片式氧化铌固体电解电容器及其制造方法

摘要

本发明公开了一种片式氧化铌固体电解电容器及其制造方法。该电容器包括：环氧树脂封装外壳内设置一氧化铌电容器基体、镍基镀锡负极引出片和镍基镀锡阳极引出片，所述一氧化铌电容器基体内部为阳极，表面为阴极，阳极内设有钽丝阳极引出线，所述一氧化铌电容器基体的阴极与所述镍基镀锡负极引出片电连接，所述一氧化铌电容器基体内的钽丝阳极引出线焊接在所述镍基镀锡阳极引出片上形成电连接。该氧化铌电容器结构简单、制作工艺方便，制得的氧化铌电容器可应用在多种电路中，如大浪涌电压和电流的开关电源电路等，当出现意外的击穿时，不会燃烧和爆炸，且可有效避免出现连续击穿，相比钽电容器或纯铌电容器，可靠性，安全性有大幅度提高。

权利要求

1.一种片式氧化铌固体电解电容器的制造方法，其特征在于，包括：

a.制备阳极坯块：将比容为60000～120000uF.V/g，氧含量在14.5～15.5％的一氧化铌粉末按2.8～3.5克/CC的压制密度压制成带钽丝阳极引出线的坯块，对所述坯块进行真空烧结；所述步骤a中真空烧结采用温度为1300～1450℃，0.0005Pa的真空度烧结

10～30分钟；

b.在60～85℃温度下，将烧结后的所述坯块放入装有磷酸或硝酸电解液的形成槽内，使用直流电压在所述坯块上形成介质层；

c.将形成介质层的所述坯块，采用反复浸渍使硝酸锰溶液渗透在所述坯块内部空隙和在坯块表面沉积形成二氧化锰层作为阴极，在坯块表面形成的阴极上涂敷石墨层和银浆层作为阴极引出层；

上述步骤c中采用反复浸渍使硝酸锰溶液渗透在所述坯块内部空隙和在坯块表面沉积形成二氧化锰层作为阴极具体包括：将所述坯块在比重为1.30～1.90的硝酸锰溶液中反复浸渍7～12次，使硝酸锰溶液渗透在所述坯块内部的微孔空隙中，并在200～250℃温度下分解，使分解生成的电子电导型二氧化锰沉积在所述坯块的介质层表面形成阴极；

d.将所述坯块的钽丝阳极引出线和阴极引出层粘结到对应封装用外壳的金属框架引线上作为引出电极，用环氧树脂封装，即得到片式氧化铌固体电解电容器。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述钽丝阳极引出线是直径为0.2～

0.4毫米的钽丝。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤b中将烧结后的所述坯块放入装有磷酸或硝酸电解液的形成槽内，使用直流电压在所述坯块上形成介质层具体包括：将烧结后的所述坯块放入装有浓度为0.1～1％、 电阻率为20～200欧姆.厘米的磷酸或硝酸电解液的形成槽内，使用直流电压在所述坯块上形成介质层。

4.根据权利要求1或3所述的制造方法，其特征在于，所述使用直流电压在所述坯块上形成介质层具体包括：使用电压值为12～60V的直流电压，以50～200毫安/克的电流密度在所述坯块上形成按设计要求厚度的介质层。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤d中将所述坯块的钽丝阳极引出线和阴极引出层粘结到对应封装用外壳的金属框架引线上作为引出电极具体包括：使用导电的高分子银膏把所述坯块的钽丝阳极引线和阴极引出层分别粘结到封装壳体的金属引线框架上阳极引出片和阴极引出片上作为电容器的正、负电极。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤d中用环氧树脂封装具体包括：采用阻燃环氧树脂在150～180℃温度使用精密的模塑压力机和模具，将所述坯块封装成相应规格形状和尺寸的固体电容器。

说明书

片式氧化铌固体电解电容器及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电子元器件领域，尤其涉及一种片式氧化铌固体电解电容器及其制造方法。

背景技术

[0002] 钽电容器具有体积容量比高，温度特性好，漏电流小的特点，但是，钽电容器的缺点也非常明显；抗浪涌能力是所有电容器中最差的，使用在存在较高浪涌的开关电源电路，由于此类电路中存在较高的电压和电流浪涌及较高的纹波电流，因此必须大幅度降额才能够保证安全使用。另外，钽电容器的失效模式非常危险；一旦击穿，产品会迅速燃烧或爆炸，甚至能够引发连续击穿和火灾，这是任何用户都谈之色变的严重故障。

