WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |

В первом варианте анод представляет собой объемно-пористое тело, получаемое посредством высокотемпературного нагрева заготовки из порошка металла в вакуумированной камере. Частицы металла при этом спекаются, что обеспечивает необходимую механическую прочность анода. Образующиеся во всем объеме анода поры повышают реализуемую в емкости площадь поверхности диэлектрика, которая может составлять квадратные метры в расчете на 1 см3 объема.

После оксидирования анода его поры заполняют проводящим катодным материалом - жидким электролитом (водным раствором серной кислоты в танталовых конденсаторах типа К52- и растворами на основе этиленгликоля, диметилформамида, смеси -бутиролактона и N-метилпирролидона и др. в алюминиевых конденсаторах К50-) или твердофазным полупроводником (диоксид марганца, а в последние годы и органическим полупроводником в конденсаторах К53-). Полупроводниковый диоксид марганца получают путем термического разложения (пиролиза) раствора нитрата марганца при Т 300 оС.

Конструкция оксидно-электролитического конденсатора с объемно-пористым анодом показана на рис. 17.

Второй вариант анода конденсатора представляет собой травленую металлическую фольгу. Технология электрохимической обработки алюминия дает возможность повышать площадь анодной фольги до 100 раз по сравнению с площадью гладкой фольги, что в сочетании с конструктивным оформлением фольговых конденсаторов в виде намотанного рулона, позволяет приблизиться к соизмеримым с объемнопористыми анодами значениям удельной емкости. Вторая обкладка в фольговых конденсаторах изготавливается из специальной бумаги (или полимерной пленки), пропитанной электролитом, смачивающим поверхность АОП, либо из стеклоткани с твердым полупроводником.

Рис. 17. Танталовой оксидно-электролитический конденсатор в танталовом корпусе, фирма Sprague (вид в разрезе): 1 - никелевый катодный вывод; 2 - сернокислый электролит; 3 - спеченный танталовый катод; 4 - танталовый анод; 5 - танталовый вывод анода; 6 - герметичный сварной шов; 7 - танталовая трубка; 8 - никелевый анодный вывод; 9 - сварка встык; 10 - сварка вольфрамом в инертном газе; 11 - уплотнение тантал-стекло-тантал; 12 - антивибрационная прокладка (тефлон); 13 - танталовый корпус Особенности конструкции обусловливают ряд специфических для оксидных конденсаторов проблем. Первая из них состоит в том, что оксидные конденсаторы полярны. Полярность приложенного к ним напряжения должна соответствовать положительному потенциалу на аноде, так как при приложении напряжения обратной полярности через конденсатор протекает ток большой величины (рис. 18). Это обусловлено инжекцией в оксидный диэлектрик избыточных носителей заряда - электронов из базового металла и протонов из водородсодержащего материала противоэлектрода (рабочего электролита, сорбирующей влагу пористой двуокиси марганца). Подобно диодам оксидные конденсаторы имеют асимметричную вольт-амперную характеристику, в связи с чем используемые базовые металлы часто называют вентильными.

Рис. 18. Типичные вольт-амперные характеристики рабочих структур танталовых электролитических (1),оксиднополупроводниковых (2) и оксиднометаллических (3) конденсаторов.

Вторая проблема - ограниченный диапазон рабочих частот и температур. Вследствие сравнительно высокого сопротивления катодной обкладки (электролита, полупроводника) величина tg оксидных конденсаторов даже на частоте 50 Гц при нормальной температуре достаточно велика: tg 0,05 0,20. С ростом частоты tg линейно возрастает. Диапазон рабочих частот оксидного конденсатора принципиально ограничен величиной так называемой критической частоты fкр, при превышении которой необходимо учитывать свойства объемно-пористого анода как системы с распределенными параметрами, что проявляется в резком уменьшении емкости конденсатора и возрастании tg.

