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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展，導致需求小型元器件、高集成度LSIC(高頻率、低電壓)電路，并且要求電路間歇性工作。這樣對于使用的電容器，提出一系列的新要求。特別是對于以小型化和大容量見長的鉭電容器,提出低等效串聯電阻(ESR)的新要求。
　　鉭電容器的新需求

　　需要低ESR解耦電容器　半導體電路急速向高速且低電壓方向發展，時鐘頻率日益增高，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，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　為了實現設備低功耗化，在設備里設置有停止時鐘的電路，一旦設備要進入休眠狀態，便利用停止時鐘電路，使開關電源停止工作，減少電力消耗。因此，電路將頻繁地改變接通/斷開的狀態，為此，開關電源電要具備相當快的響應速度，平滑波動電流的變化，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，由此其內部流通的電流變動非常大。為了消除大電流變動造成的干擾，也需要小型且大容量的低ESR鉭電容器。
　　鉭電容器的技術進展

　　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)技術的進步，鉭電容器也不斷地改進，由圓桶狀發展成片狀，并為了降低ESR，已將電解質由二氧化錳改用高分子聚合物。

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

　　通過長期研究發現,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的構成　一般燒結型的ESR由下列因素構成：1)RF:鉭氧化膜及其界面吸附分子的ESR;(2)Ro:分布參數電阻,如鉭電容陰極的電阻和鉭陽極體燒結氣孔形狀變化形成的電阻;(3)Rex:外表面固體電解質(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電阻R可用等式(1)表示:
　　R=Rf+Ro+Rex (1)

　　但鉭電容器等效串聯電阻R是頻率的函數,因此可改寫成:

　　R(ω)=Rr(ω)+Ro(ω)+Rex

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

　　首先,Ro是鉭電容器的陽極燒結體內氣孔的形狀、分布等參數電阻。以圖2為例,圖的右半部分是鉭電容器陽極燒結體氣孔構造模型,實際上也是個微型鉭電容,左半部分是它的等效電路。就是說,微型鉭電容是由各個鉭電容器單元并聯構成的。因此一旦鉭涂在Ta陽極燒結氣孔內的陰極材料層不均勻,凸凹不平,必然導致Ro增加。因此為削減Ro成份,優化鉭陽極燒結體工藝和改善高分子聚合物(陰極層)形成技術是十分重要的。例如NEC公司,重新調整鉭粉顆粒和燒結體密度,優化燒結體氣孔分布,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系列產品里,選用高導電平的聚丙烯高分子聚合物作陰極材料。而且,因為功能性高分子的性能受形成狀態左右,所以還應通過控制聚合反應,盡量降低電阻率。

　　對于圓柱型鉭電容器,其靜電容量開始急劇降低時的頻率(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) (4)

　　Ro=(Roo/ωCf)2/1×(1+tanδf)(高頻區) (5)

　　其中,ρ為電解質的電阻率,h為圓柱形鉭電容器的高度。

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

　　其次,降低Rex值,Rex和外表面的固體電解質層電阻,陰極層的連接電阻以及陰極材料的體電阻相關。一般情況下,可通過削減固體電解質/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,若鉭電容器產品形狀固定時,Rex和鉭陽極燒結體的表面積成反比,所以當陽極燒結體較大時,對降低ESR有利。

　　低ESR產品
　　現在,市場上已開始供應低ESR鉭電容器新產品,例如,NEC公司提供的PS/L系列B2Case鉭電容(3.5×8×9mm3),比老產品提高1倍電容量,ESR僅為原來的。舊產品最大電容量為47μF,新產品的電容量可達100μF,而且在10kHz～10MHz區域內的ESR值由原來的50mΩ下降到了25mΩ。
　　對于PS/L系列的DCase(7.3×3×8mm3)的鉭電容新產品,也實現了低ESR化。例如,在1kHz到10MHz區間里,新的鉭電容器產品的ESR之值處于25mΩ以下,特別在10kHz～10MHz區域內的ESR僅為10mΩ左右。

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