[0003] 铌与钽一样，其无定型的五氧化物[五氧化二钽或五氧化二铌]都具有阻止直流电通过而容许交流电通过的特性。因此，它们都可以被用来生产电解电容器，它们的基本材料都是超高纯度的单质态钽金属和铌金属。由于它们都属于容易和氧发生氧化反应的金属，因此，当出现击穿时，缺陷部位通过的大电流产生的热量会导致介电层迅速被破坏，进而造成基材金属在高温下与氧迅速反应，短时间内就能够释放出大量的热能，最终导致产品燃烧或爆炸。导致钽电容器在漏电流较大时能够迅速燃烧和爆炸的根本原因，是生产钽电容器的基材是物理和化学特性极不稳定的单质金属。这是钽电容器不可避免的缺陷之一；在实际使用中为了避免此缺陷造成的问题，只有在实际使用中大幅度的降低额定电压，受限于体积限制，产品的耐压受到严格限制，因此，当钽电容器的使用电压较高时，钽电容器对电压过于敏感的缺点就暴露无遗。使用纯铌生产的铌电容器具有与钽电容器相同的缺陷，在温度特性上甚至更差。

发明内容

[0004] 基于上述现有技术存在的问题，本发明实施方式提供一种片式氧化铌固体电解电容器及其制造方法，以一氧化铌为电容器核心，制备耐压高、安全、温度特性好的电容器。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0006] 本发明实施方式提供一种片式氧化铌固体电解电容器，该电容器包括：

[0007] 环氧树脂封装外壳内设置一氧化铌电容器基体、镍基镀锡负极引出片和镍基镀锡阳极引出片，所述一氧化铌电容器基体内部为阳极，表面为阴极，阳极内设有钽丝阳极引出线，所述一氧化铌电容器基体的阴极与所述镍基镀锡负极引出片电连接，所述一氧化铌电容器基体内的钽丝阳极引出线焊接在所述镍基镀锡阳极引出片上形成电连接；其中，所述一氧化铌电容器基体的阳极为以比容60000～120000UuF.V/g，氧含量在14.5～15.5％的一氧化铌粉末为原料，按2.8～3.5克/CC的压制密度压制的阳极坯块。

[0008] 所述钽丝阳极引出线是直径为0.2～0.4毫米的钽丝。

[0009] 本发明实施方式还提供一种片式氧化铌固体电解电容器的制造方法，包括：

[0010] a.制备阳极坯块：将比容为60000～120000uF.V/g，氧含量在14.5～15.5％的一氧化铌粉末按2.8～3.5克/CC的压制密度压制成带钽丝阳极引出线的坯块，对所述坯块进行真空烧结；

[0011] b.在60～85℃温度下，将烧结后的所述坯块放入装有磷酸或硝酸电解液的形成槽内，使用直流电压在所述坯块上形成介质层；

[0012] c.将形成介质层的所述坯块，采用反复浸渍使硝酸锰溶液渗透在所述坯块内部空隙和在坯块表面沉积形成二氧化锰层作为阴极，在坯块表面形成的阴极上涂敷石墨层和银浆层作为阴极引出层；

[0013] d.将所述坯块的钽丝阳极引出线和阴极引出层粘结到对应封装用外壳的金属框架引线上作为引出电极，用环氧树脂封装，即得到片式氧化铌固体电解电容器。

[0014] 所述钽丝阳极引出线是直径为0.2～0.4毫米的钽丝。

[0015] 所述步骤a中真空烧结采用温度为1300～1450℃，0.0005Pa的真空度烧结10～30分钟。

[0016] 所述步骤b中将烧结后的所述坯块放入装有磷酸或硝酸电解液的形成槽内，使用直流电压在所述坯块上形成介质层具体包括：将烧结后的所述坯块放入装有浓度为0.1～1％、电阻率为20～200欧姆.厘米的磷酸或硝酸电解液的形成槽内，使用直流电压在所述坯块上形成介质层。

[0017] 所述使用直流电压在所述坯块上形成介质层具体包括：使用电压值为12～60V的直流电压，以50～200毫安/克的电流密度在所述坯块上形成按设计要求厚度的介质层。

