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[交流]
全钽全密封液体钽电解电容器
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介绍 液体钽电解电容器电性能比较优异，在所有电解电容器中，漏电流最小，单位体积的 CU 乘积（电容量和额定电压的乘积）最大，比同体积的其它电容器的电容量大 5 倍以上，因此广泛用于计算机、雷达、导弹、超音速飞机、自动控制装置等电子线路中。但液体钽电解电容器也因漏液、瞬时开路、电参数恶化与银离子迁移而引起失效。 随着电子电路功能提高和速度加快，对液体钽电解电容器提出了更高的要求。在这种情况下为满足军事和航空航天领域中的需要，全钽全密封液体钽电解电容器就应运而生，它不仅保持了液体钽电解电容器的优点，而且还克服了其缺点，具有性能稳定、承受纹波电流能力强，可靠性高等优点，被业界称为“永不失效”的电容器。 结构与性能特点 钽引出阴极 全钽液体钽电解电容器结构与普通银外壳液体钽电解电容器结构基本相同（见图 1），主要由烧结钽芯及其表面的 Ta2O5 介质氧化膜、电解质和金属外壳三部分构成，所不同的是全钽液体钽电解电容器是用钽外壳作为电容器的引出阴极，而普通液体钽电解电容器是用银外壳作为引出阴极。 液体钽电解电容器结构 当前CA30型和CAK35型液体钽电解电容器均采用高纯度银外壳作为电容器引出阴极，是电容器接入电路时的负极。但是当这种电容器加上反向电压或不对称纹波电流时，银质外壳的钽电解电容器会由于钽-银之间的电位差，产生“银离子迁移”的问题。在钽电解电容器上加反向电压或在外电路所加纹波电流不对称情况下，银外壳在酸性溶液作用下溶解出的银离子会逐步迁移，并沉淀在阳极介质表面，在介质膜层缺陷处形成导电通道，造成短路，引起漏电流剧增以至产品失效。为解决这个问题，美国于 1976 年研制了钽外壳的全钽全密封电解电容器，我国一些厂家目前也已研制了这类产品。全钽液体钽电解电容器能够避免银离子迁移，减小漏电流，提高了可靠性。 特殊的钽阴极有效表面积增大工艺 制造大容量钽电解电容器的关键是增大阴极的有效表面积。银外壳液体钽电解电容器，是通过与电解质接触的银外壳来引出钽电解电容器的阴极。液体钽电解电容器在工作过程中，在电解质溶液和银阴极表面存在双电层结构，所以在引出阴极上存在阴极电容量，增加阴极电容量能增加电容器总的电容量。通常是采用化学或者电化学腐蚀，在银外壳内壁沉积上一层海绵状的铂黑、钯黑之类的贵金属，增大阴极的有效表面积，达到增加阴极电容量的目的。成膜用的铂族元素最好用钯，因为它可以产生最大的电容量，从而可提供高效的大容量电容器。 而对于全钽全密封电解电容器，其阴极由钽金属制成，钽在空气中易被氧化，因此，用处理银阴极的方法来增大钽阴极的有效表面积是行不通的。钽阴极表面处理工艺通常如下：首先用少量的氢氟酸溶液（或二价锡盐、有机还原剂）处理钽阴极表面，除去阴极表面己形成的氧化物，提高其表面附着力，以便在其表面形成牢固的铂族金属膜，然后用化学沉积方法，在已除去氧化膜的钽阴极表面沉积第一层不连续的呈岛状结构的铂族金属膜。此后在惰性气体或真空环境中，对沉积的第一层金属膜进行热处理，使铂族金属与钽金属形成一层合金，以阻止钽金属在空气中被氧化。最后在第一层合金膜上用电镀或其它方法继续沉积第二层多孔状铂族金属膜，这层膜与第一层膜可以不是同一种金属。 全密封结构 液钽电解电容器尽管具有容量大等优点，但对于半密封结构产品，在工作过程中，曾因漏液失效而限制了其使用。