高耐壓低ESR鉭電容
電源供應和網絡應用要求更高電壓范圍的鉭電容器，而ESR水平越小越好。本文介紹一種基于復合電極設計的新技術，可將25V 和35V元件的的ESR降低到目前的低水平。為更新技術水平，必須對電極的設計，燒結工藝，電成型和錳處理都必須作出相應的改進。另外采用了特殊的電成型工藝以提高高壓下的擊穿電阻。
影響鉭電容特點的電極形狀
鉭電容器技術具有許多優點，非常適合使用于DC/DC 繼電器，電源供應的過濾和其它應用方面。最重要的特點如下：
- ESR低且穩定
- 高頻下的高電容量保持能力
- 低故障率
- 電壓范圍廣
- 抗浪涌耐度好
- 環境耐度好(濕度/溫度)
- 低成本
對以上特點影響最大的參數是電極的形狀。鉭電容器電極的表面積，特別表面積與體積之比決定其ESR值，表面積越大，ESR越低.
圖1. 電解設計截面圖
因為成品和效率的原因，電容器標準設計一般都采用單電極(圖1a)。復合（多）電極(圖1b) 提供最低的ESR。笛型電極設計(圖1c) 是單電極和復合電極之間的折衷設計：即要考慮到低ESR要求；又要考慮到 生產成本。
帶傳統的MnO第二電極系統的復合電極設計與新出現的聚合物復合電極電容器相比具有幾點優勢，如“真正”無鉛回流能力, 在濕載下的良好的穩定性，和電容器的高電壓潛力。特別是在高電壓領域，如25 至50V 多電極鉭設計，可以提供最低的工業ESR和幫助電子設計師開發小型高效的電源供應系列產品。然而有一些技術局限使這些元件的準備具有難度。本文介紹的技術使AVX公司能夠使25V-35V電容器達到最低的ESR水平，并具有開發50V鉭SMD復合電極電容器的潛力。
高電壓復合電極電容器
開發成果推出了新型品類的低ESR高電壓鉭電容器。E 殼體33uF 35 V 復合電極電容器 頻率特點- 見圖2. 在100 kHz的ESR 值約為40mOhms. 但取得方式不是直接的。
圖2. ESR vs頻率，E 33uF/35V 復合電極鉭電容器
鉭電容電極的壓制和燒結工藝
需要將電極芯體在極高的燒結溫度下進行燒結，以制成有具有足夠強度的內粒連頸的高壓部件。如連頸的厚度不夠，則在介質層形成時會斷接或變得太薄而影響部件的穩定性。
然而這樣的高溫連頸形成伴隨著鉭芯體的大規模收縮。當電極芯體的結構不均勻或不統一時，會產生收縮，然后變形（見圖3）。這樣的電極自然不適合用于電極的復合組裝。
圖3. 燒結后不合格的電極形態
為解決這一問題，我們采用了一種特殊的鉭粉粘合材料，使鉭粉的混合得以優化。并采用側壓制方法以取得沿電極縱長的均勻壓制效果。燒結工序也要進行改進，以減少非線性受損。最后電極生產質量獲得改進，達到了隨后復合組裝要求(圖4)。
圖4. 燒結后電極芯體的合格形態
介質層的電成型
介質層電成型是鉭電容器生產的最重要工序。鉭五氧化物被電成型處理為非晶體水合玻璃。
然而，在燒結沉淀后，在鉭表面上總會出現一些氧化產生的籽晶。介質水晶層的形成依賴于溫度和時間。因此首次成型的熱控制對于電極的長期穩定性至關重要。
由于電極在錳處理工序經過熱沖擊，其還要經過再次成型處理。因此電成型通常被高溫焙烤所干擾。但除了機械性緩和和介質層破壞(由于Ta 和Ta2O5的不同的熱脹率)，在該工序中介質層還會發生脫水現象。 這是一種嚴重情況，因其會造成氧空位狀態從而會參與介質層電擊穿。該空位必須通過化學過程由氧施體進行中合。介質層越厚，該問題越嚴重。
在所有電容器的所有最終結構中，電極的外層表面和邊棱是承受最多電沖擊的區域。進入電極的所有電荷在表面發生分流。因此，當電擊穿發生時，經常發生在表面。低額定的電壓代碼用來保護外層表面：即所謂的“殼結構”，即介質層厚度只在外表面明顯地增加。
所以高額定電壓代碼如E 33uF/35V (見圖5) 的“殼結構”研制是另一重要步驟。當使用傳統殼成型方法時，生成顏色(光在介質薄膜上的衍射結果)由于在電極殼成型時電壓的下降而不均勻。然而外介質層與125–130 V成型電壓相對應，例如與“非殼機構”104 V成型相對比。這意味著表面介質層電場強度由190 kV/mm 降到150 kV/mm. 經過進一步的機械性及化學改進，取得外介質層顏色的均勻效果，并能夠對應更高的電壓（例如：140 V）而不降低電容量。介質層表面電場強度進一步降到約135 kV/mm.
圖5. [綠色]–非-殼成型電極(104 V);
[紅]–傳統殼成型電極(125-130 V);
[藍色]–種殼成型電極(140 V)
圖6. E33uF /35 V
鉭復合電極電容器特種殼成型擊穿電壓分布
“殼層”方法所帶來的表面電沖擊減少效果在電容器擊穿電壓分布圖上表現得非常明顯(圖6).由于“殼層”結構，擊穿電壓分布變窄而且提高到較高電壓值。這意味著與傳統成型方法相比，元件的穩定性提高了。
錳處理工藝
高額定電壓鉭電容器的電極結構與用較細鉭粉制成的電極結構不同。例如，結構的形狀不同，內粒溝道較寬。因此硝酸錳的熱解，象連鎖反應一樣，比我們觀察到的細鉭粉芯體的反應更快，也更劇烈。內連聚集物溝道作用猶如“煙囪”一樣，將氮氧化物搜集并積聚到表面。氮氧化合物散到表面并且形成二氧化錳，造成“噴孔”和“噴丘”。結果二氧化錳的外層經常不平或起層(圖7)。 \
圖7. 錳層外表面不合格，由于電極將進行復合組裝
這樣的起層疵點不僅會影響到復合電極鉭電容器的順利組裝，而且會影響到部件的最終性能。在噴孔區域，銀擴散滲透的可能性會大大增加。
高額定電壓的部件加工需要平整均勻的的二氧化錳涂層(圖8)。改進處理措施包括硝酸錳的濃度和施用順序，特別是硝酸錳熱解時的條件。
圖8. 錳處理后高額定電壓電極的合格形態
鍍銀和石墨涂層工藝
我們為笛型低ESR電容器專門開發了一種獨特的系統，以保證低ESR和潮濕下的超穩定性，該系統也別應用于復合電極 的概念。E 33uF/35 V復合電極鉭電容器在潮濕條件下的高穩定性參考圖9.
圖9. E33uF/35 V 鉭復合電極電容器潮濕穩定性在（紅）之前和(藍)之后引進特種石墨-銀層[1000 個, 85°C后, 85% RH, 250 小時, 20秒 測量飽和時間]
高耐壓低ESR鉭電容的應用
以上介紹工藝已被應用于額定電壓25V-35V的電容器，并具有在不遠的將來將電壓增至20V的潛力。主要的應用領域為電訊/基站，電源供應和汽車工業，這些行業需要小型化，高效的供應電源。25 至35V鉭復合電極將提供最低工業ESR，以支持12-24V的常用工作電壓。E 68uF 5V 部件的ESR水平低至 55mOhm；E 33-47uF 35V 部件則為65mOhm。
