钽电容知识总结结构工艺参数选型.doc
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1、一、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,可以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,钽电容的重要特点有寿命长,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为负极的钽电容下图为聚合物(Polymer)为负极的钽电容二、生产工艺按照电解液的形态,钽电解电容有
2、液体和固体钽电解电容之分,液体钽电解用量已经很少,本文仅介绍固体钽电解的生产工艺。固体钽电解电容其介质材料是五氧化二钽;阳极是烧结形成的金属钽块,由钽丝引出,传统的负极是固态MnO2,目前最新的是采用聚合物作为负极材料,性能优于MnO2。钽电解电容有引线式和贴片两种安装方式,其制造工艺大体相同,现在以片钽生产工艺为例介绍如下。一、生产工艺流程图 成型 烧结 试容检查 组架 赋能 涂四氟 被膜 石墨银浆 上片点胶固化 点焊 模压固化 切筋 喷砂 电镀 打标志 切边 漏电预测 老化 测试 检查 编带 入库 二、重要生产工序说明 (一) 成型工序:该工序目的是将钽粉与钽丝模压在一起并具有一定的形状,
3、在成型过程中要给钽粉中加入一定比例的粘接剂。1、 什么要加粘接剂?为了改善钽粉的流动性和成型性,避免粉重误差太大,此外避免钽粉堵塞模腔。低比容粉流动性好可适当多加点粘接剂,高比容粉流动性差可适当少加点粘接剂。2、 加了太多或太少有什么影响?假如太多:脱樟时,樟脑大量挥发,易导致钽坯开裂、断裂,瘦小的钽坯易导致弯曲。假如太少:起不到改善钽粉流动性的作用。拌好后的钽粉假如使用时间较长,由于樟脑是易挥发物品,可适量再加入一点粘和剂。樟脑的加入会导致钽粉中杂质含量增长,影响漏电。天天使用完毕,需将钽粉装入聚四氟乙烯瓶或真空袋内密封保存,以防樟脑挥发、钽粉中混入杂质、钽粉中吸附空气中的气体。3、 成型后
4、不进行脱樟,可否直接放入烧结炉内进行烧结?不行,由于樟脑是低温挥发物,假如直接放入烧结炉内进行烧结,挥发物会冷凝在炉膛、机械泵、扩散泵等排出管道内。4、 丝埋入深度太浅会有什么影响?钽丝易拔出,或者钽丝易松动,后道工序在钽丝受到引力后,易导致钽丝跟部漏电流大。所以强调钽丝起码要埋入三分之二的钽坯高度以上,在成型时经常要检查。5、 粉重误差太大分有什么影响?粉重误码差太大,导致容量严重分散,K(10%)档的命中率会很低。成型时经常要称取粉重,误差要合格范围内(3%)。假如有轻有重都是偏重或都是偏轻,可调整赋能电压或烧结温度。假如有轻有重,超过误差范围,要调整成型机,并将已压钽坯隔离,作好标记,单
5、独放一个坩埚烧结。6、 密要均匀不能有上松下紧,或下紧上松的现象。否则会导致松的地方耐压减少。钽坯高度要在允许差范围内,具体见工艺文献。7、 成型注意事项:(1)粉重(2)压密(3)高度(4)钽丝埋入深度(5)换粉时一定要将本来的粉彻底从机器内清理干净。(6)不能徒手接触钽粉、钽坯,谨防钽粉、钽坯受到污染。杜绝在也许有钽粉的部位加油。(7)成型后的钽坯要放在干燥器皿内密封保存,并要尽快烧结,一般不超过24小时。(8)每个坩埚要有伴同小卡,写明操作者、日期、规格、粉重等情况,此卡跟随工单一起流转,要在赋能后把数据记在工单上才干扔掉,以防在烧结、赋能、被膜出了质量问题可以倒追溯。(二)烧结工序1、
6、烧结:在高温高真空条件下将钽坯烧成具有一定机械强度的高纯钽块。2、目的:一是提纯,二是增长机械强度。3、烧结温度对钽粉比容有什么影响? Cg T 随着烧结温度的提高,比容是越来越小,并不完全呈直线状。 由于随着温度的提高,钽粉颗粒之间收缩得越来越紧密,以至于有些孔径被烧死、堵塞,钽块是由多孔状的钽粉颗粒组成的,随着温度的提高,颗粒的比表面积越来越小,这样就导致钽粉的比容缩小。 4、烧结温度对钽粉的击穿电压有什么影响? VB T 烧结温度越高,杂质去除得越干净,所以击穿电压随着烧结温度的提高而提高,并不是完全呈直线状。 5、烧结温度太高太低,对电性能有什么影响? 烧结温度太低一方面钽块的强度不够