[0018] 所述步骤c中采用反复浸渍使硝酸锰溶液渗透在所述坯块内部空隙和在坯块表面沉积形成二氧化锰层作为阴极具体包括：将所述坯块在比重为1.30～1.90的硝酸锰溶液中反复浸渍7～12次，使硝酸锰溶液渗透在所述坯块内部的微孔空隙中，并在200～250℃温度下分解，使分解生成的电子电导型二氧化锰沉积在所述坯块的介质层表面形成阴极。

[0019] 所述步骤d中将所述坯块的钽丝阳极引出线和阴极引出层粘结到对应封装用外壳的金属框架引线上作为引出电极具体包括：使用导电的高分子银膏把所述坯块的钽丝阳极引线和阴极引出层与作为的分别粘结到封装壳体的金属引线框架上阳极引出片和阴极引出片上作为电容器的正、负电极。

[0020] 所述步骤d中用环氧树脂封装具体包括：采用阻燃环氧树脂在150～180℃温度使用精密的模塑压力机和模具，将所述坯块封装成相应规格形状和尺寸的固体电容器。

[0021] 由上述本发明实施方式提供的技术方案可以看出，本发明实施方式中以比容为60000～120000UuF.V/g，氧含量在14.5～15.5％的一氧化铌粉末，一氧化铌粉末为原料，在2.8～3.5克/CC压制密度下压制成坯块，经真空烧结形成阳极坯块，再通过电介质层形成、阴极制备和封装等处理制得片式氧化铌电解电容器。该氧化铌电容器结构简单、制作工艺方便，制得的氧化铌电容器可应用在多种电路中，如大浪涌电压和电流的开关电源电路等，当出现意外的击穿时，不会燃烧和爆炸，而且容量和损耗参数基本保持不变，通过的大电流可以被限制通过。可有有效避免出现连续击穿，相比钽电容器或纯铌电容器性能、安全性有大幅度提高。

附图说明

[0022] 图1为本发明实施例的氧化铌电容内部封装结构示意图；

[0023] 图2为本发明实施例的制备氧化铌电容器的工艺流程图。

[0024] 图中：1.环氧树脂封装外壳；2.镍基镀锡负极引出片；3.一氧化铌电容器基体；4.侧面环氧树脂层；5.钽丝阳极引出线；6.焊接点；7.镍基镀锡阳极引出片。

具体实施方式

[0025] 本发明实施方式提供一种片式氧化铌固体电解电容器及其制造方法，比容为60000～120000UuF.V/g，氧含量在14.5～15.5％的一氧化铌粉末为原料，在2.8～3.5克/CC压制密度下压制成坯块，通过真空烧结形成阳极坯块，再通过直流电压电介质层形成、阴极制备和封装等处理制备得到片式氧化铌电解电容器。该氧化铌电解电容器相比钽电容器或纯铌电容器性能、安全性有大幅度提高，可应用在多种电路中，如大浪涌电压和电流的开关电源电路等，当出现意外的击穿时，不会燃烧和爆炸，而且容量和损耗参数基本保持不变，通过的大电流可以被限制通过。可有效避免出现连续击穿。

[0026] 为便于理解，下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

[0027] 如图1所示，本发明实施例提供一种片式氧化铌固体电解电容器，该电容器的结构为：在环氧树脂封装外壳1内设置一氧化铌电容器基体3、镍基镀锡负极引出片2和镍基镀锡阳极引出片7，一氧化铌电容器基体3是采用比容为60000～120000UuF.V/g，氧含量在14.5～15.5％的一氧化铌粉末为原料，在2.8～3.5克/CC压制密度下压制成阳极坯块，通过真空烧结形成阳极坯块后，再在阳极坯块表面进行介质层形成，在阳极坯块表面形成的介质层上形成阴极后的电容器基体，该一氧化铌电容器基体3内部为阳极，表面为负极，阳极内设有钽丝阳极引出线5，钽丝阳极引出线5是直径为0.2～0.4毫米的钽丝，一氧化铌电容器基体3的负极与镍基镀锡负极引出片2电连接，一氧化铌电容器基体3内的钽丝阳极引出线5通过焊接点6焊接在镍基镀锡阳极引出片7上形成电连接。

[0028] 上述的氧化铌固体电解电容器可应用在多种电路中，如大浪涌电压和电流的开关电源电路等，当出现意外的击穿时，不会燃烧和爆炸，而且容量和损耗参数基本保持不变，通过的大电流可以被限制通过。可有有效避免出现连续击穿。

