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火把电子钽电容器运用手艺阐明-3983.com-澳门金沙@55网址

2016-12-23

 文丨火把电子 钽电容器事业部



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钽电容器是由纯钽金属粉末制造的,金属钽粉典范的粒子半径正在2到10μm之间。

钽粉经肯定压力压抑正在钽丝(也叫正极引出线)四周构成“钽块”。随后正在高温(一样平常为1200-2000℃)下停止真空烧结,使钽块成为有肯定机器强度的多闲暇构造体,同时也烧掉钽粉内的多半杂质。正在烧结时期,钽粉酿成相似海绵体构造,一切颗粒以有限的格子金属架体式格局相互联络在一起。这类构造有很高的机器强度和密度,同时也具有多孔性,因而,内部有很大的表面积。表面积越大,电容器的容量也能够越大。因而,较下CV/g(每克钽粉容量电压乘积)值的钽粉能够用来制造较大容量的钽电容器。

经由过程挑选不同比表面积的钽粉和烧结温度,能够消费种种额定容量/电压的产物。上面以一个220μF/6V电容器的设想为例阐明这一点:

     C=(εoεr A)/d     

εo是真空中的介质常数(8.855×10-12 法拉/米)
εr 是五氧化二钽的相对介质常数 =27×10-12法拉/米
d 是金属中介质的厚度
C 是电容量,单元法拉
A 是表面积,单元是米


从新布置等式:

     A=Cd/εoεr     

因而一个220μF 6V 电容器,其表面积是346平方厘米,相当于一张半A4纸那样大。

经由过程对阳极停止电化学工艺处置惩罚,正在全部钽外面构成具有单向导电性的电介质层。

介质层的厚度经由过程构成(赋能)历程中施加的直流电压停止准确掌握,正在弱酸性的电解质溶液中停止电化学处置惩罚。最后,连结电流稳定,电压络续降低,到达设想的介质厚度(即电压到达“赋能”电压),然后转换为恒压,直到电流衰减靠近为零时完毕。上面的电化学方程式引见该历程:

钽阳极:        2Ta→2Ta5++10e-
                      2Ta5++ 10 OH- →Ta2O5 + 5H2O

阴极:           10H2O + 10e- → 5H2 + 10 OH-

正在钽的外面构成氧化层时,氧化层也背介质界面内的钽金属内部发展,每施加1V直流电压能够天生厚度为16埃的五氧化二钽(Ta2O5 )介质层,个中有2/3厚度的氧化物正在界面内部发展,1/3背界面内部发展。由于这个缘由,如今的钽粉生产技术限定了钽电容器的最高额定电压的进步;当构成电压过高时,钽粉的比表面积会因而大幅度下落,致使钽电容器的介质层构成电压遭到严厉限定。

举一个220μF 6V电容器为例,正在下电场强度下介质的工作情况:

赋能电压   = 构成电压比率 × 事情电压
= 3.5 × 6
= 21 V
正在比率为 1.7×10-9m/V条件下,五氧化二钽 (Ta2O5)介质天生状况:
介质厚度 (d) =21×1.7×10-9
=0.036μm
电场强度=事情电压/d
=167KV/mm

浅显天讲,每毫米厚度的五氧化二钽(Ta2O5)介质层,理论上能够蒙受167KV的电场强度。那就是钽电容器能够具有异常下的体积容量比的根本原因;很薄的介质层便能够蒙受异常下的场强。


下一步是阴极制造。

固体钽电容器的阴极有两种;一类是电子电导型的二氧化锰半导体,它是经由过程将硝酸锰正在150-400℃的高温下剖析为二氧化锰实现的。把曾经构成电介质层的“钽块”浸入硝酸锰水溶液中,然后正在约莫250℃的加热炉中热剖析,把天生的二氧化锰涂层堆积到电容器的电介质层上成为电容器的阴极。化学方程式以下:

