Ниобиевый конденсатор - Niobium capacitor

SMD-чип из ниобиевых электролитических конденсаторов

А ниобиевый электролитический конденсатор поляризованный конденсатор чей анод электрод (+) изготовлен из пассивированного ниобий металл или монооксид ниобия на котором изоляционный пятиокись ниобия слой действует как диэлектрик ниобиевого конденсатора. Твердый электролит на поверхности оксидного слоя служит второй электрод (катод ) (-) конденсатора.

Ниобиевые электролитические конденсаторы пассивны электронные компоненты и члены семьи электролитические конденсаторы.

Конденсаторы ниобиевые доступны как SMD чип конденсаторы и конкурировать с тантал конденсаторы микросхемы с определенными номиналами напряжения и емкости. Они доступны с твердым диоксид марганца электролит. Ниобиевые конденсаторы являются поляризованными компонентами по принципу производства и могут эксплуатироваться только с ОКРУГ КОЛУМБИЯ напряжение правильной полярности. Обратное напряжение или пульсирующий ток выше указанного могут разрушить диэлектрик и, следовательно, конденсатор. Разрушение диэлектрика может иметь катастрофические последствия. Производители устанавливают особые правила проектирования схем для безопасной эксплуатации ниобиевых конденсаторов.

Конденсаторы ниобия были разработаны в Соединенных Штатах, а также в Советский союз в 1960-е гг. С 2002 года они коммерчески доступны на Западе, чтобы воспользоваться преимуществами более низкой стоимости и большей доступности ниобия по сравнению с танталом.

Основная информация

Ниобий является родственным металлу тантала. Ниобий имеет такую ​​же температуру плавления (2744 ° C), что и тантал, и проявляет аналогичные химические свойства. Материалы и процессы, используемые для производства ниобиевых диэлектрических конденсаторов, по существу такие же, как и для существующих танталовых диэлектрических конденсаторов. Однако ниобий как сырье гораздо более распространен в природе, чем тантал, и стоит дешевле. Характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов и танталовых электролитических конденсаторов примерно сопоставимы.

Ниобиевые электролитические конденсаторы могут быть изготовлены с ниобием высокой чистоты в качестве анода, но диффузия кислорода из диэлектрика (Nb₂О₅) в металл анода из ниобия очень высока, что приводит к нестабильности тока утечки или даже к отказу конденсатора. Есть два возможных способа уменьшить диффузию кислорода и повысить стабильность тока утечки - либо путем легирования порошков металлического ниобия нитридом в пассивирован нитрид ниобия или используя оксид ниобия (NbO) в качестве анодного материала. Оксид ниобия - это твердый керамический материал, характеризующийся высокой металлической проводимостью. Порошок оксида ниобия может быть приготовлен по структуре, аналогичной структуре порошка тантала, и может быть обработан аналогичным образом для производства конденсаторов. Он также может быть окислен анодным окислением (анодирование, формируя) для создания изолирующего диэлектрического слоя. Таким образом, на рынке продаются два типа ниобиевых электролитических конденсаторов: с пассивированным ниобиевым анодом и с анодом из оксида ниобия. Оба типа используют пятиокись ниобия (Nb₂О₅) как диэлектрический слой.

Основной принцип анодного окисления

Основной принцип анодного окисления, при котором при приложении напряжения к источнику тока на металлическом аноде формируется оксидный слой.

Ниобий - это так называемый вентильный металл, такой как тантал и алюминий, на котором в результате анодного окисления образуется электроизоляционный оксидный слой, если приложено положительное напряжение. Подача положительного напряжения на анод материал в электролитический ванна образует оксид барьерный слой толщиной, соответствующей нанесенному Напряжение. Этот оксидный слой действует как диэлектрик в электролитический конденсатор.

Для ниобия такое поведение было известно с начала 20 века. Ниобий в природе более распространен, чем тантал, и дешевле, но высокая температура плавления 2744 ° C препятствовала разработке ниобиевых электролитических конденсаторов.

