鈮電容器的特點及應用

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　　近年來不斷有新型氧化物型固體酸的研究報道，其中對于第五副族元素(V,Nb,Ta)的研究一直都是固體酸研究的熱點，工業上統稱五氧化二鈮和五氧化二鉭為土酸。含水的氧化鉭(hydratedTa2O5)，氧化鈮(Nb2O5)都是性質優異的潛在固體酸催化劑。鈮具有極為重要的研究價值，鈮是鉭的姊妹金屬。鈮的熔點(2744°C)與鉭相似，化學性質也相似。用于生產鈮介電電容器的材料和工藝與現有的鉭介電電容器基本相同。然而，作為原料的鈮在自然界中比鉭豐富得多，而且價格便宜。

　　鈮電解電容器和鉭電解電容器的特性大致相當。鈮電解電容器可以用高純度鈮作為陽極，但氧從電介質(Nb2O5)向鈮陽極金屬的擴散非常高，導致漏電流不穩定甚至電容器故障。有兩種可能的方法可以減少氧擴散并提高漏電流穩定性——將金屬鈮粉末與氮化物摻雜到鈍化的氮化鈮中或使用氧化鈮(NbO)作為陽極材料。氧化鈮是一種具有高金屬導電性的硬質陶瓷材料。氧化鈮粉末可以制備成與鉭粉類似的結構，并且可以以類似的方式加工以生產電容器。它也可以通過陽極氧化(陽極氧化，成型)進行氧化，生成絕緣介電層。因此，市場上有兩種鈮電解電容器，一種是使用鈍化的鈮陽極，另一種是使用氧化鈮陽極。兩種類型都使用五氧化二鈮(Nb2O5)作為介電層。今天小編就帶大家深入了解一下鈮電容器。

　　1.什么是鈮電容器

　　鈮電解電容器是一種電解電容器，其陽極(+)由鈍化的鈮金屬或一氧化鈮制成，其上的絕緣五氧化二鈮層作為電介質。氧化層表面的固體電解質充當電容器的陰極(-)。鈮電容器采用SMD封裝，在某些額定電壓和電容方面可與鉭片式電容器競爭。它們可與固體二氧化錳電解質一起使用。和大多數電解電容一樣，鈮電容也是有極性的元件。高于規定容差的反向電壓或紋波電流會損壞電介質，從而損壞電容器;由此產生的短路可能會導致大型設備發生火災或爆炸。鈮電容器是在1960年代在美國和蘇聯開發的。自2002年以來，它們已在西方商業化，利用鈮相對于鉭的成本更低和更好的可用性。

圖1 鈮電容器

　　2.鈮電容器的陽極氧化

　　鈮與鉭和鋁類似，是一種所謂的閥金屬。將這種金屬與電解槽接觸并對其施加正電壓會形成一層電絕緣氧化物，其厚度對應于所施加的電壓。該氧化層充當電解電容器中的電介質。鈮的這一特性自20世紀初就為人所知。雖然鈮在自然界中含量更豐富，價格也比鉭便宜，但其2744℃的高熔點阻礙了鈮電解電容器的發展。在1960年代，與鉭礦石相比，鈮礦石的可用性更高，促使蘇聯對鈮電解電容器進行了研究。在這里，它們的用途與西方的鉭電容器相同。隨著鐵幕的倒塌，這項技術在西方變得更加知名，主要電容器制造商在1990年代后期開始產生興趣。用于生產鈮電容器的材料和工藝與鉭電容器基本相同。2000年和2001年鉭價格的上漲鼓勵了使用二氧化錳和聚合物電解質的鈮電解電容器的發展，這些電容器自2002年以來就已上市。

　　每個電解電容器都可以被認為是一個“平板電容器”，其電容隨著電極面積(A)和介電常數(ε)的增加而增加，并隨著電介質厚度(d)的增加而減小。

　　鈮電解電容器的介質厚度很薄，在每伏特納米的范圍內。這種非常薄的介電層與足夠高的介電強度相結合，使鈮電解電容器能夠實現與鉭電容器相當的高體積電容。鈮陽極材料由燒結成顆粒的粉末制成，顆粒具有粗糙的表面結構，與具有相同占地面積的光滑表面相比，旨在增加電極表面積A。對于固態鈮電解電容器，這種表面積的增加可以將電容增加多達200倍，具體取決于額定電壓。

