СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ ДИОКСИДА МАРГАНЦА НА ТАНТАЛОВЫХ АНОДАХ ОКСИДНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
METHOD OF PRODUCING COATINGS FROM MANGANESE DIOXIDE ON TANTALUM ANODES OF OXIDE-SEMICONDUCTOR CAPACITORS

Изобретение относится к технологии производства электролитических конденсаторов и может быть использовано в технологии конденсаторов для улучшения электрических характеристик конденсаторов (снижения эквивалентного последовательного сопротивления при низких и высоких частотах, снижения тангенса угла диэлектрических потерь).
2
Известен способ получения покрытий из диоксида марганца на танталовых анодах электрических конденсаторов /патент RU №2284070/, заключающийся в нанесении многослойного покрытия из двуокиси марганца на оксидированные объемно-пористые аноды, которое предусматривает пропитку анодов в 20%-ном водном растворе азотнокислого марганца, 50- и 62%-ных водных растворах смеси азотнокислого и уксуснокислого марганца и последующее пиролитическое разложение этих соединений марганца, когда через каждые два слоя двуокиси марганца производят подформовку анодов, причем при пиролитическом разложении применяются добавки водяного пара и водного раствора аммиака. Подформовка секций является необходимым процессом, позволяющим «залечить» дефектные зоны оксида вентильного металла, например, поры или трещины и щели, образующиеся при пиролизе или вследствие посторонних включений, присутствующих в той или иной степени на поверхности металла. Во время подформовки имеет место электрическое подключение секции, и именно в дефектных зонах оксида металла и непосредственно вокруг них электропроводный диоксид марганца, MnO, за счет местного нагрева частично восстанавливается, выделяя кислород, до оксида марганца, MnO, обладающего более низкой электропроводностью, т.е. большими изолирующими свойствами. При этом оставшийся диоксид марганца продолжает работать как твердый электролит. Выделенный кислород закупоривает поры в оксидном слое, а в трещинах или щелях достигает вентильного металла, окисляя его. Тем самым локализуются и изолируются дефектные зоны, восстанавливается оксид металла, а токи утечки в конденсаторе снижаются.
Недостатком способа является высокое эквивалентное последовательное сопротивление при высоких частотах, повышенное значение тангенса угла диэлектрических потерь.
Известен также способ получения катодной обкладки из диоксида марганца /патент RU №2480855/, который заключается в нанесении многослойного катодного покрытия на оксидированный объемно-пористый анод и включает в себя циклические стадии пропитки анода раствором нитрата марганца с последующим циролитическим разложением нитрата марганца до диоксида марганца при повышенных температурах и подформовкой через каждые несколько нанесенных слоев, причем при пропитке производят удаление воздуха из пор анода путем предварительного вакуумирования и/или медленного погружения анода в пропитывающий раствор с последующей ультразвуковой обработкой пропитываемого анода. Изобретение обеспечивает изготовление катодной обкладки хорошего качества из уменьшенного количества слоев диоксида марганца и позволяет получить оксидно-полупроводниковый конденсатор с высокими электрическими характеристиками при сокращенном технологическом цикле и сниженном расходе материалов.
Недостатком способа является высокое эквивалентное последовательное сопротивление при высоких частотах, повышенное значение тангенса угла диэлектрических потерь.
Известен также способ изготовления оксидно-полупроводниковых конденсаторов /патент RU №2516525/, включающий многократную циклическую пропитку пористых анодов раствором нитрата марганца с добавкой реагента с возрастающей от цикла к циклу концентрацией раствора нитрата марганца и последующее пиролитическое разложение нитрата марганца до диоксида марганца с подформовкой анодов после формирования полупроводникового слоя. В качестве реагента используют азотную кислоту, а на завершающем цикле пропитки - пиролиза после пиролитического разложения нитрата марганца проводят финишную обработку покрытия диоксида марганца парами азотной кислоты при повышенной температуре. При этом азотную кислоту вносят в пропиточный раствор нитрата марганца в количестве, обеспечивающем величину pH раствора нитрата марганца не менее 1, финишную обработку покрытия диоксида марганца парами чистой азотной кислоты проводят при температурах 55-70°С в течение не менее 1 минуты.
