电子市场出现亢奋状态，对钽电容市场的销量预计过高，尤其是计算机和移动方 面，导致许多销售商重复定货，出现了大面积的钽电容库存积压。但是随着片式 钽电容生产技术和厂品结构的不断改造，小型化，大容量，低ESR，高频特性等优 点，在电子厂品，微处理器，汽车工业，医疗方面得到进一步使用，总量逐步上 升，到2012年到达最大值，约为350 亿只。近几年，各大电容器公司不断推出新 品电容，铌电解电容，MLCC片式多层瓷电容器尤其是MLCC，占使用电容器市 场份额的 43%，价格相对钽电容较低，许多电子工程师在使用 1

18、.0-100uf 的 MLCC 电容时，发现其能满足普通电路需求，逐渐侵入原有的钽电容市场，据产业研究 院公布的2014-2018年中国MLCC行业开展前景预测与投资战略规划分析报告 预计，到2018年，MLCC在中国手机方面的使用将到达3416亿只。加之铝电解电 容一直的传统地位，使得钽电容生产总量下降，但是钽电容一些独特的优异属性 在一些特定领域的应用，始终是其他钽电容无法替代的。2.2 钽电容的市场消费由于钽电容本身优越性，之前主要是军工用品，随着其使用围越来越广泛， 现在全球片式钽电容器主要用于手机中，约占 35%，平均一部手机使用 5 只至 20 只不等，其次为数码相机及数码影音产品

19、，约占 34%，笔记本电脑方面应用占 15%。 图 2.2 为全球钽电容消费结构图。lb%全球铉电容消费结构图 rj|b B-tL 眾宀我申脑 歆评杓枳艮歎耳4久图 2.2 全球钽电容消费结构图3 钽电容的应用领域钽电容以独特的性能异于其他电解电容，不管是其超低的漏电流，等效串联 电阻，大容量，轻小，都是其他同等体积电容器达不到的，重要地位不言而喻。 应用领域横跨工业，电子，通讯，国防，航天，医疗等行业。以下是钽电容的二 个典型应用。1移动：移动经过几次变革，智能化，数字化，轻小薄型化是根本趋势， 也使得其部变化较大，空间的大面积缩小，间接的要求了所使用的电容必须有更 好的滤波性能，消除噪音。

20、在电源电路 DC/DC 转换过程中一般都接上钽电解电容9 而实际工作过程时，与理想情况有所差异，通常在输出端与输入端都接上电容， 使其更好的将各种干扰滤除。2微处理器：目前市场上使用的笔记本微处理器主要是美国Inert奔腾系 列。当电压降低时，供给的电流不断增高，微处理器与其他电子器件重复的自动 进展0N/OFF,由于时间极短，电源的稳定性受到了很大的影响，Inter公司采用低 阻抗，容量大的片式钽电容，很好的解决了电荷急速变动对电源的稳定性的影响 15。除此之外，钽电容还在以下应用领域得到具体应用。通讯: 程控机、专用交 换机、传呼机、无绳、 机13；电脑：主机、芯片、微处理器；汽车：发动机

21、控 制、燃料控制、尾气排放控制、噪声控制、刹车装置、空气袋、避碰装置、音响 系统、汽车电视、汽车随机故障诊断系统、汽车结构优化设计系统、汽车性能计 算机化测试系统；仪器仪表：石油勘探用仪器仪表，其它各种实验与生产用仪器 仪表；航空航天：民用航空飞机、卫星；国防军工：现代军事武器和装备。 4片式钽电容的前景展望钽电容由于具有优越的优势，加上外表贴装技术的不断改良，能在相对较宽 的温度围下工作，且具有高可靠性，在现代工业电子重要作用不可替代。近年来， 其技术取得了一系列突破，超小型化、轻型化、薄型化、片式化、大容量方向将 是钽电容的下一个技术开展趋势。随着电子整机化的开展，片式钽电容的应用领 域正

22、在扩宽，行业的应用比重也将发生变化，未来医疗，航空与军工，汽车工业， 小型电子消费等领域的应用不仅更细更广，应用比重也将大大增加。1钽电容技术开展趋势。随着半导体行业的飞速开展和钽电容技术的不断 更新，高密度元件成了电子行业的首选。钽电子作为高密度元件的标志之一，其 技术开展主要朝小型化，轻型化，薄型化，片式化，高频大容量化五个方向开展。 小型化：日本最初研发的贴片钽电容外形大小为3.50.2mmX2.80.2 mm,之后不断改良工艺，尺寸不断缩小，从3.20.2mmX1.60.2mm,1.00.03mmXO.50.03mm,缩小至0.80.03mmXO.50.03mm， 之后AVX研制的02

23、01型的贴片钽电容，尺寸为0.02inX0.01in，公制为0.60.03mmX(0.30.03)mm，是目前尺寸最小的贴片钽电容。轻型化：钽 电容的质量的轻型化将使钽电容的钽粉的消耗量有所减小，生产一个普通的钽电 容，美国需钽粉60mg左右，日本需25-30mg，我国那么需70-90mg。日本松下电 子企业研发KE型钽电容，开场质量到达了 28mg，目前质量降低了一半，仅是14mg, 其使用的的钽粉质量仅为1 mg。薄型化：日本成功研制的厚度小于0.1mm，体积仅 有0.75mm3贴片钽电容広，引线长仅有0.05mm。片式化：日本1977年成功研制的没 有引线的钽电容，并成功使用在薄膜收音机