В 1960-х годах более высокая доступность ниобиевой руды по сравнению с танталовой рудой подтолкнула к исследованиям ниобиевых электролитических конденсаторов в бывшем Советском Союзе.^[1] Здесь они заняли то место, которое на Западе заняли танталовые конденсаторы. С падением «железного занавеса» это ноу-хау стало широко известно на Западе. В конце 1990-х годов интерес к этой технологии пробудился у основных производителей конденсаторов. Материалы и процессы, используемые для производства ниобиевых конденсаторов, по существу такие же, как и для танталовых конденсаторов. Однако рост цен на тантал в 2000/2001 году стимулировал разработку ниобиевых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца, а также полимерного электролита, которые были доступны с 2002 года.^[2][3]

Между двумя проводящими пластинами (электродами) помещается диэлектрический материал, каждая площадью А и с разделением d.

Каждый электролитический конденсатор в принципе образует «пластинчатый конденсатор», емкость которого увеличивается с увеличением площади электрода (A) и диэлектрическая проницаемость (ε) и уменьшается с толщиной (d) диэлектрика.

${ Displaystyle C = varepsilon cdot { frac {A} {d}}}$

Диэлектрическая толщина ниобиевых электролитических конденсаторов очень мала, в диапазоне нанометр на вольт.^[4] Благодаря этому очень тонкому диэлектрическому оксидному слою в сочетании с достаточно высокой диэлектрической прочностью ниобиевые электролитические конденсаторы могут достигать высокой объемной емкости, сравнимой с танталовыми конденсаторами. Это одна из причин высоких значений емкости электролитических конденсаторов по сравнению с другими традиционными конденсаторами.

Ниобиевый анодный материал изготавливается из порошка, спеченного в таблетку с шероховатой структурой поверхности, предназначенной для увеличения поверхности А электрода по сравнению с гладкой поверхностью той же площади или того же объема. Это увеличивает последующее значение емкости, в зависимости от номинального напряжения, до 200 раз для твердотельных электролитических конденсаторов из ниобия.^[5] Большая поверхность по сравнению с гладкой является второй причиной относительно высоких значений емкости ниобиевых электролитических конденсаторов.

У всех электролитических конденсаторов есть одно особое преимущество. Поскольку формирующее напряжение определяет толщину оксидного слоя, доказательство напряжения более позднего электролитического конденсатора может быть получено очень просто для желаемого номинального значения. Это делает электролитические конденсаторы пригодными для приложений с напряжением до 2 В, в которых другие конденсаторные технологии должны придерживаться гораздо более высоких пределов.

Свойства этого диэлектрического слоя пятиокиси ниобия по сравнению с пятиокись тантала слоя приведены в следующей таблице:^[6]

Более высокая диэлектрическая проницаемость, но более низкое напряжение пробоя пятиокиси ниобия в ниобиевых конденсаторах приводит к получению конденсаторов такого же размера, как и те, которые используют пятиокись тантала в танталовых конденсаторах.

Базовая конструкция твердотельных ниобиевых электролитических конденсаторов

Типичный ниобиевый конденсатор представляет собой чип-конденсатор и состоит из ниобия или оксид ниобия порошок прессованный и спеченный в гранулу как анод конденсатора, с оксидным слоем пятиокись тантала в качестве диэлектрик, и твердый диоксид марганца электролит как катод.

Сравнение типов ниобиевых и танталовых электролитических конденсаторов

Комбинация анодных материалов для ниобиевых и танталовых электролитических конденсаторов и используемых электролитов позволила сформировать широкий спектр типов конденсаторов с различными свойствами. Краткое описание основных характеристик различных типов показано в таблице ниже.

Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом в качестве монтируемых на поверхность чип-конденсаторов в основном используются в электронных устройствах, в которых мало места или требуется низкий профиль. Они надежно работают в широком диапазоне температур без больших отклонений параметров.^{[2][4][6][7][8]}

Сравнение электрических параметров ниобиевых и танталовых конденсаторов

Чтобы сравнить различные характеристики различных типов конденсаторов с электролитической микросхемой, в следующей таблице сравниваются образцы с одинаковыми размерами и сопоставимой емкостью и напряжением. При таком сравнении значения ESR и пульсации тока нагрузки являются наиболее важными параметрами для использования электролитических конденсаторов в современном электронном оборудовании. Чем ниже ESR, тем выше ток пульсации на единицу объема, тем лучше функциональность конденсатора в цепи.

