↑随着电子工业的发展,电器产品不断向高性能、小型化、集成化发展。电解电容器是现代电器产品中必不可少的元件。目前它不能被植入大规模集成电路中,因此大容量电解电容器的小型化,即高比电容化也是高技术电器产品发展的关键环节之一。↑↑
↑氧化铝是介电常数比较高的介电材料。铝箔表面经氧化处理后会形成一定厚度的氧化铝膜,铝电解电容器就是利用这层铝膜的介电性质来实现存储电荷的功能。铝质电解电容器的制作简便、价格低廉、性能优良、质量可靠,因此在电器产品中得到了广泛的应用。普通铝箔平板电容器的电容量公式为:C=↑↑ε↑↑0↑↑ε↑↑r。其中C表示电容量、↑↑ε↑↑0和↑↑ε↑↑r分别表示真空介电常数和相对介电常数、S和d分别表示介电薄膜的面积和厚度。氧化铝的相对介电常数约为8~10。由电容量的计算公式可以看出↑↑ε↑↑0和↑↑ε↑↑r都是自然常数,如果想要提高电容器的容量就需要提高介电薄膜的面积S或降低介电薄膜的厚度d。厚度d与电容器的工作电压有关。尤其对高压电容器来说,过低的d值会导致氧化膜在工作中被击穿,因此工作电压确定后d值也就确定了。在特定的高电压下只有通过增加介电薄膜的面积才能够获得高的电容量值。然而简单地增加面积虽然可以增加电容量,但也同时会增加电容器的体积,因此不符合电器产品小型化发展的要求。↑
↑人们通过探索和研究发现,借助特殊的腐蚀技术可以在铝箔表面腐蚀出大量的垂直于表面的隧道。如图1所示,这种隧道可以在不增加、甚至减少铝箔重量的前提下极大地增加铝箔的表面,为大幅度地提高氧化铝介电薄膜的面积提供了前提。可以想象,如果所腐蚀的隧道孔不垂直于表面,则不仅隧道孔会互相穿插干扰,而且还会降低腐蚀隧道的深度,从而明显地阻碍增加表面积的效应。↑
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↑普通铝箔↑
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↑铝是一种晶体材料,其原子通常在三维空间呈周期性排列。进一步的深入研究发现,隧道孔的方向只会平行于铝箔特定的原子排列方向。隧道孔与铝原子排列方向的相互关系晶体如图2a所示,图中小圆圈为铝原子规则排列的位置,深色区域表示隧道孔的走向。金属学上把铝原子按照图2a所示的方向排列时铝箔的表面称为100面。图2b给出了当原子排列方向发生倾斜,即铝箔表面不是100面时倾斜隧道孔腐蚀较浅的情况。↑
↑显示了扫描电子显微镜下观察到的真实高压电解电容器铝箔腐蚀隧道孔的走向。其中可以同时看到100表面和非100表面不同的隧道孔走向和腐蚀深度。↑
↑由此可见,为确保电容器高比电容的特性,高压电解电容器铝箔表面应该有尽可能多的100面。20世纪90年代初期,高压电解电容器铝箔100面占有率的世界先进水平达到了90%,目前的100面占有率水平已经超过95%,接近100%。↑
↑高压电解电容器铝箔的生产过程包括高纯铝的熔炼和铸造、热轧加工、冷轧加工以及加热退火处理等多种工序。在加工过程中铝原子虽然不会改变自身特有的排列规律,但会改变其排列方向。上述每道加工过程都会诱发铝原子按照新的方向重新排列。对于大量使用的包装用铝箔,并不需要关注铝箔内原子排列的方向,而对于电解电容器铝箔则需要特别地关注原子排列的方向。这是电解电容器铝箔生产技术的难点,也是该类产品高技术含量和高附加值的原因所在。当前,人们已经大体掌握了高压电解电容器铝箔生产过程中原子重新排列方向的规律,并巧妙地利用这种规律,使最终加热退火后的铝箔获得95%以上的100面占有率。↑