【摘 要】固体钽电容器外形多样，并容易制成适于自动化组装的小型和片型元件。这正好适应了目前电子技术向自动化小型化发展的需要。加上对电容器制造工艺的改进和完善，钽电解电容器得到了迅速的发展，使得产量增加，成本下降，使用范围广泛。钽电容器不仅在军事通讯、航天等领域广泛使用，而且使用范围还在向工业控制，影视设备等产品中延伸。
【关键词】钽电解电容器；制作工艺；阳极氧化膜；整流效益；自愈作用；绝缘电阻
0 引言
电解电容器肩负着大容量的任务，但它又是难于集成化的元件，如何适应轻质、薄型和小型化的发展趋向，已成为电解电容器今后发展的重要课题。
1 固体钽电解电容器的制造工艺
1.1 成型与烧结
成型是将若干细小的金属粉末制成大小、形状不同的钽阳极块。对于成型所用的原料钽粉有较高的要求。钽粉中的杂质对阳极氧化膜的质量影响极大。杂质直接影响电容器的漏电流、损耗角正切值、电容量和可靠性，还影响闪火电压的高低。制造电容器用的钽粉纯度应为99.92%-99.94%。烧结使得压制钽块的纯度和强度都得到提高，并且具有适当的孔隙成为多孔性阳极。
烧结的作用有两个，一是纯化压块，二是增加压块强度，并且成为具有合适孔隙的多孔体。而烧结温度和保温时间是确定烧结工艺的两个主要问题。烧结能够改变阳极块的孔体结构和含杂量，这就是烧结工艺影响阳极块电性能的主要原因。如果烧结温度低且时间短，则基体的收缩率小，烧结密度低，多孔率高，开口孔数也较多，所以阳极块的比容较大。但由于烧结温度低、时间短，阳极体的含杂量高，所以漏电流大，击穿电压低。因而对于高压、高工作温度及高可靠性的电容器，其阳极块就必须要求烧结温度和保温时间相应提高和延长一些。
损耗和烧结条件的关系不象电容量那么简单，因为阳极块的损耗由氧化膜部分和电解质部分组成。烧结温度提高，基体中的杂质减少，介质氧化膜质量提高，其损耗也减小；而且其体内的多孔率也大大减小，孔径变窄，导致电解质的等效串联电阻增大，这对损耗的影响大大超过前者。
1.2 形成阳极氧化膜
在烧结钽块颗粒的表面上生长一层氧化钽薄膜的工艺称为形成，也称赋能。对于固体钽电容器，形成电解液选用0.01%-0.1%H3PO4的水溶液。此外，形成电压、形成温度和升压电流密度是形成工艺的三个基本参数。
1.2.1 形成电压
形成电压直接决定了介质氧化膜的厚度，也即是电容器的设计容量一般固体钽电解电容器的形成电压为额定电压的3.5-5倍。这样可以使得氧化膜有一个较高的承受电压，同时又避免接近形成液的闪火电压，使得形成过程良好的进行。
1.2.2 形成温度
由于采用较高的温度形成时，可以得到较为致密均匀的氧化膜，形成一般在85±5℃下完成。
1.2.3 形成电流密度
氧化膜的生长速度，取决于阳极化时的电流密度。为了提高生产效率，就需要增加电流密度。但是电流密度过大，会使阳极反应产生的热量增加。促使晶化发生。
1.3 被覆固体电解质
自从发明了用MnO2作为电解电容器的阴极材料以来，电解电容器从根本上摆脱了电解液泄漏、干涸等问题，从而使固体电解质钽电容器在此类电容器中具有最佳的温度频率特性，而且结构多变化，形状各异，性能优良。
被覆的固体电解质应该结构致密、附着牢固稳定，具有良好的导电性且与氧化膜接触良好。作为电容器电解质的MnO2层，必须具有多方面的性能。一定晶型和粒度的MnO2对于生成结构致密、牢固而又具有良好导电性能的膜层是必要的。由于MnO2也是电容器的阴极，它还必须与介质氧化膜有良好的接触。MnO2层是高温分解下生成的，所以高温使介质膜的损伤是一个值得重视的问题。
被覆MnO2电解质层以后，还要浸渍7-8%的胶体石墨溶液，在 130-220℃下烘干20-30分钟，反复3-5次，即在MnO2层外得到与其接触良好的导电石墨层。最后，在石墨外被覆银浆层作阴极引出。
