METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
VÝROBA TANTALOVÝCH KONDENZÁTORŮ V AVX LANŠKROUN Autor: Ing. Tomáš Kárník , CSc. AVX Czech Republic, Dvořákova 328, 563 01 Lanškroun, Česká republika
Abstrakt:
Elektrický kondenzátor je zařízení pro sběr a uchovávání a případné vybití elektrického náboje. Obvykle je popisován jako dvě elektricky vodivé desky, oddělené izolující vrstvou (dielektrikem). Článek popisuje výrobu a vlastnosti tantalových kondenzátorů, vyráběných ve firmě AVX Czech Republic, Lanškroun.
Abstract:
Electric capacitor is device for storage and future reclaiming of electric charge. Capacitor is usually described as two conductive plates, insulated by dielectric layer. The paper deals with production and properties of Surface Mount Tantalum Capacitors, produced in AVX Czech Republic, Lanškroun.
1. Úvod Tantalový kondenzátor je elektrické součástka ke sběru a uchovávání elektrického náboje. Obvykle je popisován jako dvě elektricky vodivé desky, oddělené izolující vrstvou (dielektrikem). Jednou elektricky vodivou deskou je kovový tantal, dielektrikum tvoří vrstva Ta2O5 , a druhá elektricky vodivá deska je z polovodivého MnO2. Kondenzátor je dále spojen s kovovými přívody, zapouzdřen do plastového pouzdra, označen a zabalen. Důležité vlastnosti kondenzátorů jsou vyjádřeny v označení, a znamená „velikost pouzdra“ „kapacita“ „tolerance“ „jmenovité napětí“; např. A16K10 znamená velikost pouzdra A, kapacita 16µF, K je tolerance ±10% kapacity, a 10 je maximální použitelné napětí 10 V. Výroba kondenzátoru v úvodních operacích je založena na práškové metalurgii, dále na elektrochemii a termického rozkladu; skládá se z následujících operací: • • • • • • • • • • •
Příprava prášku pro lisování Lisování prášku společně s kontaktním drátem Vymývání pojiva a sušení Sintrace Sváření anod (Anode load) Formování Manganizace Laserové svařování do pásu přívodů (Leadframů) Pouzdření do plastů, Elektrické testování a vzhledová kontrola Balení a expedice
Kapacita kondenzátoru je přímo úměrná velikosti povrchu vodičů a nepřímo úměrná tloušťce dielektrika. S tím ohledem se provádí všechny operace, které by mohly vést ke ztrátám kapacity.
-1-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Ve výrobě kondenzátorů je maximální důraz kladen na bezpečnost práce, vzhledem k hořlavosti tantalového prachu, a dále na čistotu celého procesu. 2. Příprava prášku pro lisování Z vlastností prachů se nejvíce hodnotí tzv. CV.g-1, což je součin kapacity a maximálního napětí 1 gramu prachu. Tato veličina je konstantní a je rozhodující pro další použití prachu.V současnosti se zpracovává prach o max. CV.g-1 = 70 000 µF.g-1. Tantalový prach se pro usnadnění lisování míchá s roztaveným pojivem, a po namíchání co nejrychleji zpracuje, aby se maximálně omezila adsorpce kyslíku na povrchu prášku. 3. Lisování tantalového prachu Cílem lisování je dát prachu konečný tvar, nejčastěji kvádru s radiusy, s vysokou pórovitostí. Do výlisku je zalisován tantalový drát, který bude u kondenzátoru sloužit jako přívod elektrického proudu na tantal (jednu desku kondenzátoru). Celý výlisek i s drátem se v dalších procesech nazývá „anoda“. Anody se lisují po dávkách, kde jedna dávka je maximální počet anod na třech sintračních miskách, např. pro velikost „R“ nebo „A“ je cca 90000 anod.