Недостатком способа является высокое эквивалентное последовательное сопротивление при высоких частотах, повышенное значение тангенса угла диэлектрических потерь.
Известен также способ получения катодной обкладки конденсатора и оксидно-полупроводниковый конденсатор /патент RU №2463679/, включающий в себя нанесение на секции многослойного покрытия из диоксида марганца, которое при формировании каждого слоя предусматривает пропитку секций без вакуума в водном растворе азотнокислого марганца при температуре 40°С в течение 3-5 минут с последующим пиролитическим разложением азотнокислого марганца в присутствии водяного пара при температуре 270°С в течение 3-5 минут, когда через 3 нанесенные слоя производят подформовку секций в водном растворе уксусной кислоты, причем водяной пар образуется при температуре пиролитического разложения от впрыскивания деионизованной воды в количестве 5-9 литров в минуту, а предпоследний слой дополнительно содержит диоксид кремния и получен путем пропитки секций кремниево-марганцевой суспензией плотностью 2,44 г/см3, состоящей из 60 мас. % водного раствора азотнокислого марганца, 39,5 мас. % мелкодисперсного порошка диоксида марганца и 0,5 мас. % мелкодисперсного порошка диоксида кремния, при температуре 65°С с последующим пиролитическим разложением азотнокислого марганца.
Недостатком способа является высокое эквивалентное последовательное сопротивление при высоких частотах, повышенное значение тангенса угла диэлектрических потерь.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение эквивалентного последовательного сопротивления при высоких частотах и тангенса угла диэлектрических потерь.
3
Поставленная задача была решена за счет того, что в способе получения покрытий из диоксида марганца на танталовых анодах оксидно-полупроводниковых конденсаторов, включающем многократную циклическую пропитку пористых анодов раствором нитрата марганца с возрастающей от цикла к циклу концентрацией раствора нитрата марганца и последующее пиролитическое разложение нитрата марганца до диоксида марганца с периодической подформовкой анодов после формирования полупроводникового слоя, нанесением кремниево-марганцевой суспензии, согласно изобретению, первую и вторую операцию пропитки пористых анодов проводят под вакуумом, а пиролитическое разложение раствора нитрата марганца с концентрацией менее 71% проводят без впрыска воды, при этом перед формированием предпоследнего слоя диоксида марганца проводят обработку покрытия диоксида марганца раствором реагентов, содержащим азотную кислоту и перекись водорода. Причем первую и вторую операцию пропитки пористых анодов проводят под вакуумом с остаточным давлением не более 15 кПа. Пиролитическое разложение раствора нитрата марганца с концентрацией более 71% проводят с впрыском деминерализованной воды с расходом не более 3 л/час. Обработку покрытия диоксида марганца проводят раствором реагентов, содержащим 0,08-0,12% азотной кислоты и 0,08-0,10% перекиси водорода при комнатной температуре в течение не более 1 минуты, с последующей промывкой обессоленной водой и сушкой покрытия при температуре 120-160°С, а при нанесении на покрытие кремниево-марганцевой суспензии поддерживают плотность суспензии 2,2-2,6 г/см, с последующим пиролизом и впрыском деминерализованной воды с расходом не более 3 л/час.
Проведение первой и второй операций пропитки пористых анодов под вакуумом с остаточным давлением не более 15 кПа способствует лучшему проникновению пропиточных растворов в объем анода и увеличению содержания диоксида марганца в порах анода при последующей стадии пиролиза.
Осуществление пиролитического разложения раствора нитрата марганца с концентрацией менее 71% без впрыска воды обеспечивает формирование монофазы диоксида марганца со структурой ахтенскита без примесей триоксида марганца, что снижает сопротивление получаемого катодного покрытия.