7、,钽丝与钽块结合不牢,钽丝易拔出,或者在后道加工时,钽丝跟部受到引力作用,导致跟部氧化膜受到损伤,出现漏电流大。烧结温度太高,比容与设计的比容相差甚多,达不到预期的容量,温度高对漏电流有好处,温度太高会导致有效孔径缩小,被膜硝酸锰渗透不到细微孔径中,导致补膜不透,损耗增长。 6、假如烧结后,试容出来容量小了怎么办? (1) 算一下假如容量控制在-5%-10%左右,计算出的赋能电压能否达成最低赋能电压. 额定电压 6.3 10 16 25 35 40 50最低赋能电压 18 30 50 80 110 140 170(2) 如不行,只能改规格,如16V10UF,可改16V6.8UF,只要提高赋能电
8、压,但是要看提高后的赋能电压是否会达成它的闪火电压,假如接近的话,那就会很危险.也可以改25V6.8UF,但是计算出的赋能电压要达成所改规格的最低赋能电压。 7、 假如烧结后,试容出来容量大了怎么办? (1) 算一下假如容量控制在+5%-+10%,计算出的赋能电压是否接近闪火电压?假如接近就不能流入后道;(2) 如接近闪火电压,可改规格,如16V10U,可改16V15U,10V15U,但是计算出的赋能电压不能低于最低赋能电压,不能往高电压改规格。(3) 实在不行只能返烧结,返烧结时要根据比容控制烧结温度。 8、高温时真空度不好,怎么解决? 高温时真空度假如忽然不好,说明炉膛已漏气。应立即降温。
9、由于氧气进入炉膛后,钽块、钽丝、坩埚隔热层、隔热罩都是钽制品,会跟氧发生氧化,出现发脆。 9、空烧 正常烧结一个月,需进行一次空烧,空烧温度应高于正常烧结温度100度以上;假如一直是烧的低温,忽然要烧高温,应先进行空烧。 由于低温杂质吸附在炉膛和坩埚上,假如不空烧,忽然烧高温,低温杂质会挥发到钽块上去,导致钽块漏电流大(有一批35V106 335 225估计就是因未空烧,装炉量太大,压制密度偏小所致)。 10、注意事项:(1) 不能徒手接触钽块;(2) 出炉后在伴同小卡上注明炉次、层次,以便出问题进行追溯。(3) 试容;(4) 剔除开裂、断裂的产品;(5) 检查钽丝脆性(6) 第一层取两个钽块
10、拔一下钽丝,能否容易拔出,如能容易拔出,说明烧结温度太低。就要查看是隔热罩密封不好,还是温度不均匀等情况;(7) 烧结时发现有问题的钽块要尽快隔离标记;(8) 天天要关心试容结果,特别要注意比容,假如比容偏差大了,要尽快调整炉温。(9) 炉子的加热棒通过重新安装和修理后,一定要重新调整炉温,试炉温时只能少放点产品,以免导致较大的损失。(10) 装炉量一般不要超过1KG(钽粉量)。(三) 组 架a) 尺寸 钽块上端面到钢钢条边沿的距离5.00.2mm,假如偏差太大,会导致钽块上端面涂上硅胶或钽丝脏。 b) 注意要垂直。c) 注意直径小于2.0,放60条,大于2.5,放行30条d) 在拌同小卡上作
11、好记录,每个架子都应当附有小卡,将成型、将成型、烧结的数据般到小卡上,并在小卡上标注试容后的电压。随架子流传。e) 烧结不同层次的,虽然电压同样,最佳不要放在一个钢架上,以防容量整条整条分散f) 钢架钢片一定要使用清洗后的,不要让钢架钢片受到太大的力,以防变形弯曲。 (四) 赋能工序1、 赋能:通过电化学反映,制得五氧化二钽氧化膜,作为钽电容器的介质。2、 氧化膜厚度:电压越高,氧化膜的厚度越厚,所以提高赋能电压,氧化膜的厚度增长,容量就下降3、 氧化膜的颜色:不同的形成电压干涉出的氧化膜的颜色也不同,随着电压的升高,颜色呈周期性化。4、 形成电压:经验公式(该公式只能在小范围内提高电压,假如
