铌电容器的特点及应用

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　　近年来不断有新型氧化物型固体酸的研究报道，其中对于第五副族元素(V,Nb,Ta)的研究一直都是固体酸研究的热点，工业上统称五氧化二铌和五氧化二钽为土酸。含水的氧化钽(hydratedTa2O5)，氧化铌(Nb2O5)都是性质优异的潜在固体酸催化剂。铌具有极为重要的研究价值，铌是钽的姊妹金属。铌的熔点(2744°C)与钽相似，化学性质也相似。用于生产铌介电电容器的材料和工艺与现有的钽介电电容器基本相同。然而，作为原料的铌在自然界中比钽丰富得多，而且价格便宜。

　　铌电解电容器和钽电解电容器的特性大致相当。铌电解电容器可以用高纯度铌作为阳极，但氧从电介质(Nb2O5)向铌阳极金属的扩散非常高，导致漏电流不稳定甚至电容器故障。有两种可能的方法可以减少氧扩散并提高漏电流稳定性——将金属铌粉末与氮化物掺杂到钝化的氮化铌中或使用氧化铌(NbO)作为阳极材料。氧化铌是一种具有高金属导电性的硬质陶瓷材料。氧化铌粉末可以制备成与钽粉类似的结构，并且可以以类似的方式加工以生产电容器。它也可以通过阳极氧化(阳极氧化，成型)进行氧化，生成绝缘介电层。因此，市场上有两种铌电解电容器，一种是使用钝化的铌阳极，另一种是使用氧化铌阳极。两种类型都使用五氧化二铌(Nb2O5)作为介电层。今天小编就带大家深入了解一下铌电容器。

　　1.什么是铌电容器

　　铌电解电容器是一种电解电容器，其阳极(+)由钝化的铌金属或一氧化铌制成，其上的绝缘五氧化二铌层作为电介质。氧化层表面的固体电解质充当电容器的阴极(-)。铌电容器采用SMD封装，在某些额定电压和电容方面可与钽片式电容器竞争。它们可与固体二氧化锰电解质一起使用。和大多数电解电容一样，铌电容也是有极性的元件。高于规定容差的反向电压或纹波电流会损坏电介质，从而损坏电容器;由此产生的短路可能会导致大型设备发生火灾或爆炸。铌电容器是在1960年代在美国和苏联开发的。自2002年以来，它们已在西方商业化，利用铌相对于钽的成本更低和更好的可用性。

图1 铌电容器

　　2.铌电容器的阳极氧化

　　铌与钽和铝类似，是一种所谓的阀金属。将这种金属与电解槽接触并对其施加正电压会形成一层电绝缘氧化物，其厚度对应于所施加的电压。该氧化层充当电解电容器中的电介质。铌的这一特性自20世纪初就为人所知。虽然铌在自然界中含量更丰富，价格也比钽便宜，但其2744℃的高熔点阻碍了铌电解电容器的发展。在1960年代，与钽矿石相比，铌矿石的可用性更高，促使苏联对铌电解电容器进行了研究。在这里，它们的用途与西方的钽电容器相同。随着铁幕的倒塌，这项技术在西方变得更加知名，主要电容器制造商在1990年代后期开始产生兴趣。用于生产铌电容器的材料和工艺与钽电容器基本相同。2000年和2001年钽价格的上涨鼓励了使用二氧化锰和聚合物电解质的铌电解电容器的发展，这些电容器自2002年以来就已上市。

　　每个电解电容器都可以被认为是一个“平板电容器”，其电容随着电极面积(A)和介电常数(ε)的增加而增加，并随着电介质厚度(d)的增加而减小。

　　铌电解电容器的介质厚度很薄，在每伏特纳米的范围内。这种非常薄的介电层与足够高的介电强度相结合，使铌电解电容器能够实现与钽电容器相当的高体积电容。铌阳极材料由烧结成颗粒的粉末制成，颗粒具有粗糙的表面结构，与具有相同占地面积的光滑表面相比，旨在增加电极表面积A。对于固态铌电解电容器，这种表面积的增加可以将电容增加多达200倍，具体取决于额定电压。

