[科普中国]-铌电解电容器

铌电解电容器具有比铝电解电容器优越的性能而价格比钽电解电容器便宜在电解电容器领域颇有发展前途。

铌电解电容器的制备早在世纪六七十年代以美国和苏联为首的国家就开始了对铌电容器的研究工作但在工艺过程中由于热和电学应力使五氧化二铌介质膜遭到严重破坏导致电容器漏电流大、产品失效率高。我国年代也开展过这方面的研究年月还专门召开了研制发展铌电解电容器专题会议在厂成立了铌电容器实验室但生产出的铌电容器存在许多质量问题漏电流大、储存性能差尤其是被膜工序反复经过℃的高温热分解硝酸锰溶液的工艺电容量增加以上产品性能极不稳定“以铌代钽”不断降温年后逐渐淡出历史舞台。年代以来随着粉末生产技术的不断提高铌粉的电性能有了很大的提高为铌电容器的研制奠定了基础。新型铌电解电容器性能优良价格便宜目前已被世界各国的电容器行业广泛关注。铌电容器的制备必须避免铌阳极含氧过饱和即必须防止次氧化物的生成抑制氧通过膜和界面迁移保证介质层的热稳定。英国公司已有铌电容器样品供应市场电容量范围为¨工作温度高达℃世界钽电容器龙头企业——美国和日本公司也在积极开发铌电容器电容器铌粉主要由美国公司和德国公司供应并已成产品系列电容器漏电流和高频阻抗值与钽电容器不相上下还可采用多种形式封装。出等以聚苯胺和聚吡咯导电聚合物为阴极研制成功一种用于高频的铌电解电容器其工作频率达而以为阴极的电容器只有。俄罗斯在前苏联研究的基础上不断研究也具有相当高的水平。

铌电解电容器性能铌和钽铝一样其表面可以形成介电氧化膜铌电容器的最大问题是热和电应力对介电氧化膜的破坏造成漏电流增大电容器失效。铌电容器的恶化机理与钽电容器类似是由无定形介电氧化膜的晶化

作用和阳极介电质的表面脱氧反应造成而膜向金属铌扩散氧的速率远高于膜试验表明在℃退火膜溶解近但膜几乎没有任何影响。另外在铌电容器阳极氧化膜中存在的氧相低价铌氧化物和是导体和半导体造成潜在的漏电流途径。只有通过改善铌粉的电性能和使用特殊的铌电容器加工工艺介质氧化膜才能稳定从而制造出具有稳定电性能的电容器。铌在固体电解电容器中可有效代替钽因为铌轻、便宜尽管种金属在晶体结构和物理化学性质上很相似但钽、铌电解电容器的电性能是不同的铌电容器在寿命测试时其漏电流有增加的倾向最终导致其参数失效钽电容器的漏电流长时间内没有明显的变化但个别也有急剧增大偶尔发生一些灾难性的失效。铌电容器的频率特性和温度特性与钽电容器非常相似都优于铝电解电容器。铌电容器的一个重要特征是在寿命试验时着火情况少典型的情况是漏电流变大通常不会被击穿相反钽电容器的失效是击穿和短路严重时会造成电容器着火和燃烧。

铌电解电容器的选择铌/NbO电容器的研究方向是片式化、大容量、低ESR。从表10.5-34中我们可以看出，以铌粉为原料的MnO2型铌电容器的应用一般在10V以内的电压下；以NbO粉为原料的MnO2型铌电容器的应用一般在6 V以内的电压下。 2001年世界几大电容器制造商相继提供了固体电解质铌电容器样品，其综合性能与常规钽电容器接近，而优于铝电容器，价格远低于钽电容器。NEC公司开发出低ESR导电高分子聚合物铌电容器；Vishay公司开发出MnO2型铌电容器；AVX公司开发出低ESR MnO2型铌电容器并认为NbO电容器价格更低，更具有竞争力。铌电容器的形状、结构与片状钽电容器的行业标准尺寸一致，制作工艺基本相同。Vishay、NEC、AVX等公司的铌电容器已提供给用户进行评价，并得到认可和好评，有的公司已开始小批量生产供用户进行整机试验。几种电容器的性能比较见表10.5-34；铌电容器的典型形状和结构见图10.5-91。 铌和钽、铝一样，在其表面可以形成介电氧化膜。铌电容器的最大问题是热和电应力对介电氧化膜的破坏，造成DCL增大，电容器失效。铌/NbO电容器的恶化是由无定形介电氧化膜的晶化作用和阳极介电质表面脱氧反应造成的。这两种作用造成无定形介电质不能在热力学平衡状态和氧化膜基层中稳定存在，Ta-Ta2O5和Nb-Nb2O5不能形成热力学平衡。铌和钽电容器的动力学恶化过程和氧化膜基层的晶体结构完全不同，尤其是Nb2O5膜向金属铌扩散氧的速率远高于Ta2O5膜。研究表明，360℃/30min退火，Nb2O5膜50%溶解，但Ta2O5膜没有影响。Ta2O5膜达到类似的溶解率，温度必须高于480℃。NbO电容器与此有相同的结果。另外，在铌电容器阳极介电氧化膜中存在低氧相，如Nb/Nb2O5界面中的NbO和NbO2，以及Nb/MnO2界面中的Mn2O3和Mn3O4，MnO等。