12、电压提高的幅度很大,就不是很准确,要加保险系数)。C1.V1=C2.V2V2=C1.V1/C2C1-第一次容量平均值;V1-第一次形成电压(恒压电压);C2-要示的容量C2=K CR (K 根据后道的容量收缩情况而定,可适时修改,一般情况下,容量小,后道容量损失较小,容量大,后道容量损失就大,低比容粉,容量损失较小,比容越高,后道容量损失就越大。通常,CR1UF,K=1.0; CR1UF,K=1.04) 例如:35V105,中间抽测容量为1.08 、1.05 、 1.12 、 1.09 、 1.10 ,形成电压为95V,问需要提高几伏电压才干达成需求的容量? 先求出中间抽测容量的平均值C1=1
13、.09,V1=95 V2=1.09X95/1.0=103.5(V),需提高9V 注意: 提高电压后,需恒压一小时,才可结束赋能。5、 形成液温度:T1.V1=T2.V2T1: 第一次恒压温度; V1: 第一次恒压电压; T2: 第二次恒压温度; V2: 第二次恒压温度; V2:T1.V1/T2 注意公式中的温度K是绝对温度,需将摄氏温度加上273;例如:第一次恒压温度为75度,恒压电压为90V,假如形成液的温度提高到85度,问形成电压要减少几伏?V2=90(75+273)/(85+273)=87.5V,需减少3V。该公式不常用。但能指导为什么温度低容量会变大。形成温度越高,氧化膜质量越好。但是
14、温度太高,水分挥发厉害,就要不断地加水,并且易导致形成液电导率不稳定。一般磷酸稀水溶液的恒压温度控制在70-90之间,通过大量的实践证明,假如恒压温度低于70,导致氧化膜质量严重不稳定,湿测漏电超差,假如形成液选用乙二醇系列,恒压温度可适当提高。6、 电流密度:低比容粉由于它的比表面积小,需要的升压电流密度就小,比容越高,比表面积就越大,需要的升压电流密度就大,一般C级粉,升压电流密度为10毫安/克,B级粉,升压电流密度为20毫安/克,高比容粉35-60毫安/克,视比容高低而定,详见工艺文献。7、形成液:电导率高,氧化效果好,但是形成液的闪火电压低;电导率低,氧化效果差,但是形成液的闪火电压高
15、,阳极块不容易晶化、击穿。目前的磷酸稀水溶液只能适合形成电压200V以下,假如要形成200V以上的产品,应改用乙二醇稀水溶液,该溶液闪火电压高,克制晶化能力强,但是乙二醇不容易煮洗干净,被膜损耗要微增长。一般情况下,CA42形成电压不会超过200V,只要用磷酸稀水溶液就可以了。8、恒压时间:钽块越小,恒压时间越短,钽块越大,恒压时间越长,详见工艺文献。原则:结束电流要很小,基本上稳定不再下降为止,具体数值要看平时积累数据。9、注意几点:(1) 容量、漏电一定要每坩埚都检,假如发现哪一架容量正公差超差,可提高电压,假如发现容量偏负一点点,也可流入后道,假如偏负很大,那只有改规格。假如发现哪一架漏
16、电慢或超差,可再恒压一小时。(2) 做的过程当中,要经常观测液面、温度。(3) 假如试容、赋能湿测有质量问题,在排除赋能的情况下,应尽量往前面调查因素。(4) 做高压(如35V、40V、50V)大产品,赋能过程中经常要观测有无钽块开裂,如有,说明赋能电压已达成该钽块的击穿电压,就立即减少电压,查明因素,容量控制可正偏差以防电压过高。(5) 做低电压产品的时候要注意,电压相差一伏,容量相差很多,而颜色却很难分辨。(五)、被 膜1、 被膜:通过多次浸渍硝酸锰,分解制得二氧化锰的过程。2、 目的:通过高温热分解硝酸锰制得一层致密的二氧化锰层,作为钽电容器的阴极。3、 分解温度:分解温度要适中,一般取
17、200-270(指实际的分解温度),在这个温度下制得的二氧化锰的晶形结构是型的,它的电导率最大。假如分解温度过高(大于300)或过低生成的是a型的二氧化锰或三氧化锰,它们的电阻率很大,导电性能没有型的好,电阻率大,就是接触电阻大,在电性能上就反映损耗大。4、 分解时间:产品刚进入分解炉时,能看到有一股浓烟冒出,那是硝酸锰剧烈反映生成的二氧化氮气体,过了2-3分钟,基本上看不到有烟雾冒出,说明反映已基本结束。分解时间过过短,反映还没有完全结束,补形成时会有锰离子溶出,这时补形成电流会很大,碰到这种情况,应立即关闭电源,重新分解一次,并将补形成液换掉;假如分解时间过长,会对氧化膜导致破坏,同样也会
