CN110233052B - 一种电容器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电容器制造技术领域，尤其是涉及一种电容器及其制备方法。所述电容器，其芯组外表面包裹有保护层，所述保护层主要成分为弹性体材料。所述制备方法包括：在电容器芯组表面涂覆或浸渍表面处理液，固化形成保护层，模压封装得到电容器；表面处理液中包括弹性体材料。本发明通过弹性保护层的设置，既提高了芯组防水防潮能力，又提高生产或使用过程中抵御外界应力的能力，从而提高了电容器在高温高湿环境下的稳定性，拓宽应用范围。

Description

一种电容器及其制备方法
技术领域
本发明涉及钽电容器制造技术领域，尤其是涉及一种电容器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着电子整机系统对电容器产品要求的不断提高以及电容器制造技术的发展，片式钽电容器的性能得到很大的提高。片式钽电容器包括二氧化锰片式钽电容器和导电聚合物片式钽电容器。二氧化锰片式钽电容器是指以钽金属为阳极，以二氧化锰为阴极电解质制造的电解电容器，导电聚合物片式钽电容器是指以钽金属为阳极，以聚噻吩(PEDOT)为阴极电解质制造的电解电容器。
以钽金属为阳极的电解电容器为例，其生产过程中有烧结工序，通过高温高真空条件下，可以较好的去除钽芯内部的部分杂质，但仍不能完全去除。存在少部分杂质的钽芯，在后续形成介质氧化膜过程中，有杂质的微区域不能生成完整的Ta2O5膜，或者因为氧化膜在形成时产生晶化、晶格缺陷。同时由于钽电解电容器后续被膜工序、模压工序等生产过程温度应力、机械应力的影响，介质氧化膜缺陷部位进一步劣化或局部受损产生裂纹等缺陷。当电容器两端施加工作电压时，由于缺陷部位绝缘电阻低，按欧姆定律：I＝V/R，缺陷部位绝缘电阻R越低，则钽电容器的漏电流I越大。
由于片式钽电容器模压封装层为非密封结构，在长时间的储存或在高热高湿环境中，钽电容器暴露在空气中后容易吸附潮气，比如聚噻吩具有固有的吸潮特性，在大气环境中，易吸收空气中的水汽，从而引发电容器吸潮。按照《IPC/JEDEC J-STD-020D.1非气密固态表面贴装器件的潮湿/再流焊敏感度分类》和《IPC/JEDEC J-STD-033C潮湿/再流焊敏感表面贴装器件的操作、包装、运输及使用》的规定，导电聚合物片式钽电容器的湿度敏感(MSL)等级为三级。导电聚合物片式钽电容器吸潮后，在回流焊安装过程中，内部吸收的潮气会迅速汽化转变为蒸汽，急剧膨胀而产生“爆米花”现象，这可能导致钽电容器的封装层起泡、开裂；严重时还会引发钽电容器介质层受损，使其耐压和耐浪涌电流冲击的能力降低，诱发电容器在使用过程中出现短路或击穿等质量问题。对于高温高湿的工作环境(如40℃/95％RH、60℃/90％RH、85℃/85％RH等环境条件)更是难以承受。对于二氧化锰片式钽电容器，在回流焊安装过程中，钽电容器内部潮气瞬间气化膨胀使基体材料之间产生物理性的相互挤压过程，介质氧化膜缺陷部位在热应力的作用下不断劣化，形成漏电通道，在后续通电过程中，由于介质氧化膜缺陷部位场强高、电流密度大，电流集中通过使该部位发热，热量积聚诱发热致晶化的发生，温度的升高促进晶核的形成和成长，使无定形的Ta2O5介质氧化膜局部晶化进而破裂，并最终导致该部位氧化膜击穿从而发生短路失效。并且，由于钽电容器阴极二氧化锰为多孔体结构，潮气从模压包封层进入后向阴极二氧化锰空隙渗透，直至接触到阳极钽芯表面。当阳极钽芯表面介质氧化膜存在杂质、裂纹、孔洞等微缺陷时，水汽分子将通过杂质、裂纹、孔洞等微缺陷与阳极钽芯连通，从而形成阴极二氧化锰与阳极钽芯间的漏电通道。当对钽电容器施加电压时，在电场作用下由于该通道电阻低，电流集中通过，也会导致钽电容器发生击穿短路失效。因而，由于上述原因局限了片式钽电容器的使用范围与发展。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种电容器，以解决现有技术中存在的钽电容器无法适应高温高湿环境的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种电容器的制备方法，该制备方法操作简单，条件温和，制备得到的片式钽电容器，具有优异的耐外界应力及高温高湿环境下的稳定性。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种电容器，所述电容器的芯组外表面包裹有保护层，所述保护层主要成分为弹性体材料。