С понижением температуры tg оксидных конденсаторов резко возрастает в связи с увеличением сопротивления катодного материала, что ограничивает температурный диапазон снизу. Верхняя граница рабочих температур, кроме физических свойств катодного материала, определяется экспоненциальным ростом проводимости оксидного диэлектрика с увеличением температуры. Как правило, даже у конденсаторов герметизированной конструкции максимальная рабочая темпео ратура не превышает 125 С.

Поскольку двуокись марганца обладает более высокой проводимостью, чем жидкий электролит, оксидно-полупроводниковые конденсаторы имеют лучшие частотные и температурные характеристики, чем оксидно-электролитические конденсаторы.

К числу важнейших задач улучшения потребительских свойств конденсаторов с оксидным диэлектриком относятся:

- дальнейшее повышение удельного заряда и для энергонакопительных конденсаторов - удельной энергии;

- уменьшение тока утечки и увеличение допустимых значений рабочего напряжения;

- расширение рабочих диапазонов температур и частот.

Указанные технические проблемы имеют очевидный экономический аспект, состоящий в необходимости уменьшения расхода дефицитного и дорогостоящего тантала.

Остановимся на видимых путях совершенствования оксидных конденсаторов.

Увеличение удельного заряда танталовых конденсаторов достигается, главным образом, применением порошков новых типов с повышенным отношением площади поверхности к объему (мелкодисперсных, с развитой поверхностью частиц и др.). Решение этой задачи, требующее серьезных исследований в области порошковой металлургии, позволяет значительно снизить расход тантала в расчете на единицу емкости конденсатора, что обеспечивает снижение себестоимости конденсаторов. Достижения отечественного конденсаторостроения 80-х годов в этом направлении представлены на рис. 19.



Зарубежные фирмы-изготовители выпускают танталовые порошки около 20-ти классов. Это порошки с частицами осколочной формы, крупно- и мелкодисперсные, порошки с развитой формой зерна (губчатые, агломерированные, так называемые танталовые хлопья) и др. В каталогах фирм-производителей танталовых конденсаторных порошков в настоящее время имеются сведения о порошках, обеспечивающих удельный заряд до 40000 мкКл/г.

Повышение удельной емкости оксидных конденсаторов может быть достигнуто и за счет использования в качестве рабочего диэлектрика пленок соединений, обладающих существенно большей диэлектрической проницаемостью. С 70-х годов ведутся исследования возможностей создания титановых конденсаторов ( оксида титана может достигать 100), конденсаторов на основе сплавов титана с рядом металлов (алюминий, ниобий и др.).

Расход Расход тантала тантала % % 100 100 K53-K52-1 80 60 K52-1B K53-40 K52-K53-20 K52-12 20 0 -4 8 12 2 3 4 5 6 7 -Qуд 10 см3 Qуд10, мкKл/ см, мкKл/ б a Рис. 19. Сокращение расхода тантала и повышение удельного заряда ТЭОПК (а) и танталовых ОПК (б) при использовании порошков новых типов по сравнению с танталовым порошком II класса (1): порошка V класса (2), натрийтермического (3), натрийтермического агломерированного (4) (а). Точки 5 на рис.а и 4 на рис.б соответствуют перспективе использования натрийтермических порошков с повышенными удельными зарядами В частности, представляет интерес технология изготовления объемно-пористых анодов из смеси алюминия и титана, основанная на эффекте Киркендалла. Оба металла в виде порошков с диаметром частиц 2 - 3 мкм при спекании диффундируют друг в друга, оставляя многочисленные микроскопические поры, благодаря чему получают объемно-пористое тело с большой удельной поверхностью. Наилучшие результаты по емкостным свойствам, току утечки и тангенсу угла потерь дает система Al - Ti с содержанием 55 % Al.

Предпринимаются попытки создания на поверхности объемнопористого анода сегнетоэлектрических титаносодержащих соединений с использованием химических методов синтеза.

Вместе с тем, достигнуть уровня электроизоляционных свойств диэлектрических пленок и, как следствие, токовых характеристик конденсаторных структур, сравнимых с танталовыми, как видно из табл., пока не удается.

