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钽电容器发展新趋势

发表时间:2019-11-09 18:55

电容器的不断发展,满足着日益增长的高性能设备的新需求
     

    20年前,人们对诸如电视、录像机等家用电器的需求,使陶瓷电容器的容量通过铝电解设备增大了几个微法(μF),达到10μF以上。现在的电子设备如移动电话、笔记本电脑、掌上电脑等,均需要能进行高速处理的高密度元件。这些新需求的出现,推动着大容量电容器方面的新发展。


钽电容器VS. 铝电解电容器
  铝电解电容器因成本低,以及采用湿电解方案令其对高温敏感的特点,一直得到广泛的应用。但是,铝电解电容器在结构上不能很好地实现小型化,要使其转向节省空间的SMT封装非常困难。与之相比,钽电容器则在实现小型化和SMT封装方面均颇具优势。但令人稍有遗憾的是,钽是一种价格昂贵的元素,制作大容量钽电容器需要大量的钽,使钽电容器的成本增高,使之与铝电解电容器的在价格上的竞争产生了一定的困难。

  经过最近几十年的发展,钽电容器的体积已大大缩小,在相同的容量条件下,其体积已减小到铝电解电容器的 1/50,减少了钽的用量,降低了成本。

  钽电容器不但具有体积小、易于SMT封装的优点,而且没有用到液体,使其具有耐高温的性能。此外,在高频条件下,钽电容器的性能远优于铝电解电容器。在10~100μF的容量范围内,钽电容器正在快速地取代铝电解电容器。


高频特性
  半导体行业的发展速度日益增长,切换操作频率已由1GHz提高到了 2.2 GHz。在1GHz的频率下,电压电平必须在1ns的时间内从0V转换到所需的电压,才能满足半导体元器件正常操作的需要。现今的电子设备的供电电压逐渐减小,已下降到1~3V范围内,同时也要求转换电路能将来自高压源的高电压转换到所需电压。现存的最快的电源电路的操作时间需要10μs, 因此,即使用最快的电源电路,在半导体器件的开关时间内,也不能满足半导体器件的供电需求,这将使半导体器件的整体性能受到一定的影响。实际上,电源的开关响应时间与元器件所要求时间不一致的现象,被认为是引起噪声的主要原因。大量的实验证明,电子设备中大约90%的噪声是由这种问题引起的。

  钽电容器能有效地解决诸如上述电源开关响应时间与元器件要求不协调的问题,使其需求量处于增长的趋势。将来对电容器的要求,除了要具有大容量、低内阻外,还要求其能在需要的场合进行快速放电。


低电阻电容器
  钽电容器(见图1)主要是由钽丝构成的。在1000℃的真空条件下,将一个由钽粉末制成的矩形钽框烧结在钽丝的周围。钽粉末粒子的大小为0.3μm,这些粒子形成固态多孔材料,孔的大小为1μm,孔使矩形钽框的表面积增大,增大了电容器的容量。将该元件浸入到特定的液体中,可在矩形钽框的表面形成绝缘氧化层Ta2O5,该绝缘氧化层作为电容器的介电层,而绝缘层下的钽作为电容器的阳极。电容器的阴极用二氧化锰,通常是将矩形钽框浸入到液态锰酸盐中获得。但是用这种方法制作电容器的阴极,将使电容器内阻的减小受到一定的限制。为弥补这个不足,美国一科学家已开发出了用一种导电聚合物作为阴极的方案,摆脱了在减小电容器内阻方面的束缚,为此,该人获得了2000年诺贝尔化学奖。

  钽电容器具有大容量、低内阻、外观小的特点,适应了目前电子技术自动化和小型化发展的需要,其新一代的一个代表性产品是NEC公司的Neo Capacitor。钽电容器不仅在军事通信、航天等领域广泛使用,而且使用范围还在向工业控制,影视设备、通信仪表等产品中大量拓展。


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