图2 铌电容器阳极氧化示意图

　　3.铌电容器的特点

• 铌电容器可替代钽电容器

• 铌电容器以SMD形式提供，使其适用于所有扁平设计的便携式电子系统

• 铌电容器没有浪涌电流限制

• 铌电容器可提供固体电解质，适用于低ESR应用和稳定的电气参数

• 铌电容器的制造商数量有限(AVX和Vishay)

　　4.铌电容器的应用

　　4.1抗点燃失效模式

　　氧化铌比钽及铌金属的点燃能量高两个档次，并且比热是钽及铌金属的两倍，其点燃失效模式显著降低(95%)。再加上介质内的电应力小(施加电压后，和Ta2O5相比，Nb2O5介质更加密集，因此在一定的额定电压下，Nb2O5能够在更低场强下工作)，因而可以负荷较大的波纹电流并降低低阻抗电路中的电压减损。氧化铌电解电容具有很高的抗短路失效机理，并且氧化物基础显著改善了介质击穿后的热破坏阻抗。与金属钽或铌电容器相比，无论其是否具有聚合物电解质系统，氧化铌电解电容提供了真正的“不燃烧”技术。

　　4.2适宜无铅系统

　　无铅装配系统需要更高的回流温度及热机械应力。这些严酷的条件限制了电容器技术。铝及箔片电容对热机械负载极为敏感，特别是对于能够导致严重电失效的回流温度/时间焊接曲线。陶瓷电容最能回弹电的过应力，因此在热机械负载方面能够适应无铅装配。但是，外形较大的陶瓷零件对线路板的弯曲度很敏感，因此必须按照制造商要求去做。陶瓷失效的通常原因是低绝缘电阻或短路失效。新型氧化铌电容器特别引人注目，它与陶瓷电容相似，在热机械应力及较高的温度峰值回流(无铅装配)条件下显示出很好的稳定性，同时对机械薄弱处没有任何反应。

　　4.3无压电效应

　　钛酸钡(大部分介质系统的主体陶瓷材料)的高CV特性呈现颤噪效应。例如，以叠加信号施加直流偏压时(例如1kHz正弦波)，Y5V电容器会开始“蜂鸣”。这一过程也是可逆的，1kHz外部信号也会对电信号产生1kHz噪声。氧化铌电容器虽然也用陶瓷材料粉末，但却没有这种颤噪效应。

　　4.4重量小

　　氧化铌粉的比重是钽粉的一半，这将影响电容器的总重量。比如E型氧化铌电容比用钽粉制成的同尺寸电容大约轻25%。对于相同元件占位面积来说，较轻的重量也可以改善PCB的跌落试验强度，这对于实际应用也是一个重要参数。

　　4.5较高温度下ESR较小

　　NbO电容的温度相关特性与钽电容相同。由于MnO2(第二电极)电导率的改善，ESR(有效串联电阻)随温度下降。因此，较高温度下的滤波特性优于室温25℃下的情况。

　　5.铌电容器的相关问题

　　5.1什么是氧化铌电容器?

　　铌电解电容器是一种电解电容器，其阳极(+)由钝化的铌金属或一氧化铌制成，其上的绝缘五氧化二铌层作为电介质。氧化层表面的固体电解质充当电容器的阴极(-)。

　　5.2什么是氧化铌?

　　氧化铌(Nb2O5)是一种过渡金属氧化物，其带隙值为3.4eV。Nb2O5用于电致变色器件、节能窗、氧传感器和光催化[314–316]。

　　5.3为什么要使用钽电容?

　　钽电容器是使用钽金属作为阳极的电解电容器的一个子类型。钽电容具有优越的频率特性和长期稳定性。它们以其几乎无限的保质期以及高电容密度和可靠性而闻名。

　　5.4铌的价格是多少?

　　铌化合物的重要性相对较小。自然界中发现的那些具有+5氧化态，但已经制备了较低氧化态(+2至+4)的化合物。

　　结语

　　以上就是关于铌电容器特点及应用的介绍了，要注意的是铌电容器通常是极化元件，具有明显标记的正极端子。当极性反转时(即使是短暂的)，电容器会去极化，介电氧化层会破裂，即使以后以正确的极性操作，也会导致电容器失效。如果故障是短路(最常见的情况)，并且电流不限于安全值，则可能会发生灾难性的热失控。