钽电容器在设备中的应用及发展（材料专业论文）
小型化钽电容器在各主要设备上的使用比例为[3]：电视机100％；摄像机93％；立体声耳机90％；高密度数据传输83％；频分数据传输及无线电话80％；高保真度录放机、汽车音响、个人计算机、文字处理机各50％；传真和程控计算机20％。由于产品不断小型化，尽管市场需要电容器只数继续增加，但每只电容器消耗的钽粉却相对减少，每只电容器平均耗钽量美国为90mg，日本为30—35mg，最小片状电容器仅使用5—6mg，目前国外最小片状钽电容器用粉量4—5mg甚至lmg。1990年片状钽电容器的比例达75％，1990年后片状电容器的生产就左右了整个电容器生产。1990年日本高纯度物质研究所设计了新成型机，目标是成型厚度为0.1mm的片。该成型机经实验最薄能压制到0.073mm。用的钽丝直径为0.05mm，所用钽粉CV值为42000uF•V／g，烧结温度为1400℃，烧结时间20min，粘接剂为丙烯系。经过三年时间，1992年成功制成了厚为0.1mm以下、体积为0．075mm3以下的钽电容器薄片。该研究所新的目标有四个方面：一是尺寸为2125(2mm×1．25mm) →1608(1．6mm×0．8mm)→1005(1mm×0．5mm)，主要是向投影面积小的方向发展；二是与现有尺寸相同的电容器相比，要具有更大的容量，即向大容量化的方向发展；三是其他电子部件的高度在0．5mm以下，因而钽电容器在装配到基板上时也应使其高度下降，即向薄型化方向发展；四是钽电容器可燃，因而要向附装有熔丝的防火型方向发展。再过5年，使钽电容器的片状化比例达到80—85％，CV值达到60000uF•V／g，尺寸可达2mm×1.25mm，1．6mm×0.8mm，lmm×0.5mm，0.5mm×0.5mm，耐热温度达150 ℃，耐湿性在85 ℃下可达85％，维持lO00h，熔丝为敞式结构。对CV一定的电容器，在整个频率范围内电容器片越薄，损耗越小。随着制造技术的进步与发展，片状钽电容器的体积越来越小，片状钽电容器小型化如果以20V—lOuF规格的钽电容器在1984年最小壳尺寸D为100的话，那么经12年时间，到1996年壳尺寸为A就缩小了89％，仅是D壳尺寸的1 1％。就6.3V—lOuF钽电容而言，也只有原来的3.5％。国外致力于第二代片状钽电容器的研究和开发[4]，据日本某公司专家透露，一种以70000—90000 uF•V／g钽粉和0.15—0.1mm钽丝为主要材料，电介质度为lOnm／V，采用可导电的聚合物为阴极材料，端子为无引线而涂金属，利用激光焊接，电容量可达3000—4000uF的第二代片状钽电容器已开发成功，而且这种新产品的制造技术也日渐成熟。这种微型化的特征，将预示着钽粉高比容化、钽丝细径化的技术进步必将加快。1997年又开发了超小大容量的SK6(额定电压4V，静电容量33uF)系列并投放市场，产品很快弓1起强烈反响。最近SK4、SK5、SK6等高容量的产品生产比率增加，销量增大。随着电子产品趋向便携式，片式产品需求逐步增大，可从各系列产品生产比率的变迁看出：1993年1月份，仅SK50％、SK220％、SK310％这3个系列。但是到1995年1月份，SK30％、SK228％、SK327％、SK414％、SK510％，这是以SK、SK2、SK3为劳件主导产品。到1997年6月，SK15％、SK220％、SK313％、SK434％、SK517％新产品、SK6占2％，SK4、SK5等库存量增大，超过50％。不同壳号中，小型A壳占60％居首位，其次B壳占30％，C、D壳号加在一起占10％。日本国内片式钽电容器是以小型A壳(3.2mm×1.6mm×1.6mm)为主。用于出口的则是以大型D 壳(7.3mm×4.3mm×2.8mm)等为主。A尺寸的小型片式钽电容器主要用于移动电话、音视频电器、头戴立体声耳机。C、D壳大尺寸片式钽电容器主要用于个人计算机、音视频整机、数字相机、工业机器中。由于大尺寸式钽电容器的搭载，移动电话的主体增加，使通话时的音质更好。B壳用在个人电脑中，几乎全部出口产品绝大多数在D中，包括音响、录音机。最近主要用在汽车音响部分、头戴立体声耳机、手提MD等内。另外，小于A壳的P壳已经登场。计算机CPU电源的圈数增多则更需要大型的C、D壳。在移动电话上使用的A壳钽粉的使用量约为10mg，计算机用C、D、E、O壳的钽粉用量约为300mg。日本生产的钽电容器多为面向移动电话等的小型电容器，而欧美国家则以生产计算机上使用的大型电容器为主，产品销量国内占60％，外销占40％。钽电容器的市场预测和展望片状钽电容器用于电子设备中有更好的性能[5]。据统计9O年代中期片状钽电容器占电容器总产量的70％ 左右，目前达到80-85％ 左右，主要是适应民用电子设备，如家用彩电、个人电脑、传呼机、私人电话、汽车移动电话等的需要而增长。目前国际上已研制出85000uF•V／g的钽粉。2000年全世界钽粉总消费量达800吨以上，其中我国为35—45吨。放眼未来，钽电容器的应用前景十分看好。
1.3钽表面强化处理技术
1.3.1吸氧强化
金属钽可以吸收气体形成具有极强的耐酸、碱腐蚀性，并具有较高硬度的固溶体或化合物[6]。文献资料表明，少量的氢、氮、氧等间隙元素渗入钽材，即使其含量只有几百ppm(百万分之一) 也可提高钽材的强度。金属钽强烈吸氢，在常温下作为阴极进行电解时，或加热于250 ℃以上的氢气中，都会吸氢形成氢化钽的间隙固溶相。在Ta～H 相图中最大含氢量的固溶相TaH0.74，体积是钽金属本身体积的700倍。钽吸氢以后，钽的体心晶格膨胀，分子体积增大，降低了钽的密度和塑性，虽增加了硬度和电阻，但导致变脆，综合力学性能变差。在空气中，金属钽与氧发生吸气反应，形成氧化物，几乎不与氮反应。在400～800 ℃以下时，氧钽反应开始是抛物线规律，然后是直线关系。空气中的氧分压是0.2，起燃温度是1400℃，在1000℃时氧化反应遵循与氧气压力的平方成正比的规律。钽氧化后表层形成白色的Ta2O5膜，表层下呈灰黑色，由Ta2O8 和微量的Ta2O5 所组成。氧离子通过灰黑色层向更深处传递，形成含氧层梯度。在1000 ℃，氧的穿渗沿钽的〔110〕晶面进行，并出现了新相，会降低钽的力学性能。含氧原子1 %的金属钽HV值为250，含氧量提高到2 %，HV 值为400，而伸长率仅为4.5 %，变得很脆。所以在大气中，只能在低温下，采用氧或空气来强化钽表面，低温氧化处理的表面层太薄，效果不显著。
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