Performance of tantalum capacitors

.1金属钽的性质

1.1.1物理性质

1802年，稀有金属钽(Ta)由AG Ekeberg发现，位于元素周期表VB 族中^[2]，原子序数73，原子量为108.195，属于体心立方结构，晶格常数A：3.2959，熔点为2996 ℃，沸点5427 ℃， 仅次于钨和铼，位居第三。室温下的电阻率为13.58μΩ·cm，电离电位7.30±3V。

1.1.2化学性质

钽具有非常好的化学稳定性，不与空气和水作用，无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。除氢氯酸以外能抵抗包括“王水”在内的一切无机酸，也包括任何碱溶液的侵蚀。将钽放入200℃的硫酸中浸泡一年，表层仅损伤0.006毫米。实验证明，钽在常温下，对碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不起作用，仅在氢氟和热浓硫酸作用下有所反应，这样的情况在金属中是比较罕见的。它的另一个重要特性是可以吸收气体，如氢、氮、氧等，并形成相应的固溶体或化合物。

1.1.3力学性能

金属钽具有高熔点、极强的抗腐蚀能力和良好的强度。钽富有延展性，可以拉成细丝式制薄箔。其热膨胀系数很小，每升高一摄氏度只膨胀百分之六点六。除此之外，它的韧性很强，比铜还要优异。但是，硬度偏低，抗划伤能力和抗变形能力不足，使用寿命短，制约了金属钽的推广应用，这样，对其表面进行强化处理就显得非常重要。

钽所具有的特性，使它的应用领域十分广阔。在制取各种无机酸的设备中，钽可用来替代石墨阴极，寿命可比石墨阴极提高几十倍。此外，在化工、电子、电气等工业中，钽可以取代过去需要由贵重金属铂承担的任务，使所需费用大大降低。

二.钽电容简介和基本结构

固体钽电容是将钽粉压制成型,在高温炉中烧结成阳极体,其电介质是将阳极体放入酸中赋能,形成多孔性非晶型Ta₂O₅ 介质膜,其工作电解质为硝酸锰溶液经高温分解形成MnO₂ ,通过石墨层作为引出连接用。

钽电容性能优越，能够实现较大容量的同时可以使体积相对较小，易于加工成小型和片状元件，适宜目前电子器件装配自动化，小型化发展，得到了广泛的应用，钽电容的主要特点有寿命长，耐高温，准确度高，但耐电压和电流能力相对较弱，一般应用于电路大容量滤波部分。

2.1.基本结构

下图为MnO₂为负极的钽电容

2.2.工艺流程

一、工艺制造流程

大致工艺流程如下（粗体为关键工序）：

原材料检验－成型工序－烧结工序－湿检QC－焊接工序－赋能工序－被膜工序－石墨银浆工序－浸银QC－装配工序－模塑工序－喷砂工序－打印工序－切边工序－预测试工序－老练工序－测试工序－外观工序－编带工序－查盘工序－成品QC－入库储存－包装－发货QC

下面按照工艺流程路线作一个简要的介绍：

a）原材料检验：

b) 成型：

粗细比例不同的颗粒钽粉与溶解于溶剂中的粘合剂均匀混合好，待溶剂挥发后，再与钽丝一起压制成阳极钽块；该工序自动化程度较高，每隔一定时间，操作员将混好的钽粉倒入进料盘（防止钽粉太多产生的自重，粘结在一起），设备自动按照尺寸模腔压制成型；

c) 脱腊和烧结：

脱腊又叫预烧，即将压制成型的钽块内的粘结剂去除；烧结则是将已经脱粘结剂的钽块烧结成为具有一定机械强度的微观多孔体，烧结过程只是颗粒与颗粒间接触的部分熔合在一起，但若烧结温度过高，则会导致颗粒与颗粒之间的熔合部分过多，导致表面面积减少；脱腊和烧结对炉的真空度、起始温度、升温、保温、降温及出炉、转炉时间等参数均有严格控制要求。

d) 湿检QC：

湿检是通过对烧结后的钽块抽样进行赋能试验及电参数测试确定钽块的烧结比容，为下道赋能工艺的参数进行优化（电流密度、形成电压等），同时反馈调整上道烧结工序的温控曲线等参数。同时，还会对钽块、钽丝的外观尺寸、强度等参数进行测试。

e) 焊接：

该工序自动将单支钽阳极块穿上四氟垫，焊接在工艺条上并收集在工艺架上，形成整架产品，以便后道工序进行整架产品的操作。

f) 赋能：

赋能工序是很关键的一道工序，它利用电化学的方法，在阳极表面生成一层致密的绝缘Ta₂O₅氧化膜，以作为钽电解电容器的介质层。过程为成架的产品浸入形成液中（通常为稀硝酸液）一定深度，硝酸溶液会渗透到钽块内部的孔道内，再将钽块作为阳极通以电流，硝酸分解出氧，就会在与硝酸接触的钽粒子表面生成Ta₂O₅氧化膜。

g) 被膜：

被膜是将已经赋能好的钽电容进行清洗干燥后，浸在硝酸锰溶液中，硝酸锰溶液一直深入到钽块内部孔洞，硝酸锰加热分解变成二氧化锰形成电容的阴极。此工序须重复多次直到内部间隙都充满二氧化锰，这样保证二氧化锰的覆盖率使电容的容量不会有损失。