漏液失效是在热应力、电应力条件下电容器内部气体压力增大到一定值后，密封较差的电容器气体夹杂着部分工作电解液从缝隙中漏出的一种失效现象，其原因是电容器密封不好造成的。在漏液问题没得到很好解决之前，过去某个时期曾规定，卫星上的电子设备不用液体钽电解电容器。这是因为液体钽电解电容器中有酸性液体，可以导电和有腐蚀性，在天上高真空和失重条件下会泄漏，一旦流到印制板上将使线路短路，使卫星出现严重故障，从而造成巨大的经济损失和不良的影响。 液体钽电解电容器的密封结构可以分为半密封液体钽电解电容器（CA30）和全密封液体钽电解电容器（CAK35），如图2 (a)、(b)所示。 液体钽电解电容器密封结构图 现在，液体钽电解电容器采用全密封结构，解决了漏液问题。经高真空条件下的冷浸和热浸试验，很少发现漏液现象。对于全密封结构钽电解电容器，是将阳极钽块上的钽丝穿过套有橡皮环的聚四氟乙烯上垫片，然后把钽芯用聚四氟乙烯下垫片固定，装配到注有凝胶电解质的银外壳之中。 较强耐振动冲击性能 液体钽电解电容器产生瞬时开路失效的原因在于：电容器壳内的液体不能将钽块固定，另一端的钽丝被绝缘子固定住，钽块与钽丝成为一个悬臂，因此振动时，离心力使电解液在电容器壳内作相应运动，当钽块短或电解液数量不足时，离心力可能使钽块与工作电解液瞬时脱离，造成电容器开路。因此钽块长度设计适当，保持充足的工作电解液，或改用凝胶工作电解质，都可减少瞬时开路的可能性。为防止钽块振动，目前设计了防振垫圈固定住钽块，有效克服了瞬时开路。全密封钽电解电容器在密封性能、抗冲击振动性能和长期使用可靠性等方面都要优于半密封液体钽电解电容器。 电参数性能保持 液体钽电解电容器在长期使用时，常出现电容量急剧下降和损耗角正切值显著增大的失效现象。这是一种渐变失效，是因电容器中工作电解液不断消耗而引起。当密封性能不佳时，在贮存条件下电解液中的水分通过密封橡胶垫向外扩散，在工作条件下水分产生电化学离解，均可使水分逐渐减少，电解液逐渐变稠，黏度逐渐增大，电解液等效串联电阻增加，与阳极氧化膜的接触性能变差，从而使电容量下降，损耗增大。 此外，工作电解质的性能对保持液体钽电解电容器的电参数性能具有重要的影响。工作电解质是钽电解电容器的实际阴极，它与阳极基体表面的 Ta2O5介质氧化膜以及银或钽外壳内壁充分接触，在电容器工作过程中引出电容量，并且它能够在电容器老练和使用过程中，对存在缺陷的阳极氧化膜进行修补。经形成工艺形成的介质氧化膜是耐电场强度很高的绝缘物质，但它不是完美无缺的，其表面上存在着各种极其微小的疵点、空洞等缺陷，所以电容器必须经过老练进行介质膜层的修补。在老练过程中，缺陷处电流密度较大，刚开始时漏电流较大，但在电化学作用下，工作电解质与钽金属发生化学反应生成 Ta2O5，修补了缺陷，使得介质膜层更为连续，厚度更为均匀，漏电流随老练时间的延长而逐渐降低。同样，在电容器工作过程中，当电容器两端加上电压后，具有强氧化能力的工作电解质将会时刻对损伤的介质膜进行修补。由此可见，工作电解质的性能将直接影响钽电解电容器的可靠性以及容量、损耗、漏电流和 Res等电性能。 结语 全钽全密封液体钽电解电容器克服了漏液、瞬时开路、电参数恶化与银离子迁移等原因而引起的失效，因此具有性能稳定、承受纹波电流能力强、可靠性高等优点，被业界称为“永不失效”的电容器，是各国航空航天等高可靠电子设备的首选配套产品，同时也代表着我国钽电解电容器产品的最高水平。 |
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