圖2 鈮電容器陽極氧化示意圖

　　3.鈮電容器的特點

• 鈮電容器可替代鉭電容器

• 鈮電容器以SMD形式提供，使其適用于所有扁平設計的便攜式電子系統

• 鈮電容器沒有浪涌電流限制

• 鈮電容器可提供固體電解質，適用于低ESR應用和穩定的電氣參數

• 鈮電容器的制造商數量有限(AVX和Vishay)

　　4.鈮電容器的應用

　　4.1抗點燃失效模式

　　氧化鈮比鉭及鈮金屬的點燃能量高兩個檔次，并且比熱是鉭及鈮金屬的兩倍，其點燃失效模式顯著降低(95%)。再加上介質內的電應力小(施加電壓后，和Ta2O5相比，Nb2O5介質更加密集，因此在一定的額定電壓下，Nb2O5能夠在更低場強下工作)，因而可以負荷較大的波紋電流并降低低阻抗電路中的電壓減損。氧化鈮電解電容具有很高的抗短路失效機理，并且氧化物基礎顯著改善了介質擊穿后的熱破壞阻抗。與金屬鉭或鈮電容器相比，無論其是否具有聚合物電解質系統，氧化鈮電解電容提供了真正的“不燃燒”技術。

　　4.2適宜無鉛系統

　　無鉛裝配系統需要更高的回流溫度及熱機械應力。這些嚴酷的條件限制了電容器技術。鋁及箔片電容對熱機械負載極為敏感，特別是對于能夠導致嚴重電失效的回流溫度/時間焊接曲線。陶瓷電容最能回彈電的過應力，因此在熱機械負載方面能夠適應無鉛裝配。但是，外形較大的陶瓷零件對線路板的彎曲度很敏感，因此必須按照制造商要求去做。陶瓷失效的通常原因是低絕緣電阻或短路失效。新型氧化鈮電容器特別引人注目，它與陶瓷電容相似，在熱機械應力及較高的溫度峰值回流(無鉛裝配)條件下顯示出很好的穩定性，同時對機械薄弱處沒有任何反應。

　　4.3無壓電效應

　　鈦酸鋇(大部分介質系統的主體陶瓷材料)的高CV特性呈現顫噪效應。例如，以疊加信號施加直流偏壓時(例如1kHz正弦波)，Y5V電容器會開始“蜂鳴”。這一過程也是可逆的，1kHz外部信號也會對電信號產生1kHz噪聲。氧化鈮電容器雖然也用陶瓷材料粉末，但卻沒有這種顫噪效應。

　　4.4重量小

　　氧化鈮粉的比重是鉭粉的一半，這將影響電容器的總重量。比如E型氧化鈮電容比用鉭粉制成的同尺寸電容大約輕25%。對于相同元件占位面積來說，較輕的重量也可以改善PCB的跌落試驗強度，這對于實際應用也是一個重要參數。

　　4.5較高溫度下ESR較小

　　NbO電容的溫度相關特性與鉭電容相同。由于MnO2(第二電極)電導率的改善，ESR(有效串聯電阻)隨溫度下降。因此，較高溫度下的濾波特性優于室溫25℃下的情況。

　　5.鈮電容器的相關問題

　　5.1什么是氧化鈮電容器?

　　鈮電解電容器是一種電解電容器，其陽極(+)由鈍化的鈮金屬或一氧化鈮制成，其上的絕緣五氧化二鈮層作為電介質。氧化層表面的固體電解質充當電容器的陰極(-)。

　　5.2什么是氧化鈮?

　　氧化鈮(Nb2O5)是一種過渡金屬氧化物，其帶隙值為3.4eV。Nb2O5用于電致變色器件、節能窗、氧傳感器和光催化[314–316]。

　　5.3為什么要使用鉭電容?

　　鉭電容器是使用鉭金屬作為陽極的電解電容器的一個子類型。鉭電容具有優越的頻率特性和長期穩定性。它們以其幾乎無限的保質期以及高電容密度和可靠性而聞名。

　　5.4鈮的價格是多少?

　　鈮化合物的重要性相對較小。自然界中發現的那些具有+5氧化態，但已經制備了較低氧化態(+2至+4)的化合物。

　　結語

　　以上就是關于鈮電容器特點及應用的介紹了，要注意的是鈮電容器通常是極化元件，具有明顯標記的正極端子。當極性反轉時(即使是短暫的)，電容器會去極化，介電氧化層會破裂，即使以后以正確的極性操作，也會導致電容器失效。如果故障是短路(最常見的情況)，并且電流不限于安全值，則可能會發生災難性的熱失控。