[0029] 制备上述片式氧化铌固体电解电容器时，具体按下述步骤进行：

[0030] a.制备阳极坯块：将比容为60000～120000uF.V/g，氧含量在14.5～15.5％的一氧化铌粉末，按2.8～3.5克/CC的压制密度压制成带直径0.2～0.4毫米钽丝阳极引出线的坯块，对坯块在1300～1450℃温度，0.0005Pa的真空度下进行10～30分钟的真空烧结，即得到一氧化铌阳极坯块；

[0031] b.在60～85℃温度下，将烧结后的坯块放入装有浓度为0.1～1％、电阻率为20～200欧姆.厘米的磷酸或硝酸电解液的形成槽内，使用12～60V的直流电压，以50～
200毫安/克的电流密度在所述坯块上形成介质层，使形成电介质层的厚度为BBB；

[0032] c.将形成介质层的坯块，采用反复浸渍使硝酸锰溶液渗透在坯块内部空隙和在坯块表面沉积形成二氧化锰层作为阴极，具体是将坯块在比重为1.30～1.90的高纯度硝酸锰溶液中反复浸渍7～12次，使硝酸锰溶液渗透在坯块内部的微孔空隙中，并在200～250℃温度下分解，使分解生成的电子电导型二氧化锰沉积在所述坯块的介质层表面形成阴极；之后在坯块表面形成的阴极上涂敷石墨层和银浆层作为阴极引出层；

[0033] d.将所述坯块的钽丝阳极引出线和阴极引出层使用导电的高分子银膏分别粘结到封装壳体的金属引线框架上阳极引出片和阴极引出片上作为电容器的正、负电极，采用阻燃环氧树脂通过精密的模塑压力机和模具将所述坯块封装成相应规格形状和尺寸的固体电容器，即得到片式氧化铌固体电解电容器。

[0034] 基于五氧化二铌介质层的电化学形成理论，本发明实施例中采用一氧化铌来生产氧化铌电容器，与纯钽或纯铌电容器相比，可以起到与纯铌基材作阳极时类似的电化学原理，因为通过上述方法制备过程中，在一氧化铌表面形成一层可以控制的无定形五氧化二铌介质层作为电容器的介电层。再经过二氧化锰阴极的制备，就可以得到一氧化铌粉末生产出的固体片式氧化铌电容器。

[0035] 实际中，制备上述的固体片式氧化铌固体电解电容器，可按下述步骤进行，包括：

[0036] (1)使用一氧化铌粉末按照一定密度和尺寸进行阳极成型，形成阳极坯块；

[0037] (2)在1300～1450℃的温度下对形成的阳极坯块进行高温真空烧结；

[0038] (3)按照一点精度要求把阳极坯块焊接到不锈钢条上；

[0039] (4)按照设计的形成电压，使用温度在60～85度，电阻率在20～200欧姆.厘米的硝酸或磷酸溶液，按照50～200毫安/克的电流密度，使用电压能够自动升高的直流电源进行电介质层的电化学形成，电压的可调范围为12～60V，使生成的介质层的厚度达到设计耐压的要求；

[0040] (5)二氧化锰阴极制备；使用反复浸渍的方法把比重为1.30～1.90的高纯度的硝酸锰溶液渗透进已经形成介质层的阳极坯块内部，在蒸汽浓度20～70％的范围，温度为20～240℃的范围内进行热分解，使硝酸锰分解后生成的二氧化锰沉积到阳极坯块的介质层上，所述的过程需要7～12次，直至阴极厚度达到设计的厚度时；

[0041] (6)待二氧化锰的厚度达到规定的厚度时，在产品的表面涂敷阴极过渡层石墨和银浆，形成阴极引出层；

[0042] (7)把涂敷过银浆的坯块从不锈钢条上切割下来后，使用导电高分子银膏粘结到封装外壳的金属框架上，钽丝阳极引出线和金属框架正极焊接到一起作为产品的正极，将坯块的阴极引出层与金属框架的负极电连接作为立器的负极；