(1) 100 мкФ / 10 В, если не указано иное,

(2) рассчитано для конденсатора 100 мкФ / 10 В,

История

Явление, которое может электрохимически образовывать оксидный слой на алюминии и таких металлах, как тантал или ниобий, блокируя электрический ток в одном направлении, но позволяя ему течь в другом направлении, было обнаружено в 1875 году французским исследователем. Эжен Дюкрете. Он ввел термин «вентильный металл» для таких металлов. Чарльз Поллак (родился Кароль Поллак ) использовал это явление для идеи поляризованного «электрического жидкостного конденсатора с алюминиевыми электродами». В 1896 году Поллак получил патент на первый электролитический конденсатор.^[9] Первые танталовые электролитические конденсаторы с намотанной танталовой фольгой и нетвердым электролитом были разработаны в 1930 году компанией Tansitor Electronics Inc., США, и использовались в военных целях.^[10]

Разработка танталовых конденсаторов с твердым электролитом началась в начале 1950-х годов как миниатюрный, более надежный низковольтный вспомогательный конденсатор, дополняющий недавно изобретенный. транзистор. Решение, найденное Р. Л. Тейлором и Х. Э. Харингом из Bell Labs, было основано на опыте работы с керамикой. Они измельчали ​​тантал до порошка, прессовали этот порошок в цилиндрическую форму, а затем спекали частицы порошка в таблетку («заготовку») при высоких температурах, от 1500 до 2000 ° C, в условиях вакуума.^[11][12] В этих первых спеченных танталовых конденсаторах использовался нетвердый электролит, что не соответствовало концепции твердотельной электроники. 1952 г. целенаправленные поиски твердого электролита в Bell Labs, осуществленные Д. А. Маклином и Ф. С. Пауэром, привели к изобретению диоксида марганца в качестве твердого электролита для спеченного танталового конденсатора.^[13]

Электрические характеристики

Последовательно-эквивалентная схема

Модель последовательной эквивалентной схемы танталового конденсатора

Ниобиевые электролитические конденсаторы как дискретные компоненты не являются идеальными конденсаторами, они имеют потери и паразитные индуктивные элементы. Все свойства могут быть определены и указаны с помощью последовательной эквивалентной схемы, состоящей из идеализированной емкости и дополнительных электрических компонентов, которые моделируют все потери и индуктивные параметры конденсатора. В этой последовательно-эквивалентной схеме электрические характеристики определяются:

• C, емкость конденсатора
• р_утечка, сопротивление, представляющее ток утечки конденсатора
• р_СОЭ, то эквивалентное последовательное сопротивление который суммирует все омические потери конденсатора, обычно сокращенно "ESR"
• L_ESL, то эквивалентная последовательная индуктивность которая представляет собой эффективную самоиндукцию конденсатора, обычно обозначаемую сокращенно «ESL».

Использование последовательной эквивалентной схемы вместо параллельной эквивалентной схемы определяется IEC / EN 60384-1.

Стандартные значения емкости и допуски

Электрические характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов зависят от конструкции анода и типа электролита. Величина емкости конденсатора зависит от частоты измерения и температуры. Номинальное значение емкости или номинальное значение указано в технических паспортах производителей и обозначается символом C_р C_N. Стандартизированные условия измерения для электролитических конденсаторов - метод измерения переменного тока с частотой 100/120 Гц. Измерительное напряжение переменного тока не должно превышать 0,5 В переменного тока.RMS.

Процент допустимого отклонения измеренной емкости от номинального значения называется допуском емкости. Электролитические конденсаторы доступны в различных сериях допусков, значения которых указаны в E серия указан в IEC 60063. Для сокращенной маркировки в ограниченном пространстве буквенный код для каждого допуска указан в IEC 60062.

• номинальная емкость, Серия E3, допуск ± 20%, буквенный код "M"
• номинальная емкость, E6 серия, допуск ± 20%, буквенный код "M"
• номинальная емкость, E12 серия, допуск ± 10%, буквенный код "К"

Номинальное и категория напряжения

Соотношение между номинальным и категориальным напряжением и номинальной и категориальной температурой

В соответствии со стандартом IEC / EN 60384-1 допустимое рабочее напряжение для ниобиевых конденсаторов называется «номинальное напряжение U_р "или" номинальное напряжение U_N". Номинальное напряжение U_р - максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно применяться при любой температуре в пределах номинального диапазона температур T_р (МЭК / EN 60384-1).

