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什么是低ESR聚合物鉭電容器？

隨著各類多媒體信息處理器械向小型化，高速處理化和低功耗化方向發(fā)展，導(dǎo)致需求小型元器件、高集成度LSIC(高頻率、低電壓)電路，并且要求電路間歇性工作。這樣對(duì)于使用的電容器，提出一系列的新要求。特別是對(duì)于以小型化和大容量見(jiàn)長(zhǎng)的鉭電容器,提出低等效串聯(lián)電阻(ESR)的新要求。
　　鉭電容器的新需求

　　需要低ESR解耦電容器　半導(dǎo)體電路急速向高速且低電壓方向發(fā)展，時(shí)鐘頻率日益增高，低電壓需求允許電壓變化的余量縮小。為了抑制高頻干擾和電壓波動(dòng)，急需小型化且大容量的低ESR解耦濾波電容器。

　　需要低ESR平滑電容器　為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備低功耗化，在設(shè)備里設(shè)置有停止時(shí)鐘的電路，一旦設(shè)備要進(jìn)入休眠狀態(tài)，便利用停止時(shí)鐘電路，使開(kāi)關(guān)電源停止工作，減少電力消耗。因此，電路將頻繁地改變接通/斷開(kāi)的狀態(tài)，為此，開(kāi)關(guān)電源電要具備相當(dāng)快的響應(yīng)速度，平滑波動(dòng)電流的變化，這就急需小型且大容量的低ESR鉭電容器。

　　吸收噪聲的低ESR電容器　PDA等便攜式信息處理終端日益高性能化和多功能化，由此其內(nèi)部流通的電流變動(dòng)非常大。為了消除大電流變動(dòng)造成的干擾，也需要小型且大容量的低ESR鉭電容器。
　　鉭電容器的技術(shù)進(jìn)展

　　在各種電容中，鉭電容一向以每單位體積具備較高靜電容量而著稱。隨著高密度表面組裝(SMT)技術(shù)的進(jìn)步，鉭電容器也不斷地改進(jìn)，由圓桶狀發(fā)展成片狀，并為了降低ESR，已將電解質(zhì)由二氧化錳改用高分子聚合物。

　　一般都是利用燒結(jié)工藝制造鉭電容：首先將微米顆粒的鉭粉連同鉭引線壓制成型，然后在1500℃左右進(jìn)行真空燒結(jié)，形成鉭電容器的陽(yáng)極體。在這多孔燒結(jié)體表面上，通過(guò)陽(yáng)極氧化方法形成一層Ta2O5介質(zhì)薄膜,作為鉭電容器的陰極層。在層Ta2O5(介質(zhì))的基礎(chǔ)上包覆一層二氧化錳,現(xiàn)在為降低ESR已改用導(dǎo)電性高分子聚合物。

　　通過(guò)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn),鉭電容的陰極層影響ESR和耐熱性。將陰極層改用聚丙烯(Polypropylene)后,鉭電容器獲得了低ESR和高耐熱特性。
低ESR電容器的研制
　　ESR的構(gòu)成　一般燒結(jié)型的ESR由下列因素構(gòu)成：1)RF:鉭氧化膜及其界面吸附分子的ESR;(2)Ro:分布參數(shù)電阻,如鉭電容陰極的電阻和鉭陽(yáng)極體燒結(jié)氣孔形狀變化形成的電阻;(3)Rex:外表面固體電解質(zhì)(陰極層)/石墨層/銀聚層/引線端等的接解電阻和各層材料的固有電阻。鉭電容器的等效串聯(lián)電阻R可用等式(1)表示:
　　R=Rf+Ro+Rex (1)

　　但鉭電容器等效串聯(lián)電阻R是頻率的函數(shù),因此可改寫成:

　　R(ω)=Rr(ω)+Ro(ω)+Rex

　　=tanδf/ωCf+Ro(ω)+Rex　 (2)
　　在表達(dá)式(2)中的Cf和tanδ分別是介質(zhì)氧化膜的靜電容和介質(zhì)損耗角δ。式(2)中的Rf(ω)隨頻率呈反比減少的趨勢(shì)。而在低頻區(qū)域恒定不變,在高頻區(qū)域很快衰減,并隨頻率的增高逐漸為零。然而,Rex與頻率無(wú)關(guān),它是不隨頻率變化的常數(shù)。