[0043] (8)使用阻燃的环氧树脂在150～180℃温度下，在精密的模具内把产品塑封成外形尺寸符合标准规定的尺寸，即得到氧化铌电解电容器产品。

[0044] 为使制得的电容器产品更完善，还可以对上述制得的产品进行后续处理，具体如下：

[0045] ①使用激光打印规格和正极标记；

[0046] ②切除阳极边；

[0047] ③在85～125度的烘箱内对产品施加额定电压的老化2～40小时；

[0048] ④按照标准规定对老化后的产品进行自动测试并同时剔除废品；

[0049] ⑤对产品的正负极进行标准规定的引线成型和编带；

[0050] ⑥检验后入库或投入使用。

[0051] 上述制造方法中采用将比容为60000～120000uF.V/g，氧含量在14.5～15.5％的一氧化铌粉末为原料，按2.8～3.5克/CC的压制密度压制成带直径0.2～0.4毫米钽丝阳极引出线的坯块，对坯块在1300～1450℃温度，0.0005Pa的真空度下进行10～30分钟的真空烧结得到一氧化铌阳极坯块，使制得电容器的阳极材料采用富含氧的一氧化铌，这种阳极化学和物理性质都非常稳定，在高温时几乎不出现明显的继续氧化现象，并且该方法可以保证在一氧化铌阳极的基础上形成介电性能优良的五氧化二铌介质层，并且使形成的五氧化二铌介质层内部的主要成分是已经富含氧的一氧化铌，因此，当介质层上通过的漏电流较大时，例如击穿时的状态；内层的一氧化铌并不会因为温度的升高而继续象钽一样快速氧化，因此，它的漏电流可以保持稳定状态，产品内部的温度也不会升高到导致产品燃烧的程度。这样，使用一氧化铌生产的氧化铌电容器就排除了击穿时的燃烧和爆炸现象。由于击穿时的热量集中只是导致五氧化二铌介质层的晶体状态由无定形小部分转为定形态，通过的漏电流偏大，而组成电容器基体的一氧化铌的物理性能并不会因为温度的有限升高而发生变化，所以，击穿后的氧化铌电容器仍然能够保持电容器的基本特性，而且容量和损耗不会出现变化。因此，击穿后的氧化铌电容器仍然能够保持电容器的基本性能不发生质的变化。当电路施加到产品上的电压和电流远远超过该产品的额定电压水平时，被彻底击穿的氧化铌电容器由于基材仍然保持氧化物的电学状态，因此，电容器产品呈现出电阻状态。这样，可能瞬间通过的大电流被抑制，直接防止了连续击穿。

[0052] 本发明实施例的氧化铌电解电容器在多数应用电路中可替代现有的抗浪涌能力较差的片式钽电解电容器，，当存在较高浪涌的开关电源电路滤波使用片式钽电解电容器时，必须大幅度降额使用，例如：工作电压为8V的开关电源电路若使用片式钽电解电容器是，必须使用额定电压为25V的立品才可以保证安全，而如果使用本发明实施例中的固体片式氧化铌电解电容器，使用额定电压为10V的产品就完全可以满足使用要求，几乎不需要降额。当出现意外的击穿时，固体片式氧化铌电解电容器不会燃烧和爆炸，而且容量和损耗参数基本保持不变，通过的大电流可以被限制通过。这样，就能够避免出现连续击穿。

[0053] 综上所述，本发明实施例中由于采用比容为60000～120000uF.V/g，氧含量在14.5～15.5％的一氧化铌粉末为原料，按2.8～3.5克/CC的压制密度压制成带直径
0.2～0.4毫米钽丝阳极引出线的坯块，对坯块在1300～1450℃温度，0.0005Pa的真空度下进行10～30分钟的真空烧结得到一氧化铌阳极坯块作为电容器的阳极，使制备的氧化铌电容器的一氧化铌阳极可达到最佳性能，制得的片式氧化铌固体电解电容器即具有与钽电容器相同的优点、体积容量比高、高温特性好、又具有类似于陶瓷电容器的对浪涌电压和纹波电流不敏感的特点。达到既具有钽电容器和陶瓷电容器的优点，又有效地避免了它们的缺点的效果。当使用在存在大的浪涌电压和电流的开关电源电路时，本发明实施制备的片式氧化铌固体电解电容器不需要象钽电容器一样的大幅度的降额，它只需要小幅度的降额就可以保证使用在此类电路的安全要求。使用在有电阻保护的电路中，则不需要降额就可以达到很高的可靠性要求。

[0054] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。