Устойчивость к напряжению электролитических конденсаторов снижается с повышением температуры. Для некоторых приложений важно использовать более высокий температурный диапазон. Снижение напряжения, подаваемого при более высокой температуре, сохраняет запас прочности. Поэтому для некоторых типов конденсаторов в стандарте МЭК указывается «пониженное при температуре напряжение» для более высокой температуры, «категория напряжения U»._C". Категория напряжения - это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно подаваться на конденсатор при любой температуре в пределах диапазона температур категории T._C. Соотношение между напряжениями и температурами показано на рисунке справа.

Приложенное более низкое напряжение может иметь положительное влияние на танталовые электролитические конденсаторы. Снижение приложенного напряжения увеличивает надежность и снижает ожидаемую интенсивность отказов.^[14]

Применение более высокого напряжения, чем указано, может привести к повреждению электролитических конденсаторов.

Импульсное напряжение

Пиковое напряжение указывает максимальное пиковое значение напряжения, которое может быть приложено к электролитическим конденсаторам во время их применения в течение ограниченного числа циклов. Перенапряжение стандартизировано в IEC / EN 60384-1. Для ниобиевых электролитических конденсаторов импульсное напряжение не должно превышать примерно 1,3 номинального напряжения, округленного до ближайшего В. Пиковое напряжение, приложенное к ниобиевым конденсаторам, может влиять на интенсивность отказов конденсаторов.

Обратное напряжение

Как и другие электролитические конденсаторы, ниобиевые электролитические конденсаторы поляризованы и требуют, чтобы напряжение анодного электрода было положительным по отношению к напряжению на катоде.

Импеданс, ESR и коэффициент рассеяния, ток пульсации, ток утечки

Общие сведения об импедансе, ESR, коэффициенте рассеяния tan δ, токе пульсаций и токе утечки см. электролитический конденсатор

Надежность и срок службы

Общие сведения о надежности и частоте отказов см. электролитический конденсатор.

В продолжительность жизни, срок службы Срок службы электролитических конденсаторов под нагрузкой или срок их службы является особой характеристикой нетвердых электролитических конденсаторов, особенно нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов, жидкий электролит которых может испаряться со временем, что приводит к поломкам из-за износа. Твердые ниобиевые конденсаторы с электролитом из диоксида марганца не имеют механизма износа, поэтому постоянная частота отказов длится до такой степени, что все конденсаторы выйдут из строя. У них нет срока службы, как у нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов.

Однако твердые полимерные ниобиевые электролитические конденсаторы имеют срок службы. Полимерный электролит разрушается из-за механизма термического разложения проводящего полимера. Электропроводность уменьшается со временем в соответствии с гранулированной структурой, в которой старение происходит из-за усадки зерен проводящего полимера.^[15] Срок службы полимерных электролитических конденсаторов определяется в тех же терминах, что и нетвердые электронные конденсаторы, но при расчете срока службы используются другие правила, что приводит к гораздо более длительному сроку эксплуатации.^[16][17][18]

Режимы отказа, механизм самовосстановления и правила применения

Различные типы электролитических конденсаторов демонстрируют разное поведение в отношении долговременной стабильности, собственных режимов отказа и механизмов самовосстановления. Правила применения для типов с внутренним режимом отказа указаны для обеспечения высокой надежности и длительного срока службы конденсаторов.

Самовосстановление в твердотельных ниобиевых конденсаторах с электролитом из диоксида марганца

Редкий сбой в твердотельных электролитических конденсаторах - это пробой диэлектрика, вызванный неисправностями или примесями. В ниобиевых электролитических конденсаторах диэлектриком является пятиокись ниобия (Nb₂О₅). Помимо этого пентоксида существует дополнительный субоксид ниобия, диоксид ниобия (NbO₂). NbO₂ представляет собой полупроводниковый материал с более высокой проводимостью, чем Nb₂О₅ но намного ниже короткого. В случае дефектов или примесей в диэлектрике, которые вызывают частичный пробой диэлектрика, проводящий канал будет эффективно изолирован за счет восстановления Nb.₂О₅ в высокоомный NbO₂ если энергия ограничена.