优选的，所述电容器为片式钽电容器。
其中，钽电容器的芯组是指完成点焊浸焊后的部件。片式钽电容器包括钽电容器芯组和绝缘封装层，钽电容器芯组被绝缘封装层模压封装，本发明的保护层设置在钽电容器芯组外表面与绝缘封装层之间，在点焊浸焊引出电容器的正负极后的芯组表面设置保护层，避免模压封装的非密封结构导致的吸潮，引发电容器的性能下降或击穿短路失效。
本发明通过在钽电容器的芯组表面包裹设置有保护层，使芯组的外层结构更加稳定，并且通过保护层的设置，提高芯组的防水防潮能力；同时，保护层具有弹性，作为缓冲层，能够有效缓解后续生产过程温度应力、机械应力作用的影响，避免介质氧化膜缺陷部位劣化等。因而，通过弹性保护层的设置，既提高了芯组防水防潮能力，又提高生产或使用过程中抵御外界应力的能力，从而提高了钽电容器在高温高湿环境下的稳定性，拓宽应用范围。
优选的，保护层的厚度为0.1-1μm。
优选的，保护层主要由弹性体材料和助剂混合固化而成。
优选的，弹性体材料包括硅油。其中，硅油优选甲基硅油。
优选的，助剂包括乙基全氟丁基醚、乙基全氟异丁基醚、聚酰胺酸、二甲基甲酰胺、乙酸丁酯、丙酮和N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。
优选的，保护层主要由含氟丙烯酸酯、乙基全氟丁基醚和乙基全氟异丁基醚混合固化而成。
采用氟化物作为保护层，利用氟化物的较小的范德华力，固化形成的膜层具有润滑、抗粘的作用，在钽电容器模压封装过程中，可降低模压应力对钽芯表面的冲击，进一步提高产品在高温条件下的稳定性。
优选的，保护层主要由按体积分数计的含氟丙烯酸酯5-15％、乙基全氟丁基醚20-45％和乙基全氟异丁基醚40-75％混合固化而成。更优选的，保护层主要由按体积分数计的含氟丙烯酸酯8-12％、乙基全氟丁基醚25-40％和乙基全氟异丁基醚50-65％混合固化而成。
优选的，保护层主要由硅油和溶剂混合固化而成。其中，所述硅油优选包括甲基硅油。所述溶剂优选包括乙酸丁酯和/或丙酮。更优选的，所述硅油和溶剂的体积分数比为(40％-80％)﹕(20％-60％)。
优选的，片式钽电容器的固体电解质为导电聚合物电解质或二氧化锰电解质。
本发明还提供了一种电容器的制备方法，包括如下步骤：
在钽电容器芯组表面涂覆或浸渍表面处理液，固化形成保护层，模压封装得到片式钽电容器；表面处理液中包括弹性体材料。
本发明的片式钽电容器的制备方法，通过对点焊浸焊后的钽电容器芯组表面进行保护层的固化，具有防水、防油、防污等作用，阻挡或隔绝了空气中的水汽与导电聚合物或二氧化锰的接触，能够有效避免产生吸潮现象，并提高钽电容器耐外界应力的能力。
本发明的制备方法操作简单，条件温和，可重复性好，适于大规模生产。并且，在点焊浸焊后进行保护层的设置，有效避免了虚焊的情况。
优选的，表面处理液主要由弹性体材料和助剂混合而成。如在不同实施方式中，表面处理液主要由含氟丙烯酸酯、乙基全氟丁基醚和乙基全氟异丁基醚混合而成。优选的，主要由按体积分数计的含氟丙烯酸酯5-15％、乙基全氟丁基醚20-45％和乙基全氟异丁基醚40-75％混合而成；更优选的，主要由按体积分数计的含氟丙烯酸酯8-12％、乙基全氟丁基醚25-40％和乙基全氟异丁基醚50-65％混合而成。或者，表面处理液主要由按体积份数计的硅油40-80％、溶剂20-60％混合而成，溶剂包括乙酸丁酯和/或丙酮。