低价铌氧化物NbO和NbO2是导体和半导体，它们部分存在于五氧化二铌氧化膜系统中，造成潜在的漏电流途径。通过改善原料铌粉和使用特殊的铌电容器生产工艺，介电氧化膜的恶化得到抑制，介电质-阳极界面得到稳定，并且制造出具有稳定电性能的铌电容器。 图10.5-93对铌，钽，铝，陶瓷电容器的电温度-容量特性进行了对比。从图中可以看到，由于铌与钽的化学相似性，铌电容器显示了与钽电容器相似的容量-温度特性。与钽类似，在-55℃到125℃之间，铌电容器的容量变化是±20%，而陶瓷电容器失去80%的标称容量。

图10.5-94 展示了各种电容器的电容量随偏压的变化。从图10.5-94a，图10.5-94b可以看出偏压增大电容量下降；偏压对湿式铌电容器的影响很大，对固体铌电容器的影响相对较小；进一步研究表明，偏压对大壳号铌电容器的影响较大，对小壳号铌电容器，电容量随偏压的变化与钽电容器类似。

随着电子电路的发展，微处理器和数字电路的应用要求更高的频率（100 kHz～10MHz），并且具有低ESR。据报道国外已开发出用于高频的铌电解电容器，其工作频率达到800 kHz。图10.5-95和图10.5-96比较了用铌氧化物、铌、钽、陶瓷和铝生产的100μF/6.3 V电容器的ESR和电容量随频率的变化。

铌电解电容器的市场图10.5-96中可以看出，铌和铌氧化物电容器的电容量—频率变化趋势曲线与钽电容器没有太大差别，而优于铝电容器；陶瓷电容器的电容量稳定性最好。图10.5-95展示电容器的等效串联电阻与频率的关系曲线，从该图中可以看出，铌和铌氧化物电容器的等效串联电阻与频率的关系曲线几乎与标准钽电容器一致，而优于铝电容器。通过进一步优化氧化膜，铌电容器的等效串联电阻将达到钽电容器的性能。 相对于钽电容器，铌电容器的一个重要特征是，在寿命测试时着火失效情况低。铌电容器中典型的失效情况是高漏电流。通常失效铌电容器不被击穿，它们的容量与完好电容器相当。相反，钽电容器典型的失效情况是击穿和短路，在低阻抗电路中，尤其是在大壳号电容器中，这种失效会造成电容器着火和燃烧。 铌电容器与钽电容器失效情况的不同与它们在寿命测试时的不同行为特征有关，见图10.5-97。从图可以看出，在失效铌电容器中，漏电流逐渐增大，而在失效钽电容器中，漏电流在一定时间保持稳定，然后急剧增大。显然，在铌电容器中漏电流的逐渐增加有助于修复电介质中的缺陷，使积聚能量逐渐散失到基片，在电介质被击穿前熔断电阻丝。在低阻抗电路中，钽电容器中漏电流的急剧增加，使得钽电容器难以实现铌电容器的这种作用。电介质击穿发生时，伴随着积聚能量的突然散失，局部温度急剧增加。在大壳号钽电容器中，积聚的能量高，散失的能量低，温度快速达到临界点，使钽电容器着火。图10.5-98和图10.5-99展示了Nb，NbO，Ta粉末的比热容和着火能。 在失效铌电容器中，漏电流的逐渐增加，伴随着活化能的降低，这种结果与铌电容器低的着火失效情况相一致。电介质中缺陷点的漏电流较高，造成局部温度增高；温度增高，漏电流变得更大，造成温度进一步增高，漏电流更是加速增大，最终导致在一定的直流电压下电介质击穿。 2.1.3 发展趋势 高质量、高比容的铌/NbO粉的快速发展，使得用高比容铌/NbO粉替代钽和铝作为电容器的阳极材料制造高比容铌电容器成为可能。铌电容器已经进入高比容电容器市场，它们具有与普通片式钽电容器类似的容量/电压范围，并且表现出与标准钽电容器类似的等效串联电阻特性。铌电容器价格低、性能稳定，可以替代部分低压钽、陶瓷、铝电容器。铌电容器不容易发生着火失效，为电路的安全提供了保障。铌电容器较高的漏电流，对于大部分的应用并不是问题，因为铌电容器的最大电流残留量远低于50μA。例如，在个人电脑（PC）中的应用，相对于微处理器的全部功率消耗，这一数值很小，没有太大影响。 寿命测试证实铌电容器的电容量是稳定的，漏电流随时间持续增加，但增长速率减弱并出现饱和状态，这是铌阳极氧化膜不稳定造成的。铌电容器的改进目标是避免低价氧化物的形成和稳定介电氧化膜。 随着电子电路和电子工业的发展，铌电容器必将作为一种新型电容器推向市场，开辟它的应用领域1。

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学