     Mn(NO3)2→MnO2 + 2NO2-       

此历程经由过程转变硝酸锰的差别浓度和剖析速度及压力,反复屡次后,正在“钽块”的内部和内部竖立肯定厚度的二氧化锰涂层。然后将“钽块”浸入石墨和银浆中,经由过程正在阴极外面堆积一层导电性优越的碳层来使之取二氧化锰阴极有优越的打仗。然后正在碳上涂上导电质料银过渡层,使之轻易取阴极端电极衔接。最初停止阻燃性的环氧树脂包封来知足种种范例和客户的要求。

基于电子整机技术进步需求,固体钽电容器借能够运用导电性优越的高分子材料做阴极。现在我公司运用的是热稳定性最好的散噻吩做钽电容器的阴极。此类钽电容器,因为运用了电阻率靠近导体的高分子材料做阴极,因而,钽电容器的等效串连电阻ESR能够获得成倍,以至数量级的低落,从根本上改动了钽电容器的滤波特性和毛病形式,安全性更相符用户的希冀。并且可靠性更高。

关于高能复合钽电容器,其阴极为固液联合的体式格局为钽电容用具有更高的体积容量比发明了前提,同时其阻抗更低,具有更高的可靠性。




火把片式钽电容器的构造示意图以下:

阳极:钽粉和钽丝 (Ta)
引线珍爱:垫圈 (聚四氟乙烯)
介质:五氧化二钽 (Ta2O5)
阴极:二氧化锰 (MnO2)     散噻吩
对应电极:碳 (C)    防潮物 (硅基材料)    银浆 (Ag)
装配:银胶 (Ag)
引线框架:根蒂根基金属合金 752 (65%Cu/18%Ni/17%Zn)    断绝    铜层(Cu)    外面焊料 (90%Sn/10%Pb)
包启质料:热固型阻燃环氧树脂
包装:塑料载带(聚碳酸酯)     塑料上带 (聚酯)     塑料卷盘 (聚苯乙烯)

 

无铅引线框架质料身分:无铅引线框架是铜 (Cu)基合金或铁镍合金,有薄的镍断绝层 (Ni) 外镀100% 锡 (Sn) 。


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ESR和纹波电流之间的干系和纹波电流对电路设计的重要性:
固体钽电容器可平安蒙受的最大纹波电流(I rms)取决于电容器本身阻抗的巨细和本身体积,当自有阻抗ESR较低时,正在散热前提一准时,钽电容器能够耐受更高的纹波电流。由于下的AC旌旗灯号(纹波电流)会使电阻肯定的元件温度上升。但雷同容量的片式钽电容器能够同时具有两到三个形状体积差异很大的壳号,因为大壳号产物的散热表面积大,因而,正在容量一准时,挑选壳号更大的产物,可靠性将更高,由于它能够耐受更大的纹波电流。

固然,相符此要求的条件时电路安装面积充足。正在安装面积和空间充足时,挑选壳号大的片式钽电容器更相符可靠性设想要求。

基于上述缘由,ESR越小,蒙受纹波电流的才能越大。因而,越低ESR的产物具有耐更高纹波电流才能,使电容器能够蒙受下的纹波电流而不过热生效。

钽电容器的自愈特性:
当一个电容器正在正向偏置时,经由过程毛病点的泄电流会致使部分发烧,这类热会将四周的MnO2转换为一种电阻率更高的氧化物Mn2O3。这类新的氧化物有效地壅塞介质毛病点电流经由过程,低落了经由过程毛病点的电流巨细。那就是“自愈”特性,那是钽电容器要害的特性。然则,这类所谓的自愈只是存在于很小的局限,当电容器的泄电流过大,自愈征象异常有限,电容器的可靠性仍旧会大幅度下落。因而,具有更低的直流泄电流是决意钽电容器可靠性的最要害参数。

钽电容器的生存限日:
钽金属被用来消费电容器,一方面是由于它的电介质层具有单向导电性。借由于钽金属险些具有金属中最强的耐酸侵蚀才能,因而,其化学稳定性异常下,此点能够包管钽电容器正在很少的生存限日内电气特性和可靠性不会升级。固体钽电容器不会象液体铝电解电容器那样由于“漏液”而丧失容量,由于侵蚀而致使击穿。便电气特性而言,正在不思索引线正在长时间下的氧化题目时,其保存期能够以为是有限的。

