隨著電子電路功能提高和速度加快,對液體鉭電容器提出了更高的要求。在這種情況下為滿足軍事和航空航天領域中的需求,全鉭密封液體鉭電解電容器應運而生,它不僅保持了液體鉭電解電容器的優點,而且還克服了其缺點,具有性能穩定、承受紋波電流能力強,可靠性高等優點,被業界稱為“永不失效”的電容器。
結構與性能特點
1. 鉭引出陰極
全鉭液體鉭電解電容器結構與普通銀外殼液體鉭電解電容器基本相同(見圖1),主要由燒結鉭芯及其表面的Ta2O5介質氧化膜、電解質和金屬外殼三部分構成,所不同的是全鉭液體鉭電解電容器用的是鉭外殼作為電容器的引出陰極,而普通液體鉭電解電容器用銀外殼作為陰極。鉭外殼的全鉭全密封電解電容器,能夠避免銀離子遷移,漏電流小,提高了可靠性。
2.特殊的鉭陰極有效表面積增大工藝
制造大容量鉭電解電容器的關鍵是增大陰極的有效表面積。全鉭全密封電解電容器,其陰極由鉭金屬制成,鉭在空氣中易被氧化,因此,用處理銀陰極的方法來增大鉭陰極的有效表面積是行不通的。鉭陰極表面處理工藝通常如下:首先用少量的氫氟酸溶液(或二價錫鹽、有機還原劑)處理鉭陰極表面,除去陰極表面己形成的氧化物,提高其表面附著力,以便在其表面形成牢固的鉑族金屬膜,然后用化學沉積方法或濺射方法,在已除去氧化膜的鉭陰極表面沉積第一層不連續的呈島狀結構的鉑族金屬膜。此后在惰性氣體或真空環境中,對沉積的第一層金屬膜進行熱處理,使鉑族金屬與鉭金屬形成一層合金,以阻止鉭金屬在空氣中被氧化。最后在第一層合金膜上用電鍍或其它方法繼續沉積第二層多孔狀鉑族金屬膜,這層膜與第一層膜可以不是同一種金屬。當然,也可以通過濺射的方法在鉭金屬表面直接形成鉑族金屬膜,這樣可以省去用氫氟酸除去鉭氧化膜的步驟,然后通過熱處理仍能使鉭金屬表面與鉑族金屬合金化。另外,還可以用輝光放電的方法除去鉭金屬表面的氧化膜,然后同樣用濺射的方法形成鉑族金屬膜。由于在濺射過程中鉭金屬表面與鉑族金屬已經發生了合金化,所以省去了熱處理步驟。
3.全密封結構
液鉭電解電容器盡管具有容量大等優點,但對于半密封結構產品,在工作過程中,曾因漏液失效而限制了其使用。液體鉭電解電容器的密封結構可以分為半密封液體鉭電解電容器(CA30)和全密封液體鉭電解電容器(CAK38,CAK39,CAK39H,CAK39HE),如圖2 (a)、(b)所示。
現在,液體鉭電解電容器采用全密封結構,解決了漏液問題。經高真空條件下的冷浸和熱浸試驗,很少發現漏液現象。對于全密封結構鉭電解電容器,是將陽極鉭塊上的鉭絲穿過套有橡皮環的聚四氟乙烯上墊片,然后把鉭芯用聚四氟乙烯下墊片固定,裝配到注有凝膠電解質的銀外殼之中。在銀外殼上與橡皮環等高的位置進行壓槽固定,并穿置玻璃粉絕緣子,之后依次進行卷邊、絕緣子與銀或鉭外殼間的邊焊、絕緣子上的鉭管與穿過其間鉭絲的高溫氬弧球焊和陽極引線對焊。這樣就徹底解決了半密封結構的漏液問題。由于邊焊放熱嚴重,會引起電解質汽化,冷卻后殼內外產生氣壓差。根據實際生產經驗,一般采用先邊焊后球焊的工序。
4.較強耐振動沖擊性能
液體鉭電解電容器產生瞬時開路失效的原因在于:電容器殼內的液體不能將鉭塊固定,另一端的鉭絲被絕緣子固定住,鉭塊與鉭絲成為一個懸臂,因此振動時,離心力使電解液在電容器殼內作相應運動,當鉭塊短或電解液數量不足時,離心力可能使鉭塊與工作電解液瞬時脫離,造成電容器開路。因此鉭塊長度設計適當,保持充足的工作電解液,或改用凝膠工作電解質,都可減少瞬時開路的可能性。為防止鉭塊振動,目前設計了防振墊圈固定住鉭塊,有效克服了瞬時開路。全密封鉭電解電容器在密封性能、抗沖擊振動性能和長期使用可靠性等方面都要優于半密封液體鉭電解電容器。
5.電參數性能保持
液體鉭電解電容器在長期使用時,常出現電容量急劇下降和損耗角正切值顯著增大的失效現象。這是一種漸變失效,是因電容器中工作電解液不斷消耗而引起。當密封性能不佳時,在貯存條件下電解液中的水分通過密封橡膠墊向外擴散,在工作條件下水分產生電化學離解,均可使水分逐漸減少,電解液逐漸變稠,黏度逐漸增大,電解液等效串聯電阻增加,與陽極氧化膜的接觸性能變差,從而使電容量下降,損耗增大。