根据不同的表面处理液成分，采用适宜的固化条件即可。如在不同实施方式中，如采用氟丙烯酸酯、乙基全氟丁基醚和乙基全氟异丁基醚混合作为表面处理液时，于常温条件下固化15-30min即可。如采用甲基硅油、乙酸丁酯(或丙酮)混合作为表面处理液时，可在180±5℃条件下，固化30-35min，然后自然冷却即可。
优选的，表面处理液的固含量为5-15％。
优选的，涂覆的方法包括：将表面处理液涂覆在钽电容器芯组的各表面。涂覆后，将涂覆好的钽电容器芯组室温条件下静置，直至芯组表面无液体痕迹后。
优选的，浸渍的方法包括：将钽电容器芯组浸渍于表面处理液中，浸渍1-10min后取出即可。取出时，优选按1-2mm/min的速度取出钽电容器芯组，保证表面处理液在芯组表面均匀附着。
优选的，表面处理液的制备方法包括：按比例混合各原料，搅拌混合均匀，真空处理去除气泡。
本发明的钽电容器芯组的制备方法采用常规方法即可，如根据实际需求将一定比容的钽粉按照常规方法压制成钽坯块，然后按照常规方法烧结形成阳极钽块；按常规方法将阳极钽块置于磷酸溶液中形成电介质氧化膜层Ta2O5介质氧化膜；按常规方法在Ta2O5介质氧化膜表面聚合PEDOT导电薄膜作为导电聚合物电解质，或采用常规方法在Ta2O5介质氧化膜表面被覆二氧化锰层；然后采用常规方法在覆有固体电解质的阳极钽块表面涂覆石墨和银浆；按照常规方法将表面涂覆有石墨和银浆的钽芯粘接组装到引线框架上，并引出电容的正负极，得到钽电容器芯组。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过在钽电容器的芯组表面包裹设置有保护层，使芯组的外层结构更加稳定，并且通过保护层的设置，提高芯组的防水防潮能力；
(2)本发明通过对保护层材料的优化设计，进一步提高防水防潮能力，并且使其作为缓冲层，能够有效缓解后续生产过程温度应力、机械应力作用的影响，避免介质氧化膜缺陷部位劣化等，提高生产或使用过程中抵御外界应力的能力，从而提高了钽电容器在高温高湿环境下的稳定性，拓宽应用范围；
(3)本发明的制备方法，采用表面处理液对钽电容器的芯组进行表面预处理，使其外层结构更加稳定，提高防水防潮以及抵御外界应力的能力；同时，表面预处理方法简单，条件温和，适宜大规模生产。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明具体实施例中所采用的部分试剂信息如下：
含氟丙烯酸酯：哈尔滨雪佳集团；
乙基全氟丁基醚：金锦乐化学有限公司；
乙基全氟异丁基醚：金锦乐化学有限公司；
甲基硅油：上海龙旭化工有限公司；
聚酰胺酸：倚顿新材料(苏州)有限公司；
二甲基甲酰胺：南京仁恒化工有限公司；
乙酸丁酯：天津市致远化学试剂有限公司；
丙酮：洛阳昊华化学试剂有限公司；
N-甲基吡咯烷酮：昆山裕隆化工有限公司。
实施例1
本实施例的片式钽电容器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将比容为40000μFV/g的钽粉压制成钽坯块，然后于1410℃真空条件下烧结形成含有钽引线的阳极钽块，烧结密度为6.5g/cm3；
(2)将阳极钽块浸渍于磷酸溶液中制备Ta2O5介质氧化膜，具体的，将步骤(1)得到的阳极钽块浸渍于浓度为0.44‰-0.88‰的磷酸溶液中，以20mA/g电流密度升压至54V，然后恒压8小时-12小时，通过电化学方法在阳极钽块表面形成均匀致密的五氧化二钽介质氧化层；
(3)在Ta2O5介质氧化膜表面聚合PEDOT导电薄膜，可采用常规方法，具体的，将步骤(2)得到的阳极钽块浸渍于一定比例噻吩单体与氧化剂混合配制的聚合液中，然后在相应恒温恒湿环境中通过原位化学聚合生成聚合物，经过反复多次聚合在介质层表面被覆15-30μm厚度的PEDOT导电聚合物层；
(4)在PEDOT表面涂覆石墨和银浆，并将涂覆有石墨和银浆的钽芯粘接组装到引线框架上，引出电容器的正负极，得到钽电容器芯组；
(5)将芯组浸渍于表面处理液中，浸渍1min后按1-2mm/min的速度取出芯组；其中，表面处理液由按体积分数计的含氟丙烯酸酯15％、乙基全氟丁基醚20％和乙基全氟异丁基醚65％混合而成，浸渍结束后，室温放置固化20min，在芯组表面形成保护层；