钽电容器发起的贮存前提:
因为钽电容器的可焊性受湿度和别的情况前提影响,以是应贮存正在-5℃—+40℃,湿度为40到60%RH的房间。包装好的产物我们会运用真空封装,以防备四周有腐蚀性的气体或液体致使钽电容器的引线氧化。

当贮存期过长时,起首要磨练的是由于引线氧化形成可焊性是不是借可以或许知足焊接强度要求。

关于正在一般条件下袒露工夫过长,曾经严峻吸潮的产物,纵然经由种种测试挑选,也必需对电容器停止125度/4-8小时的再次烘干才气停止焊接。不然,极易泛起焊接不良和外壳泛起裂纹的征象。请用户务必注重,适宜的寄存前提对电容器运用的可靠性一样会发生显着影响。


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—— 1 ——
可靠性

 
固体钽电容器的可靠性受情况前提的影响很大。比方:温度、湿度、打击、振动、机器应力和电场强度,包孕运用电压、纹波电流、霎时电流和电压和频次。 当运用固体钽电容器时,要为电容器供应充足的可靠性设想余量。

正在评价可靠性(现场故障率)时,电压和温度是主要参数。

若是只夸大温度和电压,固体钽电容器的现场故障率能够从上面的表达式上钩算出来:

     λ=λ0(V/V0)3×2(T-T0)/10       

这里:
λ:    现实事情条件下预计的故障率。
温度: T
电压: V
λ0:   额定负载下的故障率。(1% /1000h)
温度:T0
电压: V0
测试前提:
温度: 85 ℃
电压: 额定电压
Rs: 3Ω

 

—— 2 ——
纹波电流和纹波电压

 

若是正在电容器上施加纹波电流,根据焦耳楞次定律,会正在电容器内会发生焦耳热(功率消耗),因而会影响电容器的可靠性。

2.1.功率消耗
电容器中现实的功率消耗能够应用上面的公式盘算:

     P=I2 × ESR……………….公式 1     

这里:
P:    功率消耗 (瓦特)
I:     纹波电流 (安倍)
ESR:  等效串连电阻 (Ω)

表 1 额定的功率消耗

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2.2.纹波电流
应用表1中的最大功率消耗,能够应用上面的公式盘算片式钽电容器能够平安蒙受的最大交换纹波电流(Arms):

图表8.png

这里:
K:      温度降额因子….表 2
F:      频次降额因子……表 3
ESR:  参考额定值

表 2:  温度降额因子K

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表 3: 频次降额因子F

图表10.jpg

纹波电压E应用公式3盘算:

     E=Z×I………………………….. 公式3    

这里:
E:     纹波电压
Z:     详细频次下的阻抗

2.3.纹波电压
施加到电容器上的纹波电压受三个尺度的限定:

(a)   电容器中ESR的功率消耗不超过表1中恰当的值。
(b)   直流电压和纹波电压的峰值之和不超过额定电压。
(c)   直流电压和纹波电压的背峰值之和不超过许可的反向电压。


—— 3 ——
反向电压


因为固体钽电容器是有极性的,不克不及施加反向电压。 若是反向电压不可避免,施加的工夫必需要短,而且不能超过上面的值:

25℃…….最大为额定电压的10%或 1V,取小者。
85℃……. 最大为额定电压的5%或 0.5V,取小者。
125℃……. 最大为额定电压的1%或 0.1V,取小者。

纵然正在上述限定下,钽电容器由于属于极性电容器,因而不克不及一连运用正在反向电压形式。

 

—— 4 ——
运用电压


(1)  关于一样平常运用前提,关于二氧化锰阴极的钽电容器,运用电压不能超过额定电压的50% 或更小才气包管根基可靠性。关于高分子阴极的钽电容器,运用电压不能超过额定电压的90% 或更小就能包管根基可靠性。

(2)  当二氧化锰阴极的钽电容器用正在电源或低阻抗电路中时,运用电压应正在额定电压的30%内(最大为50%.),以制止浪涌电流的晦气影响。高分子钽电容器运用电压能够到达额定电压的80%仍旧能够具有下可靠性。