　　首先,Ro是鉭電容器的陽(yáng)極燒結(jié)體內(nèi)氣孔的形狀、分布等參數(shù)電阻。以圖2為例,圖的右半部分是鉭電容器陽(yáng)極燒結(jié)體氣孔構(gòu)造模型,實(shí)際上也是個(gè)微型鉭電容,左半部分是它的等效電路。就是說(shuō),微型鉭電容是由各個(gè)鉭電容器單元并聯(lián)構(gòu)成的。因此一旦鉭涂在Ta陽(yáng)極燒結(jié)氣孔內(nèi)的陰極材料層不均勻,凸凹不平,必然導(dǎo)致Ro增加。因此為削減Ro成份,優(yōu)化鉭陽(yáng)極燒結(jié)體工藝和改善高分子聚合物(陰極層)形成技術(shù)是十分重要的。例如NEC公司,重新調(diào)整鉭粉顆粒和燒結(jié)體密度,優(yōu)化燒結(jié)體氣孔分布,使之便于在其氧化層上形成高分子聚合物層。在該公司的鉭電容器PS/L系列產(chǎn)品里,選用高導(dǎo)電平的聚丙烯高分子聚合物作陰極材料。而且,因?yàn)楣δ苄愿叻肿拥男阅苁苄纬蔂顟B(tài)左右,所以還應(yīng)通過(guò)控制聚合反應(yīng),盡量降低電阻率。

　　對(duì)于圓柱型鉭電容器,其靜電容量開(kāi)始急劇降低時(shí)的頻率(叫作電容器的截止頻率),可用式(3)表示:
　　fc=1/2×πCfRo (3)

　　Ro=P/8πh=Roo(低頻區(qū)) (4)

　　Ro=(Roo/ωCf)2/1×(1+tanδf)(高頻區(qū)) (5)

　　其中,ρ為電解質(zhì)的電阻率,h為圓柱形鉭電容器的高度。

　　根據(jù)式(4)和(5),Ro與電解質(zhì)的電阻率ρ成正比,因此電容的截止頻率越高則電阻率越低。而且,當(dāng)功能性高分子層在燒結(jié)體內(nèi)部形成不夠充分的情況下,意味著低頻和串頻區(qū)域的ESR值高。

　　其次,降低Rex值,Rex和外表面的固體電解質(zhì)層電阻,陰極層的連接電阻以及陰極材料的體電阻相關(guān)。一般情況下,可通過(guò)削減固體電解質(zhì)/石墨/銀漿/焊接層/引線端各部分的電阻以及降低接觸電阻等手段,降低Rex。而且,若鉭電容器產(chǎn)品形狀固定時(shí),Rex和鉭陽(yáng)極燒結(jié)體的表面積成反比,所以當(dāng)陽(yáng)極燒結(jié)體較大時(shí),對(duì)降低ESR有利。

　　低ESR產(chǎn)品
　　現(xiàn)在,市場(chǎng)上已開(kāi)始供應(yīng)低ESR鉭電容器新產(chǎn)品,例如,NEC公司提供的PS/L系列B2Case鉭電容(3.5×8×9mm3),比老產(chǎn)品提高1倍電容量,ESR僅為原來(lái)的。舊產(chǎn)品最大電容量為47μF,新產(chǎn)品的電容量可達(dá)100μF,而且在10kHz～10MHz區(qū)域內(nèi)的ESR值由原來(lái)的50mΩ下降到了25mΩ。
　　對(duì)于PS/L系列的DCase(7.3×3×8mm3)的鉭電容新產(chǎn)品,也實(shí)現(xiàn)了低ESR化。例如,在1kHz到10MHz區(qū)間里,新的鉭電容器產(chǎn)品的ESR之值處于25mΩ以下,特別在10kHz～10MHz區(qū)域內(nèi)的ESR僅為10mΩ左右。

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