1313-96-8 / 氧化鈮的電容器特性及應(yīng)用

背景及概述^【1】

近年來不斷有新型氧化物型固體酸的研究報道，其中對于第五副族元素(V, Nb, Ta)的研究一直都是固體酸研究的熱點，工業(yè)上統(tǒng)稱五氧化二鈮和五氧化二鉭為土酸。含水的氧化鉭(hydrated Ta2O5)，氧化鈮(Nb2O5)都是性質(zhì)優(yōu)異的潛在固體酸催化劑。鈮具有極為重要的研究價值，因此我們先對元素鈮及其化合物做一個系統(tǒng)的概述。

鈮和氧可以形成五種氧化物分別為：NbO，Nb02，Nb2O，Nb6O 和 Nb2O5，其中也只有Nb205最為穩(wěn)定，五氧化二鈮以鈮氧六面體的結(jié)構(gòu)存在。五氧化二鈮良好的介電性質(zhì)，使其廣泛應(yīng)用于各種陶瓷電容器的生產(chǎn)工藝中。薄膜狀的氧化鈮材料可以用于生產(chǎn)集成電路的阻容元件。五氧化二鈮也是特種光學(xué)玻璃的制造材料，可以實現(xiàn)高折射率和低分散性。鈮不僅作為金屬可以形成氧化物，同時和第五族的 P 元素一樣，五氧化二鈮也可以形成類似的含氧酸根的鈮酸鹽，其中大多數(shù)鈮酸鹽不溶于水，在所有的鈮酸鹽中，鈮酸鉀具有最大的溶度。許多鈮酸鹽晶體具有自發(fā)極化的性質(zhì)，是良好的介電材料，其非線性光學(xué)性質(zhì)在電子工業(yè)中也得到了廣泛應(yīng)用。

氧化鈮（Nb2O5）具有多種晶相，據(jù)報道有近 15 種晶相。其中最常見的晶型主要有假六方相晶系（TT-Nb2O5）、正交晶系（T-Nb2O5）和單斜晶系（H-Nb2O5）。不同溫度下，各種晶相間發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。H-Nb2O5是最穩(wěn)定的晶相，通常在加熱到 1000℃以上時，會形成 H-Nb2O5晶相，而 TT-和 M-Nb2O5是最不穩(wěn)定的晶相。

氧化鈮電容器特性^【2】

NbO 電容器的基本電特性包括：容量范圍：10µF~470µF，額定最高到1000µF，外殼尺寸符合EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)的A 到E 標(biāo)準。AVX 公司的OxiCapGeneric 系列NbO電容的可靠性為0.5%/1000小時(兩倍于鉭電容)，Performance 系列的可靠性則為0.2%/1000小時。

可靠性NbO電容器具有非常有效的自愈特性，因而能夠保證比其他商用電容器技術(shù)更優(yōu)越的可靠性。Performance系列的可靠性規(guī)格高達0.2%/1000小時，例如500000小時MTBF(平均失效時間)。Generic 系列的可靠性為0.5%/1000小時，例如 200000 小時MTBF。這種可靠性等級高于大多數(shù)現(xiàn)有商用級別的電容器。

應(yīng)用^【2】

抗點燃失效模式

氧化鈮比鉭及鈮金屬的點燃能量高兩個檔次，并且比熱是鉭及鈮金屬的兩倍，其點燃失效模式顯著降低(95%)。再加上介質(zhì)內(nèi)的電應(yīng)力小(施加電壓后，和Ta 2 O 5相比，Nb 2 O 5 介質(zhì)更加密集，因此在一定的額定電壓下，Nb 2 O 5 能夠在更低場強下工作)，因而可以負荷較大的波紋電流并降低低阻抗電路中的電壓減損。氧化鈮電解電容具有很高的抗短路失效機理，并且氧化物基礎(chǔ)顯著改善了介質(zhì)擊穿后的熱破壞阻抗。與金屬鉭或鈮電容器相比，無論其是否具有聚合物電解質(zhì)系統(tǒng)，氧化鈮電解電容提供了真正的“不燃燒”技術(shù)。

適宜無鉛系統(tǒng)

無鉛裝配系統(tǒng)需要更高的回流溫度及熱機械應(yīng)力。這些嚴酷的條件限制了電容器技術(shù)。鋁及箔片電容對熱機械負載極為敏感，特別是對于能夠?qū)е聡乐仉娛У幕亓鳒囟?時間焊接曲線。陶瓷電容最能回彈電的過應(yīng)力，因此在熱機械負載方面能夠適應(yīng)無鉛裝配。但是，外形較大的陶瓷零件對線路板的彎曲度很敏感，因此必須按照制造商要求去做。陶瓷失效的通常原因是低絕緣電阻或短路失效。新型氧化鈮電容器特別引人注目，它與陶瓷電容相似，在熱機械應(yīng)力及較高的溫度峰值回流(無鉛裝配)條件下顯示出很好的穩(wěn)定性，同時對機械薄弱處沒有任何反應(yīng)。

無壓電效應(yīng)

鈦酸鋇(大部分介質(zhì)系統(tǒng)的主體陶瓷材料)的高CV特性呈現(xiàn)顫噪效應(yīng)。例如，以疊加信號施加直流偏壓時(例如1kHz 正弦波)，Y5V電容器會開始“蜂鳴”。這一過程也是可逆的，1kHz外部信號也會對電信號產(chǎn)生1kHz噪聲。氧化鈮電容器雖然也用陶瓷材料粉末，但卻沒有這種顫噪效應(yīng)。

重量小

氧化鈮粉的比重是鉭粉的一半，這將影響電容器的總重量。比如E型氧化鈮電容比用鉭粉制成的同尺寸電容大約輕25%。對于相同元件占位面積來說，較輕的重量也可以改善 PCB的跌落試驗強度，這對于實際應(yīng)用也是一個重要參數(shù)。

較高溫度下ESR 較小

N b O 電容的溫度相關(guān)特性與鉭電容相同。由于MnO 2 (第二電極)電導(dǎo)率的改善，ESR(有效串聯(lián)電阻)隨溫度下降。因此，較高溫度下的濾波特性優(yōu)于室溫25℃下的情況。

參考文獻

[1]Tomas Zednicek,S.Zednicek,Z.Sita,周虹.氧化鈮技術(shù)概要[J].電子產(chǎn)品世界,2003(10):56-57.

[2]趙虎. 氧化鈮納米結(jié)構(gòu)制備及其光催化性能研究[D].中國石油大學(xué)(華東),2016.