Таблица Основные свойства вентильных металлов и их анодных оксидных пленок Удельный ток Плот оксида утечки анода, Металл Тплав, оС ность,г/сммкА/мкФВ Тантал 3000 16,6 27,6 0,Алюминий 660 2,7 8,5 0,Ниобий 2470 8,6 41,4 0,Титан 1660 4,54 100 0,За некоторый выигрыш в емкости приходится расплачиваться снижением допустимого рабочего напряжения, что не позволяет в результате решить задачу повышения удельного заряда.

Величина удельной емкости фольговых конденсаторов опреоделяется строением травленой фольги (размеры пор, их концентрация, распределение пор по поверхности), которое в свою очередь зависит от структурно-химических особенностей исходной фольги (элементный состав, текстура и др.) и методов травления. Разработка технологии получения исходной алюминиевой фольги необходимого качества и совершенствование методов ее электрохимической обработки позволили достигнуть существенного увеличения удельной емкости фольги и удельного заряда конденсаторов (рис. 20). Динамика уменьшения с годами объема алюминиевых оксидно-электролитических конденсаторов показана на рис.21.

Повышение удельной емкости "высоковольтной" (т.е. рассчитанной на анодирование при высоком напряжении) фольги позволяет довести удельную энергию накопительных конденсаторов до величин порядка единиц Дж/см3.

Важным стимулом в повышении удельных параметров алюминиевых конденсаторов является их более низкая, по сравнению с танталовыми и ниобиевыми конденсаторами, стоимость.

Представляет интерес использование для электродов фольговых оксидно-электролитических конденсаторов сплава алюминий - титан.

Применив оригинальный способ быстрого охлаждения твердого раствора, японские исследователи получили микрокристаллический сплав Al - Ti, обладающий достаточной пластичностью для проката фольги. Содержание титана было доведено до 10 ат. %, что позволило повысить в 1,5 раза удельный заряд и, кроме того, что особенно важно для алюминиевых электролитических конденсаторов, добиться улучшения временной стабильности тока утечки.

S,мкФ уд дмK50-K50-K50-510 Qуд 10-3,мкКл/смРис. 20. Повышение удельной емкости анодной низковольтной алюминиевой фольги и удельного заряда конденсаторов при использовании новых видов фольг по сравнению с фольгой АН-4 (1): фольги АН-5 (2), АН-6 (3). Точка 4 соответствует перспективе использования фольги АН-50В 4,мкФ 100% 62.99% 51.53% 40.08% 28.63% 18.32% Рис. 21. Динамика уменьшения с годами объемов алюминиевых оксидно-электролитических конденсаторов (данные фирмы Nippon ChemiCon, Япония).

Результаты отечественных исследований в этом направлении обнаруживают перспективы использования в качестве анодного материала целого ряда не содержащих тантала микрокристаллических (аморфных) материалов.

Решение проблемы уменьшения тока утечки и повышения рабочего напряжения потребовало углубленных физических исследований механизмов переноса заряда в рабочих структурах оксидных конденсаторов.

Величина тока утечки складывается из нескольких составляющих:





I ут = I деф + E S + I инж, (3.1) где I деф - ток, протекающий по дефектным участкам оксидного диэлектрика, занимающим несоизмеримо малую площадь по сравнению с площадью поверхности анода S;

- удельная электрическая проводимость однородного оксида;

Е - средняя напряженность электрического поля в диэлектрике, соответствующая рабочему напряжению конденсатора;

I инж - инжекционный ток в диэлектрике, обусловленный поставкой неравновесных носителей заряда в диэлектрик из электродов.

Относительный вклад указанных составляющих в общий ток различен для разных типов оксидных конденсаторов и зависит от условий их нагружения.

В случае хорошо сформированного оксидного слоя, при его анодной поляризации в контакте с неинжектирующим катодным материалом (электролитом, двуокисью марганца) величина тока I ут определяется главным образом проводимостью оксидного слоя, то есть второй составляющей в правой части формулы. Установлено, что ответственным за электрическую проводимость анодных оксидов тантала и ниобия является прыжковый электронный перенос, осуществляемый посредством термически активированных перескоков носителей заряда между разновалентными катионами основы, создающими в запрещенной зоне диэлектрика глубокие локализованные состояния.

