氧化铌的电容器特性及应用

背景及概述^【1】

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(hydrated Ta2O5)，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，因此我们先对元素铌及其化合物做一个系统的概述。

铌和氧可以形成五种氧化物分别为：NbO，Nb02，Nb2O，Nb6O 和 Nb2O5，其中也只有Nb205最为稳定，五氧化二铌以铌氧六面体的结构存在。五氧化二铌良好的介电性质，使其广泛应用于各种陶瓷电容器的生产工艺中。薄膜状的氧化铌材料可以用于生产集成电路的阻容元件。五氧化二铌也是特种光学玻璃的制造材料，可以实现高折射率和低分散性。铌不仅作为金属可以形成氧化物，同时和第五族的 P 元素一样，五氧化二铌也可以形成类似的含氧酸根的铌酸盐，其中大多数铌酸盐不溶于水，在所有的铌酸盐中，铌酸钾具有的溶度。许多铌酸盐晶体具有自发极化的性质，是良好的介电材料，其非线性光学性质在电子工业中也得到了广泛应用。

氧化铌（Nb2O5）具有多种晶相，据报道有近 15 种晶相。其中最常见的晶型主要有假六方相晶系（TT-Nb2O5）、正交晶系（T-Nb2O5）和单斜晶系（H-Nb2O5）。不同温度下，各种晶相间发生相互转化。H-Nb2O5是最稳定的晶相，通常在加热到 1000℃以上时，会形成 H-Nb2O5晶相，而 TT-和 M-Nb2O5是最不稳定的晶相。

氧化铌电容器特性^【2】

NbO 电容器的基本电特性包括：容量范围：10µF~470µF，额定最高到1000µF，外壳尺寸符合EIA(美国电子工业协会)的A 到E 标准。AVX 公司的OxiCapGeneric 系列NbO电容的可靠性为0.5%/1000小时(两倍于钽电容)，Performance 系列的可靠性则为0.2%/1000小时。

可靠性NbO电容器具有非常有效的自愈特性，因而能够保证比其他商用电容器技术更优越的可靠性。Performance系列的可靠性规格高达0.2%/1000小时，例如500000小时MTBF(平均失效时间)。Generic 系列的可靠性为0.5%/1000小时，例如 200000 小时MTBF。这种可靠性等级高于大多数现有商用级别的电容器。

应用^【2】

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Ta 2 O 5相比，Nb 2 O 5 介质更加密集，因此在一定的额定电压下，Nb 2 O 5 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。

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。

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。

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。

较高温度下ESR 较小

N b O 电容的温度相关特性与钽电容相同。由于MnO 2 (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。

参考文献

[1]Tomas Zednicek,S.Zednicek,Z.Sita,周虹.氧化铌技术概要[J].电子产品世界,2003(10):56-57.

[2]赵虎. 氧化铌纳米结构制备及其光催化性能研究[D].中国石油大学(华东),2016.