低ESR钽电容器中石墨和银浆的优选

低ESR钽电容器中石墨和银浆的优选

摘要

顾客对以聚合物和二氧化锰为电解质的钽电容器的低ESR（等效串联电阻）特性有持续的需求。要生产出致密的阴极接触层，石墨和银浆的配方的优选就很重要。优选后的石墨和银浆具有良好的浸渍性并对被膜块起到良好的包覆作用。良好的石墨层和银浆层也可以在钽电容器的生产和表面安装过程中表现出良好的热稳定性和结合强度。

本文描述了石墨和银浆的关键特性。讨论了钽电容器生产过程中覆盖在电解质上的石墨和覆盖在石墨之上的银浆两者之间的相互影响。

可使用润湿角度测量方法、热稳定性变化和阳极块界面结合强度来解释石墨和银浆的特性。要使钽电容器获取理想性能，需要重点讨论一下石墨和银浆中碳、银浆、树脂和溶剂各自所起的作用。针对石墨和银浆特性对低ESR钽电容器生产提出一些建议。

1、前言

为获得低ESR钽电容器（以聚合物和二氧化锰作为电解质），有必要强调一下石墨和银浆在其中所起的作用。重点关注的是石墨和银浆的颗粒尺寸分布和形态，因为在烘干后所形成的薄膜层中，石墨和银浆需要形成良好的包覆状态才能有利于电连接。树脂的正确选择也是很重要的，它对内部ESR 以及ESR的稳定起到重要的作用。钽电容器在进行表面安装过程中，要经受远红外回流焊焊接；在这种回流焊过程中，石墨、银浆和树脂的良好包覆对钽电容器经受住260℃或更高温度起到很重要的作用。树脂热衰变会导致ESR出现较大的偏移，同时会引起钽电容器的机械性能失效。以前，树脂使用的是丙烯酸，现在已经被新型树脂所取代，其中包括环氧类树脂。通过温度重力分析（TGA）对这些原材料进行定量分析，可以说明热稳定性变化和ESR偏移的所导致的差异。

导电填充物（银或碳）和树脂之间比例对最终ESR有直接的关系。这种比例范围需要评价继而才能获得更低ESR。树脂低将会导致导电填充物分布不良。树脂太多又会压缩银或碳，继而导致导电层变薄。

使用的溶剂类型对石墨和银浆的性能也很重要。溶剂的选择方法可通过对聚合物/二氧化锰层上的石墨和银浆进行简单的接触角测量得到。溶剂对石墨和银浆的浸润性和边角覆盖的好坏将会对钽电容器的质量有直接的影响。另外，流变能力也会影响到包覆性、导电层的厚度以及内部ESR。

对于配方设计工程师来说，必需有针对的对聚合物钽电容器和二氧化锰钽电容器开发出不同的银浆和石墨浆料。这些浆料的电性能和相互作用很大程度会受到电解质类型的影响。对于有机聚合物电解质钽电容器来说，银浆/石墨的烘干温度一般比二氧化锰电解质钽电容器要小得多。通常二氧化锰电解质钽电容器用银浆/石墨的烘干温度大于150℃；而有机聚合物电解质钽电容器用银浆/石墨的烘干温度低于150℃。受高烘干温度的影响，二氧化锰型钽电容器会因烘干温度原因而使银层稠化，从而降低ESR。可是，对于聚合物钽电容器这种稠化现象是不会发生，这就需要对原材料性能进行最优选择。

为了说明树脂类型和不同阴极层结合强度之间的关系以及温度增加前后初始ESR和变化ESR之间的关系，要对附着力强度进行测量。

2、试验

碳和银（粉粒）颗粒尺寸的分布可使用X光衍射仪进行测量。

为了评价ESR，将有机聚合物钽电容器（D壳）手工浸入浆料中，然后用吸墨纸吸干；在空气中风干浆料，然后在80℃下预干燥20分钟，紧接着在150℃下烘干30分钟。对于二氧化锰，浆料烘干温度是200℃，时间持续60分钟。烘干后使用仪器测试ESR和热稳定性。

为了确定润湿角，可将浆料小液滴直接滴在电容器表面，这样就可以获得液滴的数字图像，然后测量接触角。

通常使用被银块上的残端的机械拉力强度去评价石墨/银内表面的附着力。测量温度为260℃（选择高温度是为了强调本体强度和树脂粘合物类型之间的差异）。

3、结果和讨论

石墨粉末

通常，石墨粉末是由不同颗粒尺寸和表面积的颗粒构成。在实际配比中有必要对粉粒进行评价以确定出合理的类型。图1显示出的是石墨的扫描电子图片。标样中的石墨颗粒尺寸有6微米。

图1 石墨的扫描电子图片图2 银粉A的扫描电子图片银粉

一般情况下，银粉是用银盐通过化学方法制成。在这个反应中有可能改变银盐变量，产生不同分布或不同形态的颗粒尺寸的银粉。

为了说明化学沉淀法中参数改变对合成银粉的物理性能影响，准备了两种银粉A和B，并通过改变化学过程来进行比较。银粉A的颗粒尺寸是6.1um，银粉B的颗粒尺寸是3.5um。图2和图3是银粉A和B的扫描电子图片。

图3 银粉B的扫描电子图片

银片

为了把银粉制成更好的导电银片形态，需要有一个研磨过程。使用设计好的试验（使用不同的研磨状态）生产出银片。在研磨过程中需要使用表面活性剂作为润滑油。表面活性剂可避免银粉粘结在一起，有助银粉在银浆中散布。有文献表明表面活性剂的正确选择以及与混入树脂的良好作用对钽电容器是有益的。

使用银粉和表面活化剂制成4种银片。通过改变制作过程可以获得不同尺寸的银片。使用颗粒尺寸测试仪进行测量，结果见表1。

表1 银片的颗粒尺寸

为了确定不同颗粒尺寸分布/形态对银粉的影响，要选择出合理的浆料配方。浆料要用已准备好的银片A、B、C和D分别制成。然后在已用石墨包覆的聚合物钽电容器上进行浸渍、吸干和烘干。测量ESR结果见表2。

表2 不同银片的银浆的ESR

从结果可以看出，通过使用颗粒为3~4微米的银粉颗粒（B或C），可以有效地降低ESR。通过电子扫描分析对银片进行验证。图4和图5显示的是电子扫描图片。银片A具有最小的片式结构，而银片D具有最大的片式结构。银片的形态对银浆的ESR有直接的影响。

图4 银片B的扫描电子图片图5 银片D的扫描电子图片树脂的热稳定性

为了表现出银浆中所使用粘合树脂的作用以及对热稳定的影响，准备了两种银浆配方。银浆A 是由丙烯酸树脂制成。银浆B是由环氧树脂制成。这两种标样在正常的烘干曲线下烘干，然后按10℃/分钟速率从30℃到400℃进行升温。

图6a银浆A（丙烯酸）TGA曲线图6b银浆A（丙烯酸）TGA曲线弱——热稳定性——弱热稳定性