18、导致漏电流大。分解时间要灵活掌握,小产品时间短,大产品时间长,假如分解温度很高,要适当缩短分解时间,假如分解温度很低,要适当延长分解时间。5、 硝酸锰浓度:被膜时先做稀液,目的是稀硝酸锰容易渗透至钽粉颗粒的细微孔隙中,让里面被透,假如被不透,阴极面积缩小,被膜容量和赋能容量就会相差很多,这种情况也会反映在损耗上,损耗大。规定在做浓液之前,可解剖一个钽芯观测里面有无被透,假如没有被透,要增长一次稀液,低比容粉颗粒大,硝酸锰容易渗入,高比容粉颗粒小,不太容易渗入,小钽芯稀液次数少,大钽芯稀液次数要适当增长。做浓液、强化液是为了增长二氧化锰膜层厚度,假如膜层没有一定的厚度,加电压时,在上下端面轮廓处
19、等到地方容易产生类端放电,该处的氧化膜导致击穿,所以做强化液的时候,尽量要避免上小下大,或上大下小,膜层厚度要均匀。稀酸锰的酸度很重要,它会直接影响到硝酸锰的渗透性和分解质量,一般每做时要用试纸测试,达不到工艺规定,要加硝酸调配。滴入硝酸后要搅拌均匀。稀硝酸锰一个星期换一次,浓硝酸锰一个月换一次(也视产量和硝酸锰清洁限度)。6、 中间形成液:纯水修补的效果要差一点,它的导电离子很少,但是它的电阻大,对产品起到保护作用,钽芯不容易被击穿、烧焦,并且用它做补形成液,形成后没有残留物,不会导致损耗大。冰乙酸稀水溶液(0.04%),形成效果较好,形成后没有残留物,不会导致损耗大,但是它的闪火电压低,只
20、适合做6.3V 10V 16V 的产品,冰乙酸很容易挥发,导致电导率不太稳定,所以用的话,要经常测电导率。磷酸稀水溶液(0.01%),形成效果好,闪为电压较高,可适合做25V 35V的产品,但是形成后有磷酸根离子残留在钽芯内,导致损耗要增长0.5左右.乙二醇溶液,形成效果不是很好,闪火电压很高,形成后不会导致损耗大,适合做40V 50V的大规格产品,该形成液成本很高,并且有毒,不宜多用,用后的形成液不要倒掉,可反复使用,但是用前要测试电导率在合格范围内,一般CA42用不到该形成液。7、发现问题的应急措施: (1) 假如浸了强化液烘干后,还没有做最后的稀液、浓液,出来发现外观不符合规定,此时的强
21、化层是很轻松的,只要将其浸泡在去离子水中,强化层会自动脱落。取出分解补形成后,可继续往下做。(2) 假如强化后,已经做了稀液或浓液,发现漏电大,非要解决不可,可采用10毫升冰乙酸+30毫升双氧水+1000毫升去离子水浸泡12小时以上,此种解决方法对氧化膜的损伤较小,取出冲洗干净,再煮洗,赋能恒压2小时,顺序流人后道各工序。8、 被膜最难掌握的是被膜炉的分解气氛(温度、风速、氧含量、蒸汽大小),此外进气孔、出气孔、回流孔及下面的分流板的调整也非常关键。现在只能通过实验来确认调整到较合适的位置。要保证有好的损耗更要保证有好的漏电流。一般氧含量控制在912%。(六)、石墨银浆切割石墨银浆也叫辅助阴极
22、,起到二氧化锰与焊锡连接的桥梁作用。原瓶石墨浓度在10%左右,实际使用时调制到4 . 5%左右为宜,假如太稀的话,由于石墨的渗透性很好,很容易往上爬,爬到上端面假如与钽丝接触,就会导致短路、漏电流大等情况,这种情况在当时还检测不出来,在点焊后钽丝跟部受力,点焊检测漏电流时合格率就相称低,老化时击穿非常严重。假如石墨太浓,石墨层和二氧化锰在做猛石墨时易分层,在后道包封、固化受到热引力作用,石墨层和二氧化锰层之间产生层间剥离,导致损耗增长。要注意石墨的PH值必须大于9。银浆也是同样的道理,太稀的话,浸渍的时候很好浸,但是在浸焊的时候,银层很容易被焊锡吞蚀掉,假如过浓,银层和石墨的接触不是太好,易导
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