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什么是低ESR聚合物钽电容器?

随着各类多媒体信息处理器械向小型化,高速处理化和低功耗化方向发展,导致需求小型元器件、高集成度LSIC(高频率、低电压)电路,并且要求电路间歇性工作。这样对于使用的电容器,提出一系列的新要求。特别是对于以小型化和大容量见长的钽电容器,提出低等效串联电阻(ESR)的新要求。  
  钽电容器的新需求 

  需要低ESR解耦电容器 半导体电路急速向高速且低电压方向发展,时钟频率日益增高,低电压需求允许电压变化的余量缩小。为了抑制高频干扰和电压波动,急需小型化且大容量的低ESR解耦滤波电容器。 

  需要低ESR平滑电容器 为了实现设备低功耗化,在设备里设置有停止时钟的电路,一旦设备要进入休眠状态,便利用停止时钟电路,使开关电源停止工作,减少电力消耗。因此,电路将频繁地改变接通/断开的状态,为此,开关电源电要具备相当快的响应速度,平滑波动电流的变化,这就急需小型且大容量的低ESR钽电容器。 

  吸收噪声的低ESR电容器 PDA等便携式信息处理终端日益高性能化和多功能化,由此其内部流通的电流变动非常大。为了消除大电流变动造成的干扰,也需要小型且大容量的低ESR钽电容器。  
  钽电容器的技术进展 

  在各种电容中,钽电容一向以每单位体积具备较高静电容量而著称。随着高密度表面组装(SMT)技术的进步,钽电容器也不断地改进,由圆桶状发展成片状,并为了降低ESR,已将电解质由二氧化锰改用高分子聚合物。 

  一般都是利用烧结工艺制造钽电容:首先将微米颗粒的钽粉连同钽引线压制成型,然后在1500℃左右进行真空烧结,形成钽电容器的阳极体。在这多孔烧结体表面上,通过阳极氧化方法形成一层Ta2O5介质薄膜,作为钽电容器的阴极层。在层Ta2O5(介质)的基础上包覆一层二氧化锰,现在为降低ESR已改用导电性高分子聚合物。 

  通过长期研究发现,钽电容的阴极层影响ESR和耐热性。将阴极层改用聚丙烯(Polypropylene)后,钽电容器获得了低ESR和高耐热特性。
低ESR电容器的研制
  ESR的构成 一般烧结型的ESR由下列因素构成:1)RF:钽氧化膜及其界面吸附分子的ESR;(2)Ro:分布参数电阻,如钽电容阴极的电阻和钽阳极体烧结气孔形状变化形成的电阻;(3)Rex:外表面固体电解质(阴极层)/石墨层/银聚层/引线端等的接解电阻和各层材料的固有电阻。钽电容器的等效串联电阻R可用等式(1)表示:  
  R=Rf+Ro+Rex (1) 

  但钽电容器等效串联电阻R是频率的函数,因此可改写成: 

  R(ω)=Rr(ω)+Ro(ω)+Rex 

  =tanδf/ωCf+Ro(ω)+Rex  (2) 
  在表达式(2)中的Cf和tanδ分别是介质氧化膜的静电容和介质损耗角δ。式(2)中的Rf(ω)随频率呈反比减少的趋势。而在低频区域恒定不变,在高频区域很快衰减,并随频率的增高逐渐为零。然而,Rex与频率无关,它是不随频率变化的常数。 

  首先,Ro是钽电容器的阳极烧结体内气孔的形状、分布等参数电阻。以图2为例,图的右半部分是钽电容器阳极烧结体气孔构造模型,实际上也是个微型钽电容,左半部分是它的等效电路。就是说,微型钽电容是由各个钽电容器单元并联构成的。因此一旦钽涂在Ta阳极烧结气孔内的阴极材料层不均匀,凸凹不平,必然导致Ro增加。因此为削减Ro成份,优化钽阳极烧结体工艺和改善高分子聚合物(阴极层)形成技术是十分重要的。例如NEC公司,重新调整钽粉颗粒和烧结体密度,优化烧结体气孔分布,使之便于在其氧化层上形成高分子聚合物层。在该公司的钽电容器PS/L系列产品里,选用高导电平的聚丙烯高分子聚合物作阴极材料。而且,因为功能性高分子的性能受形成状态左右,所以还应通过控制聚合反应,尽量降低电阻率。 

  对于圆柱型钽电容器,其静电容量开始急剧降低时的频率(叫作电容器的截止频率),可用式(3)表示: 
  fc=1/2×πCfRo (3) 

  Ro=P/8πh=Roo(低频区) (4) 

  Ro=(Roo/ωCf)2/1×(1+tanδf)(高频区) (5) 

  其中,ρ为电解质的电阻率,h为圆柱形钽电容器的高度。 

  根据式(4)和(5),Ro与电解质的电阻率ρ成正比,因此电容的截止频率越高则电阻率越低。而且,当功能性高分子层在烧结体内部形成不够充分的情况下,意味着低频和串频区域的ESR值高。 

  其次,降低Rex值,Rex和外表面的固体电解质层电阻,阴极层的连接电阻以及阴极材料的体电阻相关。一般情况下,可通过削减固体电解质/石墨/银浆/焊接层/引线端各部分的电阻以及降低接触电阻等手段,降低Rex。而且,若钽电容器产品形状固定时,Rex和钽阳极烧结体的表面积成反比,所以当阳极烧结体较大时,对降低ESR有利。  

  低ESR产品  
  现在,市场上已开始供应低ESR钽电容器新产品,例如,NEC公司提供的PS/L系列B2Case钽电容(3.5×8×9mm3),比老产品提高1倍电容量,ESR仅为原来的。旧产品最大电容量为47μF,新产品的电容量可达100μF,而且在10kHz~10MHz区域内的ESR值由原来的50mΩ下降到了25mΩ。  
  对于PS/L系列的DCase(7.3×3×8mm3)的钽电容新产品,也实现了低ESR化。例如,在1kHz到10MHz区间里,新的钽电容器产品的ESR之值处于25mΩ以下,特别在10kHz~10MHz区域内的ESR仅为10mΩ左右。
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