(3)  固液联合阴极的高能复合钽电容器的最高运用电压不克不及高于额定电压的70%。

(4)  温度正在85℃或以上时要降额运用
当片式钽电容器用正在85℃或以上温度时, 从上面的表达式中盘算削减的电压UT,然则,注重四周温度不超过 125℃。

     UT=(UR-UC)(T-85)/40     

这里:
UR:  额定电压 (V)
UC:  125℃时的降额电压
T:  周围环境温度 (℃)

—— 5 ——
珍爱电路


正在有霎时大电流(开关电路、充电/放电电路等)经由过程的电路中,取电容器串连的电阻最少为3Ω/V ,如许能够进步钽电容器的可靠性。若是电容器运用正在低阻抗电路中,比方电源电路滤波,电路回路电阻较小时,为防备开关霎时尖峰脉冲对电容器可靠性的致命损坏,正在电源的输入局部,必需接纳硬启动珍爱方可包管可靠性。推荐的硬起动电路以下:

图表11.png

此电路也叫积分电路或延时电路,它能够显着抑止低阻抗电路开关的霎时发生的尖峰电压和尖峰电流对产物的破坏性打击。可大幅度进步电源电路设计的可靠性。


—— 6 ——
发作短路的状况时


可以或许致使钽电容器发作断路的毛病缘由以下:
6.1.事情电压降额不敷:
运用正在存在霎时大电压大电流脉冲的开关电源电路,二氧化锰做阴极的钽电容器必需降额到1/3额定电压下运用,高分子阴极的钽电容器和氧化铌电容器才能够只降额到额定电压80%下运用。

6.2.电容器容量取输入输出电流不婚配,致使输入或输出电流过载。

6.3.电容器范例和阻抗品级挑选不合适,交换纹波过高致使热击穿。

6.4.工作温度凌驾允许值时没有运用更大的降额。

6.5.不合适的焊接要领致使电容器机能遭到损坏。

6.6.毛病的测试要领:
二氧化锰钽电容器正在短路时会发烧、并能够爆炸和熄灭。那取决于于霎时经由过程电流的巨细、经由过程工夫等身分。

当设想电路时,应当根据差别阴极范例的钽电容器的差别要求,供应尽量多的降额余地,能够连结钽电容器的可靠性到达设想要求或更高。

钽电容器运用电压取额定电压及电路阻抗干系睹下图:

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上图中推荐的差别电路运用的降额幅度只适合于阴极为二氧化锰的片式钽电容器,关于高分子片式钽电容器,纵然是低阻抗的滤波电路,仍旧只需求降额20%便能够包管充足的可靠性。

关于高能钽电容器,最少要降额30%以上才能够包管充足的可靠性。


—— 7 ——
钽电容器的串并联运用

正在串连状况下,其耐压为单只电容器的两倍,容量为单只容量的1/2,阻抗为单只电容器的两倍。

正在并联状况下,其耐压稳定,总阻抗为并联只数N的1/N.容量为单只容量的N倍。

无论是串连照样并联运用,必需注重单只电容器的现实参数偏向必需正在尽量小的局限,不然组合运用的电容器的可靠性会显着取实际设想值泛起较大偏向,不克不及到达电路的可靠性设想要求。


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关于大容量的固体片式钽电容器和高能钽电容器,许多时刻能够间接看成二级或次级瞬时电源去运用,此时,设计师必需注重电容器电容量和放电事情电压及保持工夫怎样盘算;
设电路一般事情时的输入功率为P,储能电容的容量为C,其两头的电压为U1,则电容贮存的能量为:

     W1=C(U12)/2     

当输入电源掉电后,经由工夫t, 电容两头的电压为U2,此时电容盈余的能量为:

     W2=C(U22)/2     

正在那一历程中储能电容开释的能量:

     W=W1-W2=C(U12-U22)/2     

它应当即是电路保持一般事情所需的能量:-3983.com

      W=Pt(即输入功率乘以工夫)     