(6)将步骤(5)中形成有保护层的芯组进行模压封装，组装形成电容器。
实施例2
本实施例参考实施例1中的片式钽电容器的制备方法，区别仅在于：步骤(5)中，表面处理液由含氟丙烯酸酯5％、乙基全氟丁基醚45％和乙基全氟异丁基醚50％混合而成，浸渍时间为10min。
实施例3
本实施例参考实施例1中的片式钽电容器的制备方法，区别仅在于：步骤(5)中，表面处理液由含氟丙烯酸酯15％、乙基全氟丁基醚45％和乙基全氟异丁基醚40％混合而成，浸渍时间为5min。
实施例4
本实施例参考实施例1中的片式钽电容器的制备方法，区别仅在于：步骤(5)中，表面处理液由含氟丙烯酸酯5％、乙基全氟丁基醚20％和乙基全氟异丁基醚75％混合而成，浸渍时间为3min。
实施例5
本实施例参考实施例1中的片式钽电容器的制备方法，区别仅在于：钽粉的比容为8000μFV/g；步骤(5)中，表面处理液由含氟丙烯酸酯8％、乙基全氟丁基醚20％和乙基全氟异丁基醚72％混合而成，浸渍时间为2min。
实施例6
本实施例参考实施例5中的片式钽电容器的制备方法，区别仅在于：步骤(5)中，表面处理液由含氟丙烯酸酯8％、乙基全氟丁基醚20％和乙基全氟异丁基醚72％混合而成，浸渍时间为4min。
实施例7
本实施例参考实施例5中的片式钽电容器的制备方法，区别仅在于：步骤(5)中，表面处理液由含氟丙烯酸酯8％、乙基全氟丁基醚30％和乙基全氟异丁基醚62％混合而成，浸渍时间为6min。
实施例8
本实施例参考实施例5中的片式钽电容器的制备方法，区别仅在于：步骤(5)中，表面处理液由含氟丙烯酸酯8％、乙基全氟丁基醚40％和乙基全氟异丁基醚52％混合而成，浸渍时间为8min。
实施例9
本实施例的片式钽电容器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将比容为23000μFV/g的钽粉压制成钽坯块，然后于1500℃真空条件下烧结形成含有钽引线的阳极钽块，烧结密度为7.2g/cm3；
(2)将阳极钽块浸渍于磷酸溶液中制备Ta2O5介质氧化膜，具体的，将步骤(1)得到的阳极钽块浸渍于浓度为0.44‰-0.88‰的磷酸溶液中，以20mA/g电流密度升压至54V，然后恒压8小时-12小时，通过电化学方法在阳极钽块表面形成均匀致密的五氧化二钽介质氧化层；
(3)将形成有Ta2O5介质氧化膜的阳极钽块浸渍硝酸锰，200℃分解形成二氧化锰层，二氧化锰层的厚度为30μm；
(4)在二氧化锰层表面涂覆石墨和银浆，并将涂覆有石墨和银浆的钽芯粘接组装到引线框架上，引出电容器的正负极，得到钽电容器芯组；
(5)按体积分数计，将60％甲基硅油和40％乙酸丁酯混合均匀，真空处理去除溶液中存在的气泡，得到表面处理液；使用涂笔蘸取表面处理液对芯组的六面进行涂覆，在芯组的各个面均不能产生凸起液体，涂覆均匀，将涂覆好的芯组常温下静置20-30min，至芯组表面无多余液体残留于表面后，将芯组置于180℃的烘箱中固化30-35min，固化后，室温自然冷却，在芯组表面形成保护膜；
(6)将步骤(5)中形成有保护层的芯组进行模压封装，组装形成电容器。
实施例10
本实施例参考实施例9中的片式钽电容器的制备方法，区别仅在于：步骤(5)中，表面处理液由按体积分数计的60％的甲基硅油和40％的丙酮混合而成。
比较例1
比较例1参考实施例1的制备方法，区别在于：将步骤(4)得到的钽电容器芯组直接进行步骤(6)的模压封装。
比较例2
比较例2参考实施例9的制备方法，区别在于：将步骤(4)得到的钽电容器芯组直接进行步骤(6)的模压封装。
实验例1
为了对比说明本发明的片式钽电容器和传统的片式钽电容器的性能区别，分别采用本发明上述实施例1-8和比较例1制备两种规格的电容器，并分别施加额定电压进行85℃/85％RH、1000小时耐湿试验，对试验前后钽电容器的电性能进行测试，测试结果见表1-2。
表1制备得到的16V100μF钽电容器的耐湿试验前后测试结果