h) 被石墨银浆：

石墨层作为缓冲层，既减小了ESR又可以防止银浆与二氧化锰接触导致银浆的氧化；银浆层的目的是提供一种等电位表面，收集电容器充放电的移动电流，它也易于和引线框架连接。石墨的浸渍采用仪器自动控制，一般是一到二次（S、A、B壳为二次；其余为一次），浸渍石墨层后需要进行固化(150℃ 30～40mins)；而银浆的浸渍则采用手工按工艺条来操作(固化温度160℃ 50～60mins)，每隔一定时间就重新对银浆槽搅伴，以确保银浆的粘度，该工序的手工操作较多，感觉不是太好。

i) 浸银QC：

浸银QC是对前面阴极生成工序后的电性能和外观尺寸的抽检，电性能测试包括：容量、损耗、漏电流及ESR四参数，采用PC与测试设备构成的数据采集系统。

j) 装配：

将被银后的产品定距切断，在切断前先对钽丝表面的氧化膜刮除，防止虚焊，再将阳极焊接在框架上，阴极通过银膏固化与框架托片结合在一起。

k) 模塑：

将装配后的框架条产品模塑包封，使其成为具有一定几何尺寸和外观质量的形体。

l) 喷砂：

喷除模塑后产品框架上的多余溢料和毛刺，并对产品进行固化加强产品的模塑强度。喷砂的介质已经改用为水，这样对可焊性的影响更小。

m) 打印：

打印产品的标称容量、额定电压和阳极标识，以进行产品标识识别。

n) 切边：

将框架条产品的阳极边切除，方便后续的电性能测试和老炼筛选。

o) 预测试：

只是测试产品的漏电流，并剔除漏电流大的产品。该工序自动化程度较高。

p) 老化筛选：

钽电容的可靠性程度取决于筛选工序的方法和实施程度，因此老化筛选是重点工艺。生产线一般有两套老化炉，一套同时具备浪涌测试及老炼功能；另一套只具有高温老炼功能。其工序分为三段：一次老炼、浪涌测试、二次老炼。

q) 测试：

老炼浪涌测试完的产品会进行电性能四参数的测试，容量、损耗、漏电流及ESR，不合格品会自动剔除到收集盒。

r) 外观分选：

对产品的外观进行全检，并剔除外观废品。

s) 编带：

利用编带机将产品引线成型，并自动编带成为一整卷盘产品。

t) 查盘：

对编带后产品的外观进行100％的检验，剔除外观不合格品，将合格品重新热封，去除多余载带，调整卷盘缠绕方向并打好包装。

u) 成品QC：

成品QC进行外观、电性四参数、可焊、耐焊的检验。产品抽样进行回流焊试验，确定产品的电性能参数不会有太大的变化率。

三.钽电容的主要特性参数

钽电容器在实际制造过程中，由于使用的原材料性能差异和工艺水平不同以及装备性能的不同，批量生产出的产品的性能尽管都符合标准规定，但实际上不同生产厂家生产的产品的性能存在明显的质量差异。即使是同一生产批，不同只产品实际上也存在质量差异。造成此现象的深层次原因是钽电容器复杂的生产工艺过程使产品参数不可能保持绝对的完全一致，因此,追求质量一致性和追求高性能就成为所有生产厂家的重要目标。而对于用户而言，造成使用时失效的原因主要有两点；一；产品性能参数与电路使用条件不匹配。二；由用户提供的产品存在质量问题。

钽电容器的各电性能参数对使用时可靠性的影响
钽电容器的实际参数如下； 1． CR；额定容量[uF] ；2． DF；损耗[%] ；3． DCL;直流漏电流[uA] ；4． ESR;等效串联电阻。[Ω]

3.1.容值

容量精度对使用影响及可靠性影响简单说明；在实际工作状态，容量大小可以决定滤波后的信号响应速度和波幅大小，在脉冲充放电电路中可以决定输出电流波形是否合乎要求。但是，除非在工作频率非常高的电路需要滤波的信号较弱时，必须需要高的容量精度，一般的DC-DC电路中的滤波和脉冲充放电，容量的微小偏差根本不会影响使用效果，更不会影响可靠性。因此，在实际使用中容量的偏差幅度大小不会对可靠性造成任何影响。

容值一般的测试条件：环境温度：25度室温下，频率：120H_Z，电压：交流有效值最大1V或最大直流2.5V。一般来讲，容值随频率增加而降低，随温度增加容量也会略有增加，因为固体钽电容采用固体MnO₂电解质，容量变化相对稳定，在滤波应用时，容量变化基本可忽略。

容值VS频率变化曲线：

容值VS温度变化曲线：

3.2.额定工作电压&浪涌电压

一般规格书上标示的工作电压为在一定温度范围内最大直流电压（低于85度），当温度高于85度，额定电压会降低，一般在125度，额定电压降为原额定电压的2/3。

工作电压VS温度变化曲线：

3.2.1.浪涌电压

一般钽电容能承受的浪涌电压大约为额定电压或类别电压的1.3倍，超过浪涌电压很容易导致Ta₂O₅介质的击穿，下表出示了一般固体钽电容在25℃&85度℃，125℃浪涌电压值。