以是有:

     C(U12-U22)/2=Pt     

由此便能够获得电路保持工夫t所需的最小电容量为:

     C=2Pt/(U12-U22     

正在现实运用中,U2是电路可以或许一般事情的最低输入电压。
举例:
若电路一般事情时的输入电压为28V(U1),输入功率为30W(P),可以或许一般事情的最低输入电压为18V(U2),要求输入电源掉电50毫秒(t)时电路仍旧可以或许事情,则所需储能电容的最小的电容量为:

C=2 Pt/(U12-U22
  =2×30×50/(282-182)
  =3000/(784-324)
  =6.522mF=6522uF

一个运用正在电源电路前端的储能电容器,输入电压是50V,当短电后,电容器最先为后续电路供应能量,正在供应能量75W时,必需连结电压不低于18V,请盘算需求的电容量。
此电路借需求一个正确的回路电阻。回路电阻巨细决意需求的电容器的容量巨细。
此电路中各参数机能的换算公式以下

     C=R×Pt×T/(U1-U2)    

式中:
C:需求的电容量
R:回路总电阻
Pt:回路需求连结的功率
T:回路功率连结工夫
U1:输入电压
U2:可以或许连结肯定功率和放电工夫的电压


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1、 运用波峰焊接或浸焊时,要记着以下几点:
(a)   运用暂时流动树脂
因为片式钽电容器体积和重量比片式多层陶瓷电容器和片式电阻更大,因而,流动它便需求更大的力,运用波峰焊和双面焊接时,需求别的的树脂去暂时流动电容器后再停止波峰焊接。不然,活动的高温液体金属锡很容易形成钽电容器安装位置发作偏移,致使短路以至焊接不良。然则,若是树脂用得太多,树脂粘到印刷电路板的焊盘上会对可焊性发生不良影响。

(b)  焊盘尺寸 ( mm )

图表13.jpg

上述尺寸仅供参考。若是电容器焊盘安装尺寸太小,可焊性会变差,焊接强度会低落。

(c)   温度和工夫
连结峰值温度和工夫鄙人里的数值内:

焊接温度: 最大260℃
工夫:最大5 秒

然则,只要有可能,要正在腻滑的温度曲线条件下停止预热(最高温度为 150℃) 。为了连结可靠性,只管正在较低温度和较短时间内焊接终了。

(d)  元件的结构
若是正在印刷电路板上有多种范例的片式元件高密度组装,不克不及接纳波峰焊接,由于波峰焊接轻易泛起元件焊接后的微量位移,有可能致使短路。此时应当接纳载流焊接。
助焊剂:接纳的助焊剂不克不及运用强酸性或强碱性助焊剂,以避免形成元件引线和电路板侵蚀。.

2.回流焊【载流焊】
当接纳回流焊或热板焊时要记着上面几点:
温度和工夫——
连结峰值温度和工夫正在以下数值范围内:
焊接温度: 最大260℃
工夫:  最大10秒

只要有可能,要正在腻滑的温度曲线下停止预热。(最高 150℃) 为了连结电容器的可靠性,只管将电容器正在高温和短时间内焊接终了。 上面所示的峰值温度和工夫是正在焊接炉或热板焊时的参考数据。当接纳红外回流焊时,必需注重电容器内部的温度会凌驾其表面温度,有可能致使电容器机能遭到破坏。

正在焊接体式格局能够挑选时,我们发起尽量运用载流焊接。果为此焊接体式格局对元件的温度打击较陡峭,对元件机能影响最小。特别是高密度组装的电路板,必需接纳载流焊接。适宜的载流焊接温度曲线睹说明书。

3.用烙铁停止手工焊接

若是必需接纳手工烙铁焊接时,要严格控制烙铁尖的温度。发起接纳上面的温度和工夫去包管电容器的可靠性不会遭到过高温度打击和过长加热工夫损坏。
烙铁温度:最大300℃
工夫:最大3 秒
烙铁功率 :最大 30 W

能够的状况下,尽量接纳防静电的陶瓷电烙铁。同时,必需注重以下原则:

