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： 2021051173 2021年6月1.应用物理学专业本科毕业论文* *2021年6月1.目 录摘要IABSTRACI1钽电容的概述11.1 钽电容的简介及根本构造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111.摘要钽电容以独特优异的综合性广泛使用于各行业。钽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

2、，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 e*cellent prehensive properties. Tantalum capacitors by tantalum and tantalum powder th

3、rough 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 munications, industry, electronics manufacturing, aerospace industry, medical and some cutting-ed

4、ge 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 prehensive e*position.Key words:Tantalum capacitors, Widely used, Development trends1.1钽电容的概述1.1 钽电容的简介及根本构造钽，英

5、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Ta2O5氧化膜作为介质，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。直插式钽电容构

6、造图如图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。图1.1 直插式钽电容构造图贴片式钽电容构造如图1.2所示。与直插式钽电容类似，贴片钽电容多为卧式构造，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，另一端则为负极。图1.2 贴片钽电容构造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

7、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AV*,NEC,KEMET基美)，VISHAY。以下是生产厂商AV*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。 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

8、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。

9、(8)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，而阴极则使用银膏。(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)

10、切边:将框架条的产品阳极边切除。(15)预测试:自动化测试产品漏电流，剔除漏电流大的产品。(16)老化筛选:这是整个工序比较重要的一步，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

11、时，可能会自燃，燃烧电路，损坏其他电子元件。对此工艺改进，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进，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PEDT4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

12、低ESR,提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T52*,T53*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。由于钽电容本身

13、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，最初的厂品是树脂模型SK系列，从3.

14、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

15、企业，2021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。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2021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，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，

16、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构造的不断改造，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2021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1.0-100uf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?2021-2021年中国MLCC行业开展前景预测与

17、投资战略规划分析报告?预计，到2021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，约占34%，笔记本电脑方面应用占15%。图2.2为全球钽电容消费构造图。图2.2 全球钽电容消费构造图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，

18、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。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，供应的电流不断增高，微处理器与其他电子器件重复

19、的自动进展ON/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、汽车构造优化设计系统、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

20、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进，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

21、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3.50.2mm2.80.2mm，之后不断改进工艺，尺寸不断缩小，从3.20.2mm1.60.2mm，1.00.03mm0.50.03mm,缩小至0.80.03mm0.50.03mm，之后AV*研制的0201型的贴片钽电容，尺寸为0.02in0.01in，公制为0.60.03mm(0.30.03)mm，是目前尺寸最小的贴片钽电容1 。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，我国则需70-90mg。日本松下电子企业研发KE型钽电容，开场质量到达了2

22、8mg，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2,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

23、钽电容最大为1000uf，而AV*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

24、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2021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

25、钽电容。现在钽电容技术改进，构造优化，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?，

26、2000,(3):1-3.2钟景明,春光,高勇,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，2021.4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.基于高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?,2021,(1):25.6廉军.片式钽电容的构造及制造工艺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本卷须知

27、J.?电源技术?，2021,(12):33-33.9媛媛，阳. 常用电子元器件J.?电子质量?，2021,(8).10 Patrick Gormally Ale* Edelman Pavel Vaisman.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?，2021,(10):32-41.11静静.高压小容量低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

28、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.2021,42-44.15*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*云飞.0603型钽电解电容关键工艺的研究C.博硕论文库，理工大学.2021,1-2.致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。1