Поскольку к неисправному твердому ниобию прикладывается больше энергии, в конечном итоге либо высокоомный NbO₂ канал или Nb₂О₅ диэлектрик выходит из строя, и конденсатор выходит из строя из-за теплового разгона. По сравнению с твердотельными танталовыми конденсаторами тепловой разгон ниобиевых анодов будет происходить примерно в три раза большей мощности, чем танталовые аноды. Это дает значительное снижение (95%) режима отказа зажигания по сравнению с твердотельными танталовыми конденсаторами.

Диэлектрический слой Nb₂О₅ твердых ниобиевых электролитических конденсаторов имеет более низкое напряжение пробоя, чем Ta₂О₅ в танталовых конденсаторах и, следовательно, становится толще с каждым приложенным вольт и поэтому работает при более низкой напряженности поля для данного номинального напряжения с более низким электрическим напряжением диэлектрика. В сочетании с анодами из оксида ниобия, которые более устойчивы к диффузии кислорода, что приводит к более низким правилам снижения номинального напряжения по сравнению с пассивированными анодами из ниобия или тантала.^[6]

Дополнительная информация

Обозначения конденсаторов

Обозначения электролитических конденсаторов

Электролитический конденсатор	Электролитический конденсатор	Электролитический конденсатор

Маркировка полярности

Конденсаторы с ниобиевыми электролитическими микросхемами помечены полосой на положительной стороне компонента.

Ниобиевые конденсаторы, как правило, представляют собой поляризованные компоненты с четко обозначенными положительными выводами. При воздействии обратной полярности (даже на короткое время) конденсатор деполяризуется и диэлектрический оксидный слой разрушается, что может привести к его выходу из строя, даже если позже он будет работать с правильной полярностью. Если отказ представляет собой короткое замыкание (наиболее частое явление), а сила тока не ограничена безопасным значением, может произойти катастрофический тепловой разгон.

Стандартизация

Стандартизация для всех электрические, электронный компоненты и связанные технологии следуют правилам, установленным Международная электротехническая комиссия (IEC),^[23] а некоммерческий, неправительственная международная организация стандартов.^[24][25] Определение характеристик и процедура методов испытаний конденсаторов для использования в электронном оборудовании изложены в общих технических условиях:

• МЭК 60384-1, Конденсаторы постоянной емкости для использования в электронном оборудовании. Часть 1. Общие технические условия.

До сих пор (2014 г.) подробные спецификации IEC для ниобиевых электролитических конденсаторов отсутствуют.

Для производителей электроники в США ОВОС опубликовать стандарт на ниобиевые и танталовые конденсаторы для микросхем:

• EIA-717-A Квалификационная спецификация ниобиевых и танталовых конденсаторов для поверхностного монтажа

Функции

• Ниобиевые конденсаторы служат заменой танталовых конденсаторов.
• Ниобиевые конденсаторы доступны в стиле SMD, что делает их подходящими для всех портативных электронных систем с плоским дизайном.
• Ниобиевые конденсаторы не имеют ограничения пускового тока.
• Доступны ниобиевые конденсаторы с твердым электролитом для применения с низким ESR и стабильными электрическими параметрами.
• Ниобиевые конденсаторы выпускаются ограниченным количеством производителей (AVX и Vishay).^[26]

Смотрите также

• Типы конденсатора

Библиография

• Р. П. Дешпанде, Конденсаторы: технологии и тенденции, ISBN  1259007316 [8]
• Д. Бах, Диссертация, 05.06.2009, Университет Карлсруэ (TH), Исследования EELS стехиометрических оксидов ниобия и конденсаторов на основе ниобия [9]
• Гл. Шниттер: Укрощение ниобия. В: Исследование Bayer, Bayer AG, 2004 г. (Версия от 11 февраля 2007 г. Интернет-архив ), [10]
• Порошок ниобия для электролитического конденсатора, ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ JFE № 6 (октябрь 2005 г.) PDF
• Введение в конденсаторы [11]

Рекомендации