24、以来，拉开了片式钽电容的序幕。电 子厂品逐渐小型化是整个电子器件的主流趋势，其中钽电容的片式化也在不断增 加，从刚开场的 70%，到目前已超过 91%。高频大容量：由于电子不断小型化趋势， 加上功耗越来越大，使得各大厂商不仅对其体积有要求，而且电容的大容量也是 其追求的目标，1990年最大的电容容量仅为100uf。目前包括KEMET,NEC等一系 列主要厂商研制的钽电容最大为1000uf,而AVX的TAJ系列到达了 4.7V,2200uf。2钽电容新应用领域与比重的变化。随着经济开展和工业4.0的到来，人 们的消费观念逐渐转变，将会更加注重产品质量与平安性，未来钽电容的主要开 展和应用领域也会

25、与之息息相关。由于钽电容的一系列其他电容无法替代的关键 作用，其在医疗，航空与军事领域，汽车工业，电子消费等应用领域将会大大增 加。医疗用钽：目前便携式电池供电种类繁多，由于医疗钽电容的低流漏电流较 其他电容大大减低，Vishay研制的TM8系列钽电容将漏电流限制在200nA，这是 其他电容远远达不到的，大大的提高了设备的储能，同时方便携带，随时充电， 延长设备使用寿命，因此未来在一些关键医疗植入设备，医疗仪器，医疗电子方 面将会有更多的应用。航空与军事领域:航空、军事、武器一直都备受关注，与一 般的电子消费市场不同，对电容的性能要求极高，价格上下并不在其考虑围。所 以，其使用的电容必须可靠性

26、高，寿命长，高容量，且小型化和易于片式，这些 钽电容综合优异性能是其他电容难以匹敌的，这也将一直是钽电容的备受青睐的 原因3。汽车工业：人们消费水平的逐渐提高，往更注重汽车的可靠与平安性成了 购置的首要考虑。全球汽车市场逐渐上升，汽车工业电子再次迎来迅速开展，在 2016年 3月慕尼黑电子展，会聚了接近六万明行业精英和企业参展，使汽车电子 再次成为了主角。在一般中高级轿车中，每辆车最少使用 300 个钽电容。现在钽 电容技术改良，结构优化，生产本钱较原来也有大幅度减少，以后一般的车辆也 能大量使用钽电容，当汽车不再成为奢侈品时，汽车工业也将会是钽电容最重要 的消费支柱之一11。电子消费：目前能

27、源，资源过度消费，环境保护责任加大， 用料少，费能少，少排污等随着小型化厂品的到来而不可轻视。加上外表贴装技 术的成熟化，更要求电子产品趋于小，薄，轻方向开展，对电容要求越来越高， 钽电容能在温度变化的条件下正常工作，滤波，耦合极好，且当钽电容与其他电 容体积一样大时，电容量为其他电容的 5-10倍，将是未来轻薄小型电子产品的首 选12。参考文献1 屈乃琴，久录.国外片式钽电容器的开发与开展J.稀有金属与硬质合金， 2000,(3):1-3.2 钟景明，春光，髙勇，宁片式钽电容器的研究现状与开展趋势J.稀有金属快报， 2003,1-5.3 永燃宇航片式钽电容器耐加速应力研究D：电子科技大学，2

28、010.4 涛.钽电解电容用新型聚合物电极材料D：电子科技大学，2003.1-5.5 蔡钧璞基于髙温漏电流指标的钽电容器优化筛选方案研究J.混合微电子技 术,2014,(1):25.6 廉军片式钽电容的结构及制造工艺J.电子工业专业设备,2000,(9):60-63.7 王耀东.中压大容量液体钽电容器工作电解质的研究C.博硕论文库.：大学，2006,7-8.8 王春霞，艳,马永红钽电解电容使用中的考前须知J.电源技术,2009,(12):33-33.9 媛媛，阳.常用电子元器件J.电子质量2010,(8).10 Pat rick Gormally Alex Edelman Pavel Vais

29、man.便携式电池供电医疗设备使用钽电容 的考量因素J.世界电子元器件,2010,(10):32-41.11 静静髙压小容量低ESR液体钽电容器工作电解质的研究C.博硕论文库.：大学2005,6-7.12 严心羽.铌电解电容器制造工艺研究C.博硕论文库，：理工大学2007,1-4.13 宗国，何季麟.中国钽铌工业的开展与现状.docin./p-555096543.html.14 王飞固体钽电解电容器化学被覆导电聚合物的研究C.博硕论文库，：交通大 学.2012,42-44.15 徐建华.导电聚合物电极材料研究及其固体钽电解电容技术C.博硕论文库，电子科技大 学.2007,2-4.16 徐云飞.

30、0603型钽电解电容关键工艺的研究C.博硕论文库，理工大学.2012,1-2.又到了说再见的季节。回想起的仍然是当初来校单独一人拿着大包小包排队 的情景。虽然学术上没有做出明显成就，但是能与如此多志同道合有思想的年轻 人一起生活学习四年，也让自己成长了不少。本论文从选题，开题，框架到详细容，都是在冉耀宗教师的精心指导下完成 的，冉教师工作兢兢业业，期间亲自屡次给我查找最新资料，批改论文，提供建 议，给了我莫大的支持。在学业上，尤其是大二，大三带我们班专业课期间，每 次课后都与同学讨论很久，经常鼓励同学们参加学校课题研究与学科学术知识讲 座，是大家心中的良师益友，也是自己今后工作的典范。同时也非常感班导王强 教师，四年来为班级不辞辛劳，给大家提供了学习上，生活上的诸多便利。感曾 经哪些专业课，选修课，公共课的教师们，正是你们辛勤的传授，使得大家学有 所获，走上工作岗位，为社会作出自己的奉献。更要感学院的领导，是你们提供 的良好环境，一路的关心与呵护，使大家得以顺利完成学业。再次向冉教师表示 我诚挚的感。最后向参加本次论文辩论组教师和工作人员致以衷心的感。祝教师们身体安 康，工作顺利。