2 阳极氧化膜的整流效应
电解电容器的两个基本特性是整流效应和自愈作用，都与所用介质为阳极氧化膜有密切关系。
对于整流机理的解释，比较典型而又为较多研究者接受的理论是阳极氧化膜的p-i-n结理论。
在阳极氧化膜形成终了时，靠近基体金属一边的氧化膜内，将存在过剩的金属离子，它们处于填隙位置，并且愈靠近金属/氧化膜界面，浓度愈大；而在靠近电解质一边的氧化膜内，存在过剩的氧离子；至于氧化膜的中间组成部分可认为接近于化学计量比，因此此段区域具有介质的完美性能。用半导体物理概念来分析，留有过剩金属离子的区域可视为掺入施主杂质（杂质原子提供自由电子者称为施主杂质）具有电子导电性的n型半导体层。而在靠近电解质界面留有过剩氧原子的区域可视为存在受主杂质的具有空穴导电性的p型半导体层，而在p层和n层中间存在着绝缘阻挡层i层。更全面地说，整个阳极氧化膜成为一个p-i-n结。
当基体金属接电源正极，在电场作用下，n型半导体内的电子向电源的“+”端方向移动，p型半导体内的空穴向电源的“—”端移动，使阻挡层扩大，即阻止电流提供的位垒增宽，表现为绝缘电阻增大，p-n结处于阻流状态；而当电源反接时，电子及空穴相向移动，因此i层变窄，表现为绝缘电阻很低，p-n结处于通流状态。
3 阳极氧化膜的自愈作用
电解电容器是否能构稳定的工作，自愈特性是非常关键的，因此需要阴极材料及时的，较为彻底的隔绝缺陷和瑕疵。不同的阴极材料，阳极氧化膜的自愈机理是不相同的。
对MnO2材料而言，MnO2的转化为Mn2O3所需温度相对较高，这就是MnO2阴极层自愈的关键。当电容器通电工作时，疵点，裂纹缺陷处的电流激增。产生的热量使MnO2迅速转化为Mn2O3，后者的电阻率为106Ω·cm，远高于MnO2的102Ω·cm，从而阻断了电流通过。实质上并没有使缺陷处“愈合”，而是切断了电流从此处通过。只要缺陷处电流产生的温度达到转化温度，这样的转化就会发生。
当然，自愈效应并非适用于所有情况。如果电流无限制增长，没有足够时间使MnO2转化为Mn2O3，缺陷处可能发生燃烧而使电容器失效。
当MnO2中出现大面积缺陷时，会出现很大的电流冲击。MnO2开始转化为Mn2O3并释放出一定的氧。在MnO2及时转化之前。由于电流过大，发热过快，当温度到达Ta2O5的晶化温度时，它由无定形非晶态转化为晶态，这个过程称为介质的“晶化”。晶化后的Ta2O5出现导电性能并产生更大的电流和释放更多热量，使缺陷进一步扩大，进从恶性循环状态。当温度足够高时，金属钽开始结合氧，继续产生热量并最终导致电容器因燃烧而失效。
由于MnO2的自愈特性和转化特性而出现了固态钽电容器。同时，也正是由MnO2材料的含氧量极大，导致钽电容器可能出现迅速氧化甚至燃烧，不仅造成电容器本身失效。还可能引发伤及周围电路等更严重的后果。从这个意义上讲，MnO2材料对于钽电容器而言，也具有其缺点。
MnO2是一种电子导电的半导体材料，由于其电导率不高，人们越来越倾向于用其他材料替代它作为钽电容器阴极。尽管通过热处理工艺和其它成膜条件的改善，MnO2的电导率还可进一步提高，但这一切努力对于电容器ESR值的改善程度毕竟有限。
4 结束语
总之，过去20年来电解电容器性能也有了显著改进，尤其是表现在可靠性的提高和能量密度的增加方面。通过使用新材料和先进的制造技术，引入先进的测试方法等手段，保证了电解电容器在高能量冲击条件下所必需的使用寿命。
【参考文献】
[1]姜节俭.电容器与电子器[M].电子科技大学出版社，1998.
[2]张行健.提高全钽电容器外壳质量的研究[D].中南大学，2005.
[3]杨涛.钽电解电容器用新型聚合物电极材料[D].电子科技大学，2003.
[责任编辑：丁艳]