Фактором первого порядка, влияющим на электронную проводимость, является степень отклонения состава оксидного соединения от стехиометрического. В стехиометрическом оксиде с повышенной концентрацией низковалентных (с непредельной степенью окисления) катионов основы плотность и степень заполнения локализованных состояний увеличиваются, что приводит к экспоненциально сильному росту электронной проводимости. Установленные закономерности процессов электропереноса показали возможности улучшения токовых характеристик посредством уменьшения концентрации дефектов нестехиометрии в окисном слое.

Практически такую возможность удалось реализовать в технологии производства конденсаторов легированием анодного оксида веществом формовочного электролита (фосфор-, фторсодержащие анионы и др.), введением в операцию формовки термических воздействий, снижением температуры разложения азотнокислого марганца в процессе формирования полупроводникового катода.

Наличие в анодном материале неконтролируемых примесей, способствующих образованию в оксидной пленке макродефектов, а также разрушающее воздействие на оксидный диэлектрический слой такой операции, как пиролитическое осаждение двуокиси марганца в технологии изготовления оксидно-полупроводниковых конденсаторов и взаимодействие вещества оксида с рабочим электролитом в случае алюминиевых электролитических конденсаторов, заставляют учитывать токопрохождение по участкам с повышенной проводимостью, то есть составляющую тока I деф, и искать технологические пути ее уменьшения. В связи с этим укажем на необходимость использования в качестве анодного материала высокочистых порошков и фольги, повышения температуры вакуумного спекания объемно-пористых анодов с применением безмасляной откачки, контроля степени увлажнения секций оксидно-полупроводниковых конденсаторов, термоэлектротренировок и др.

Специальные высокочистые порошки осколочной формы, позволяют получать высокооднородные оксидные слои с низким уровнем тока утечки и создавать на их основе оксиднополупроводниковые конденсаторы, рассчитанные на напряжение до 125 В.

Эти порошки используются в производстве конденсаторов с повышенными требованиями для военной и аэрокосмической техники.

Следует отметить, что требование низкого уровня тока утечки часто идет вразрез с требованием достижения высокой удельной емкости. Так, при использовании высокоемких порошков необходимо проводить их спекание при температурах ниже 1700 оС (в противном случае происходит резкое уменьшение емкости вследствие уменьшения открытой пористости анода), что приводит в свою очередь к ухудшению чистоты поверхности анода и, как следствие, к росту тока утечки.

Величина инжекционного тока в оксидном диэлектрике особенно важна при обратном включении конденсатора, когда, как уже говорилось, в диэлектрике протекает электронно-протонный инжекционный ток, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение, то есть делает конденсатор полярным.

Уровень тока в пропускном направлении может быть уменьшен посредством уплотнения структуры анодного оксида и повышения его структурной однородности, в первую очередь уменьшения концентрации дефектов типа локальных утоньшений, являющихся в условиях протекания инжекционного тока каналами повышенной проводимости. Поэтому снижению катодного тока способствуют те же технологические приемы, что позволяют уменьшить собственную проводимость оксида.

Другой путь состоит в ограничении инжекции в оксид электронов из базового металла. Этого можно добиться, в частности, посредством использования в качестве базового металла сплавов тантала с молибденом, эмиссионная способность которых ниже, чем у "чистого" металла. Еще одна возможность состоит в легировании АОП из формовочного электролита анионами фтора, концентрирующимися вблизи межфазовой границы раздела оксид - базовый металл, что создает барьер для электронов, инжектируемых из базового металла.

Изменение свойств и структуры оксидного диэлектрика с помощью указанных технологических приемов позволяет добиться снижения уровня тока оксидно-полупроводниковых конденсаторов в пропускном направлении ~ в 10 раз и обеспечить их работоспособность при напряжении катодной поляризации до 20 % от номинального напряжения.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.