Проведение перед формированием предпоследнего слоя диоксида марганца обработки покрытия диоксида марганца раствором реагентов, содержащим азотную кислоту 0,08-0,12% и перекись водорода 0,08-0,10% способствует удалению микродефектов на поверхности катодного покрытия и растворению побочного продукта пиролиза нитрата марганца - триоксида марганца с последующим образованием диоксида марганца при пиролизе и закупориванием микротрещин.
Пиролитическое разложение раствора нитрата марганца с концентрацией более 71% с впрыском деминерализованной воды с расходом не более 3 л/час приводит к формированию цельной оболочки из диоксида марганца с внешней стороны анода, которая обеспечивает формирование утолщенного слоя диоксида марганца и тем самым создает неразрывный контакт между всеми участками спрессованного танталового анода. Введение деминерализованной воды приводит к повышению парциального давления паров воды в атмосфере печи и способствует формированию покрытия из диоксида марганца с низким числом вздутий на поверхности.
Проведение обработки покрытия диоксида марганца при комнатной температуре в течение не более 1 минуты, с последующей промывкой обессоленной водой и сушкой покрытия при температуре 120-180°С способствует удалению остатков раствора реагента, содержащего азотную кислоту 0,08-0,12% и перекись водорода 0,08-0,10%.
3
Нанесение на покрытие кремниево-марганцевой суспензии плотностью 2,2-2,6 г/см, с последующим пиролизом и впрыском деминерализованной воды с расходом не более 3 л/час обеспечивает создание прочного равномерного электропроводящего слоя на поверхности внешнего покрытия из диоксида марганца, который в дальнейшем позволяет закрепить катодный контакт при помощи электропроводящего клея на основе серебра и защищает катодное покрытие от деформации при монтаже анода в пластмассовый корпус.
Примеры осуществления способа:
Пример 1.
Способ получения покрытий из диоксида марганца на танталовых анодах оксидно-полупроводниковых конденсаторов с номиналом 20 В × 22 мкФ осуществляли согласно заявляемому способу на оксидированных танталовых объемно-пористых анодах. Процесс пропитки-пиролиза с подформовкой анодов проводили по технологии, включающей 14 стадий пропитка-пиролиз и 1 стадии химической обработки. Пропитку анодов растворами нитрата марганца (марки ОСЧ) и последующий пиролиз на начальном этапе проводили путем 3 кратного нанесения раствора с концентрацией 24% под вакуумом с остаточным давлением не более 15 кПа и 5 кратного нанесения при атмосферном давлении и температуре 30°С во всех случаях. После этого провели 1 пропитку 43%-ным раствором, 1 пропитку 71%-ным и 4 пропитки 74%-ным раствором при температуре 60°С без вакуумирования. Пиролиз после каждой пропитки проводили в течение 3-х минут при температуре 270°С.
Далее осуществляли обработку секции в растворе реагентов, содержащего 0,08% азотной кислоты и 0,08% перекиси водорода с целью сокращения числа дефектов на поверхности покрытия. Пропитку указанной смесью проводили при комнатной температуре в течение 1 мин; после этого образцы промывали в деионизированной воде при температуре 60°С в течение 30 мин и сушили при температуре 120°С в течение 10 мин. После этого проводили нанесение на покрытие кремниево-марганцевой суспензии плотностью 2,2-2,6 г/см3 (диоксида марганца и оксид кремния в расплаве тетрагидрата нитрата марганца) в течение 6 с, при температуре 50°С и пиролиз в печи при 270°С с подачей деионизированной воды в печь с расходом 3 л/ч, продолжительность пиролиза составляла 3 мин.
2
Полученные образцы анодов с катодным покрытием MnO (серия 10 шт. ) по примеру 1 охлаждали на воздухе и закрепляли катодный токовод при помощи клея на основе серебра. Затем измеряли электрические параметры конденсатора с помощью «Измерителя иммитанса Е 7-20». В результате измерений электрических параметров конденсаторов (среднее значение) сопротивление составило 1290 мОм (частота 100 Гц) и 157 мОм (частота 100 кГц), емкость конденсатора 23,9 мкФ, тангенс угла диэлектрических потерь 1,7%.