Obr. 2.: Tantalová anoda po nalisování 4. Vymývání anod a sušení Před sintrací je nutno z anod odstranit pojivo – organické látky, a to na konečný obsah ≤ 40 ppm uhlíku. Pojivo se odstraňuje několikanásobným vymýváním v louzích a kyselinách a konečným proplachem demineralizovanou vodou. Po vymývání se anody vakuově suší a měří se obsah uhlíku. 5. Sintrace Cílem sintrace je vyrobit pórovitou sintrovanou anodu, s co největší pevností, hlavně se měří pevnost spoje anoda-drát. Tyto protichůdné požadavky vedou k celé škále sintračních podmínek, v závislosti na požadovaných vlastnostech kondenzátoru. Pro vysokonapěťové kondenzátory se používají vyšší sintrační teploty, 1600 – 1800°C, vysokokapacitní kondenzátory se sintrují při teplotách 1300 – 1500°C. Vyšší teploty sintrace vedou k pevnějším kontaktům zrn prachu a ke zmenšení specifického povrchu, což snižuje elektrický odpor ale také kapacitu anody, nižší teploty sintrace vedou k opačným výsledkům. Anody se po dávkách sintrují ve vakuu nebo v atmosféře vysoce čistého argonu. Každý typ sintrace má své výhody, ale u vakuové sintrace výhody převažují. Zařízení pro sintraci je tan-
-2-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
talové, pro omezení kontaminace anod jinými kovy.Po sintraci se měří základní elektrické parametry na vzorku z dávky, měří se tzv. kapacita za mokra a tzv. zbytkový proud. 6. Sváření anod (anode load) Po sintraci se anody navařují konci tantalových drátků na ocelové lišty. Tato operace nemá vliv na konečné vlastnosti kondenzátorů, má pouze vliv na masovost dalších operací. S takto upravenými anodami se snadněji hromadně manipuluje, resp. snadněji se podrobují následujícím operacím ve vodných roztocích. U operací „anode load“ je rozhodujícím činitelem přesnost ve vzdálenosti lišta-anoda, která nesmí lišit o více než 0,02 mm mezi anodami. 7. Formování V operaci formování se na pórovitém povrchu anody tvoří vrstva dielektrika tj. amorfního Ta2O5. Vrstva oxidu roste díky reakci kovového Ta s kyslíkem z elektrolýzy vody. Amorfní Ta2O5 má dielektrickou konstantu = 25, a velmi malou hodnotu zbytkového proudu. Nejstabilnější dielektrikum se tvoří při elektrolýze ve zředěné kyseliny fosforečné nebo etylenglykolu. Tloušťka dielektrické vrstvy se řídí napětím elektrolýzy, a rychlost růstu dielektrické vrstvy se řídí velikostí proudu. Obecně platí, že pomaleji rostlé dielektrikum má nižší konečné hodnoty zbytkového proudu. Závislost napětí na čase
Závislost proudu na čase 2
40 Proud [A]
Napětí [V]
50 30 20 10 0
1,5 1 0,5 0
0
200
400
600
0
200
Čas [min]
400
600
Čas [min]
Obr. 3.: Časové průběhy napětí a proudu v průběhu formování
Obr. 4.: Navařené tantalové anody po formování s naneseným teflonem Kvalita dielektrika je závislá, kromě rychlosti růstu, na čistotě formovací lázně. Po ukončení procesu se vyplachují zbytky formovací lázně a na tantalový drát se dále nanáší teflonová vrstva, která zabraňuje vzlínání chemikálií v dalších operacích.
-3-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
8. Manganizace Po jedné vodivé vrstvě (pórovitý Ta) a dielektriku (Ta2O5) je nutné vytvořit druhou vodivou vrstvu. Tato vrstva je tvořena polovodivým MnO2, který se tvoří v pórech tantalové anody. Výroba je založena na postupném vsakování roztoků Mn(NO3)2 s postupně se zvyšující koncentrací s následným termickým rozkladem, při kterém se tvoří MnO2 a NOx. Oxid manganatý má oproti elektrolytu nevýhodu vyššího odporu, zato výhodu že v provozu už dále nedegraduje. Během manganizace se několikrát opravuje dielektrická vrstva tzv. „doformováním“.
Obr. 5.: Schématický řez tantalovým kondenzátorem Vrstva MnO2 se elektricky zakontaktuje přes postupně nanášené vrstvy grafitu a stříbra. Těmito operacemi je ukončena výroba elektricky funkčních součástí budoucího kondenzátoru. Kondenzátor se potom laserově přivaří do tzv. „pásu přívodů“ – „leadframe“, zapouzdří do termosetu, označí, elektricky otestuje, vzhledově zkontroluje a zabalí pro expedici k zákazníkům. Celkový počet výrobních operací od tantalového prachu po hotový kondenzátor je v současné době 135, což značně ztěžuje identifikaci chyb nebo příčin zlepšení. Proto je do výroby po každé důležité operaci zařazena mezioperační kontrola. 9. Závěr AVX je společnost, která v současnosti ovládá cca čtvrtinu světového trhu s tantalovými kondenzátory. Tato čtvrtina trhu znamenala koncem roku 2000 týdenní produkci přibližně 90 milionů kusů všech typů. Pro udržení a zlepšení pozice na trhu je třeba řešit následující úkoly: • Zavádění prachů s vyšším CV.g-1, úspora prachu • Zlepšování ESR a impedance kondenzátorů, zaváděním tzv. vodivých polymerů místo MnO2 • Náhrada tantalu jiným kovem, hlavně Nb -4-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Se zmíněnými problémy je spojena celá řada doprovodných úkolů, např. vysoko CV prachy jsou jemnozrnnější a tvrdší, což znamená vyšší opotřebení lisovacích nástrojů. Řešením uvedených otázek je pověřeno technologické oddělení AVX Lanškroun, ve spojení s ostatními závody AVX v Paingtonu, El Salvadoru a v Myrtle Beach. Literatura AVX interní zprávy
-5-