(a) 严厉制止间接运用烙铁头加热元件基体。由于过于凶猛的温度打击会致使元件内部微观物理构造收到损坏,从而致使元件机能泛起不测题目。

(b) 必需运用焊膏对焊盘预先印刷,焊膏厚度应当正在0.15-0.20毫米之间。

(c) 必需运用电路板加热台对粘接好的元件停止125-150℃/5分钟以上的预热,包管元件基体温度尽量靠近焊膏熔化点。

(d) 烙铁头停止焊接加热的位置应该是焊盘,而不是元件基体。

4.  片式钽电容器的有铅焊接和无铅焊接:
关于露铅产物,最高焊接温度能够正在220℃-230℃之间,焊接工夫不能超过5秒。

关于有明白环境保护要求的用户,则必需运用无铅产物。最高焊接温度正在250-260℃之间,焊接工夫小于5秒。

关于电路板上即存在无铅元件,又存在露铅元件的征象,能够运用露铅的焊膏,运用230℃/5-10秒的焊接前提能够统筹两种产物的焊接强度要求可以或许到达尺度值。

5.差别壳号片式钽电容器的焊接体式格局挑选:
我公司消费的片式钽电容器共有9个壳号;A,B,C,D,E,F,Y,H,Z。详细尺寸以下:

图表14.jpg

因为差别壳号产物的体积差异较大,因而,差别壳号的产物具稀有倍以上的表面积差异,因而,差别壳号产物的重量也差异较大。差别壳号的产物热容量因而也差异很大。

关于体积较小的A,B,C,D,壳而言,最适宜的焊接体式格局是接纳SMD机停止主动贴装后,停止主动的载流焊接。关于体积较大的E,F,Y壳而言,因为体积更大的芯组的热膨胀量宏大于小壳号产物,因而,若是停止主动揭片的载流焊接,热容量也更大的大体积产物极易泛起冷焊征象,同时,因为外包启层属于环氧基的有机物,正在受热状况下其体积反而会膨胀,因而,大体积钽电容器正在停止载流焊接时,因为芯组的收缩量较大,极易泛起外包启壳体泛起裂纹的征象。

出于上述根基的物理缘由,体积较大的片式钽电容器必需运用手工焊接。详细的焊接要领睹九.(3)条“用烙铁停止手工焊接”的具体要求。

6.洗濯
一般情况下,有几种有机溶剂能够用做元件焊接今后的洗濯。洗濯要领能够运用浸渍洗濯、冲刷、洗擦、淋洗、蒸气洗等。能够接纳零丁的洗濯要领,也能够两种或多种要领组合运用。注重有机溶剂的温度会随室温转变而致使洗濯结果泛起差别。然则,过火夸大洗濯感化,元件上的标识能够被浑洗掉,元件的表面也会遭到损坏。因而特发起钽电容器鄙人里的条件下洗濯:

(1)洗濯溶剂:酒精水溶液
(2) 洗濯要领:淋洗、冲刷、蒸气洗
(3)洗濯工夫:最大5分钟

因为超声波洗濯会损坏元件金属衔接较细的部位,致使元件机能遭到损坏,因而,正在停止片式钽电容器的焊接时,我们不发起运用超声波停止焊接后的洗濯。

对浑洗剂的挑选请注重,强酸性或强碱性的溶剂皆不克不及运用。对情况及人体有风险的浑洗剂请稳重运用。-澳门金沙@55网址

别的,若是可以或许挑选免洗濯助焊剂停止焊接,对进步焊接质量和速度皆更适宜。

7. 焊接强度:
各壳号产物底部抗拉强度和侧面剪切强度见下表[最小值]:

图表15.jpg



备注;只管钽电容用具有某些凸起的优秀特性,但这些特性的一般表现不但有赖于钽电容器自己的机能,借取运用前提是不是公道有直接关系。因而,请设计师正在挑选本公司的钽电容器时,卖力浏览本使用说明,包管电路参数设想和电容器的性能参数可以或许公道婚配。关于超越运用前提允许形成的质量事故,本公司没法负担响应的法律和经济义务。