Пример 2.
Способ получения покрытий из диоксида марганца на танталовых анодах оксидно-полупроводниковых конденсаторов с номиналом 20 В × 22 мкФ осуществляли согласно заявляемому способу на оксидированных танталовых объемно-пористых анодах. Процесс пропитки-пиролиза с подформовкой анодов проводили по технологии, включающей 14 стадий пропитка-пиролиз и 1 стадии химической обработки. Пропитку анодов растворами нитрата марганца (марки ОСЧ) и последующий пиролиз на начальном этапе проводили путем 3 кратного нанесения раствора с концентрацией 24% под вакуумом с остаточным давлением не более 15 кПа и 5 кратного нанесения при атмосферном давлении и температуре 30°С во всех случаях. После этого провели 1 пропитку 48%-ным раствором, 1 пропитку 71%-ным и 4 пропитки 74%-ным раствором при температуре 60°С без вакуумирования. Пиролиз после каждой пропитки проводили в течение 3-х минут при температуре 270°С.
Затем осуществляли обработку секции в растворе реагентов, содержащего 0,10% азотной кислоты и 0,12% перекиси водорода с целью сокращения числа дефектов на поверхности покрытия. Пропитку указанной смесью проводилась при комнатной температуре в течение 1 мин; после этого образцы промывали в деионизированной воде при температуре 60°С в течение 30 мин и сушили при температуре 160°С в течение 10 мин. После этого проводили нанесение на покрытие кремниево-марганцевой суспензии плотностью 2,2-2,6 г/см3 (диоксида марганца и оксид кремния в расплаве тетрагидрата нитрата марганца) в течение 6 с, при температуре 50°С и пиролиз в печи при 270°С с подачей деионизированной воды в печь с расходом 3 л/ч, продолжительность пиролиза составляла 3 мин.
2
Полученные образцы анодов с катодным покрытием MnO (серия 10 шт. ) по примеру 2 охлаждали на воздухе и закрепляли катодный токовод при помощи клея на основе серебра. Затем измеряли электрические параметры конденсатора с помощью «Измерителя иммитанса Е 7-20». В результате измерений электрических параметров конденсаторов (среднее значение) сопротивление составило 1490 мОм (частота 100 Гц) и 204 мОм (частота 100 кГц), емкость конденсатора 23,4 мкФ, тангенс угла диэлектрических потерь 1,8%.
Пример 3.
Покрытие диоксида марганца на танталовых анодах оксидно-полупроводниковых конденсаторов с номиналом 20 В × 22 мкФ осуществляли согласно прототипу /патент РФ №243679/ на оксидированных танталовых объемно-пористых анодах;
2
Полученные образцы анодов с катодным покрытием MnO (серия 10 шт. ) по примеру 3 охлаждали на воздухе и закрепляли катодный токовод при помощи клея на основе серебра. Затем измеряли электрические параметры конденсатора с помощью «Измерителя иммитанса Е 7-20». В результате измерений электрических параметров конденсаторов (среднее значение) сопротивление составило 2810 мОм (частота 100 Гц) и 240 мОм (частота 100 кГц), емкость конденсатора 22,3 мкФ, тангенс угла диэлектрических потерь 6%. К недостаткам технологии изготовления конденсаторов согласно прототипу можно отнести сложность практической реализации процесса паровой обработки секций по указанному способу.
Таким образом, осуществление способа изготовления оксидно-полупроводниковых конденсаторов согласно заявляемому способу по примерам №1 и №2 способствует повышению технического уровня производства электролитических оксидно-полупроводниковых танталовых конденсаторов за счет снижения эквивалентного последовательного сопротивления конденсаторов в 2 раза, снижения тангенса угла диэлектрических потерь в 3 раза и стабилизации работы элементов в электрической цепи при повышенных частотах.