Аннотация. 
Исследование возможности снижения сопротивления покрытия коллоидного графита в конструкции твердотельных танталовых конденсаторов

Танталовые оксидно-полупроводниковые конденсаторы за более чем полвека своего существования отлично зарекомендовали себя на рынке современных емкостных элементов для радиоэлектронной аппаратуры. В последние годы наиболее широкое применение танталовые оксидно-полупроводниковые конденсаторы приобрели в высокочастотных схемах, что вызывает необходимость снижения сопротивления полупроводникового и контактных слоев. Одним из путей решения данной проблемы и, в то же время, перспективным направлением совершенствования технологии твердотельных танталовых конденсаторов является модификация процессов нанесения на полупроводниковый слой и термической обработки резистивного покрытия коллоидного графита. Контактный углеродный слой согласно традиционной технологии наносят путем пропитки секций танталовых конденсаторов в водной суспензии коллоидного графита (как правило импортного производства), а, затем, производят выдержку на воздухе и термическую обработку при повышенной температуре. В данной статье представлены результаты исследований влияния условий нанесения контактного слоя коллоидного графита на электрические характеристики секций танталовых оксидно-полупроводниковых конденсаторов, в частности на эквивалентное последовательное сопротивление. Предложена методика нанесения суспензии коллоидного графита (аквадага) отечественного производства. Подробно описана конструкция твердотельного танталового конденсатора, роль контактного углеродного слоя и его вклад в величину эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора. Представленные в статье результаты предложены для реализации на существующем производстве конденсаторов.

Ключевые слова: оксидно-полупроводниковые конденсаторы, коллоидный графит, сопротивление конденсатора, катодное покрытие, суспензия, иммитанс, аквадаг.

В электронной промышленности наблюдается устойчивая тенденция уменьшения габаритов электронных устройств и увеличения частот переключения: за последние десять лет рабочие частоты преобразователей возросли с 10кГц до 100кГц и выше. Требование высоких рабочих частот и малых габаритов приводят к расширению применения твердотельных танталовых конденсаторов. Твердотельные танталовые конденсаторы обладают отличными характеристиками: высокой удельной ёмкостью, малыми габаритами. Значение ЭПС (эквивалентного последовательного сопротивления) таких конденсаторов остается неизменным с ростом частоты или даже уменьшается, а значение импеданса на частотах 100 кГц и выше достигает минимального значения. Кроме того, они отличаются высокой надежностью и совместимы со всеми общепринятыми технологиями монтажа [1]. полупроводниковый графит коллоидный По сравнению с электролитическими, оксидно-полупроводниковые конденсаторы имеют заметно меньшее изменение электрических параметров при хранении и требуют небольшого времени тренировки. Они допускают работу при напряжениях значительно ниже номинального значения, а это позволяет увеличивать их срок минимальной наработки [2]. Кроме того, танталовые конденсаторы выгодно отличаются широким диапазоном рабочих температур, долговечностью и сохраняемостью. Рассмотрим более подробно конструкцию подобных конденсаторов и основные технологические стадии формирования элементов, определяющих значение ЭПС конденсатора.

Твердотельные танталовые конденсаторы являются электролитическими конденсаторами, которые состоят из четырех основных частей: анода, диэлектрика, твердого электролита и катода (рисунок 1).

Рис. 1. — Основные элементы конструкции танталового оксидно-полупроводникового конденсатора

Величина эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС, ESR) такого конденсатора закладывается с учетом конструкционных особенностей, при расчете размеров, пористости анодной таблетки, а также на технологических стадиях формирования полупроводникового покрытия диоксида марганца и нанесения контактных слоев углерода и серебра.

В качестве электролита используют диоксид марганца (MnO2), который представляет собой твердотельный полупроводниковый материал. Диоксид марганца формируется в ходе окислительно-восстановительной реакции при термической обработке солей марганца [3−5]. В процессе изготовления конденсатора полученную ранее губчатую структуру пропитывают солями марганца и подвергают нагреву до получения диоксида марганца на поверхности. Этот процесс пропитки и нагревания повторяют несколько раз, до полного покрытия всей структуры [6].

Для улучшения степени контакта поверхность диоксида марганца покрывают слоем графита, а на графит наносят проводящее металлическое покрытие, обычно серебро.

Как известно, эквивалентная схема замещения конденсатора (рисунок 2) кроме емкостной составляющей содержит ряд дополнительных элементов:

• · индуктивную составляющую (L), которая учитывает индуктивность выводов;
• · параллельное сопротивление (Rp), которое позволяет учесть ток утечки через диэлектрик и поверхностные токи утечки;
• · последовательное эквивалентное сопротивление («Equivalent Series Resistance», ESR, ЭПС) [7].

Рис. 2. — Эквивалентная схема конденсатора

При работе на переменном напряжении конденсатор обладает последовательным сопротивлением. На низких частотах это сопротивление определяется сопротивлением диэлектрика (Ta2O5). На высоких частотах начинает преобладать сопротивление электролита (MnO2). Типовая частотная зависимость определяет уменьшение ESR с ростом частоты вплоть до мегагерцового диапазона. Так как сопротивление диоксида марганца обратно пропорционально температуре, то ESR твердотельного танталового конденсатора на высоких частотах уменьшается с ростом температуры.

Переходный катодный слой коллоидного графита наносят в виде электропроводного покрытия с целью снижения переходного сопротивления между полупроводниковым слоем диоксида марганца, являющимся твердым электролитом и выполняющим функцию катодной обкладки конденсатора, и слоем металлического покрытия, служащим в качестве контактного покрытия, необходимого для обеспечения впайки конденсаторного элемента в корпус. По традиционной технологии в качестве переходного слоя наносят углеродное электропроводное покрытие, как правило графитовое, в частности из коллоидного графита.

В данной статье представлены результаты исследования возможности снижения ЭПС танталового оксидно-полупроводникового конденсатора путем модификации технологических параметров нанесения переходного покрытия коллоидного графита. Направления исследования были основаны на выводе из определения электрического сопротивления проводника:

R=сl/S, где.

R — электрическое сопротивление проводника, Ом;

с — удельное сопротивление материала проводника, Ом*м;

l — длина проводника, м;

S — площадь поперечного сечения проводника, м 2.

Было предложено два пути снижения сопротивления резистивного покрытия коллоидного графита: за счет подбора оптимального режима термической обработки суспензии углерода (то есть путем изменения величины удельного сопротивления проводника) и/или уменьшения толщины пленки покрытия (снижая концентрацию графита в суспензии и подбирая оптимальный состав основы суспензии).