Figure BDA0002091190310000111
Figure BDA0002091190310000121
表2制备得到的50V10μF钽电容器的耐湿试验前后测试结果
Figure BDA0002091190310000122
从上表中可知，本发明的制备方法制备得到的电容器在耐湿试验前后，电性能参数稳定，且都在标准允许变化范围内，整个试验过程中未出现电参数恶化或电容器短路击穿现象，表明电容器质量稳定可靠，能够经受85℃/85％RH高温高湿的环境条件，本发明扩展了电容器的应用范围。
实验例2
为了对比说明本发明的片式钽电容器和传统的片式钽电容器的性能区别，分别采用本发明上述实施例9-10和比较例2制备两种规格的电容器，并分别施加额定电压进行85℃/85％RH、1000小时耐湿试验，对试验前后钽电容器的电性能进行测试，测试结果见表3-4。
表3制备得到的25V47μF-E钽电容器的耐湿试验前后测试结果
Figure BDA0002091190310000131
表4制备得到的25V47μF-E钽电容器的合格率及失效率测试结果
Figure BDA0002091190310000132
通过上表的数据可以看出，本发明所生产的片式电解电容器合格率提升约17.29％，并且具有较强抵御外界热、湿应力的影响，在极限条件下，产品的失效率从约80％降低至2％，效果十分明显。采用本发明的表面处理液和处理方法，能够对电解电容器在生产、储存、使用过程中起到很好的保护作用，在不影响产品电参数及用户使用的情况下，降低产品由于外界应力导致失效的概率，提高产品可靠性。能够很好地满足产品在恶劣环境下储存及使用的要求。
本发明通过在钽电容器的芯组表面包裹设置有保护层，使芯组的外层结构更加稳定，并且通过保护层的设置，提高芯组的防水防潮能力。本发明通过对保护层材料的优化设计，进一步提高防水防潮能力，并且使其作为缓冲层，能够有效缓解后续生产过程温度应力、机械应力作用的影响，避免介质氧化膜缺陷部位劣化等，提高生产或使用过程中抵御外界应力的能力，从而提高了钽电容器在高温高湿环境下的稳定性，拓宽了应用范围。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电容器，其特征在于，所述电容器的芯组外表面包裹有保护层；
所述电容器为片式钽电容器；
所述保护层由含氟丙烯酸酯、乙基全氟丁基醚和乙基全氟异丁基醚混合固化而成。
2.根据权利要求1所述的电容器，其特征在于，所述保护层的厚度为0.1-1μm。
3.根据权利要求1所述的电容器，其特征在于，所述电容器的固体电解质为导电聚合物电解质或二氧化锰电解质。
4.权利要求1-3任一项所述的电容器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在电容器芯组表面涂覆或浸渍表面处理液，固化形成保护层，模压封装得到电容器。
5.根据权利要求4所述的电容器的制备方法，其特征在于，所述表面处理液由按体积分数计的含氟丙烯酸酯5-15%、乙基全氟丁基醚20-45%和乙基全氟异丁基醚40-75%混合而成。
6.根据权利要求4所述的电容器的制备方法，其特征在于，所述表面处理液由按体积分数计的含氟丙烯酸酯8-12%、乙基全氟丁基醚25-40%和乙基全氟异丁基醚50-65%混合而成。
7.根据权利要求4所述的电容器的制备方法，其特征在于，所述涂覆的方法包括：将表面处理液涂覆在所述电容器芯组的表面。
8.根据权利要求7所述的电容器的制备方法，其特征在于，将涂覆好的电容器芯组室温条件下静置，直至芯组表面无液体痕迹。
9.根据权利要求4所述的电容器的制备方法，其特征在于，所述浸渍的方法包括：将所述电容器芯组浸渍于表面处理液中，浸渍1-10min后取出。
10.根据权利要求9所述的电容器的制备方法，其特征在于，按1-2mm/min的速度取出所述电容器芯组。
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