高比容铝电极箔制造技术及其机理研究

冯哲圣¹

(1.电子科技大学微电子与固体电子学院,成都,610054)

摘要:高比容铝电极箔制造技术是实现铝电解电容器小型化的关键技术,本论文从提高铝电极箔电蚀扩面倍率及提高介质膜介电常数两个不同角度出发,对低压铝电极箔增容技术的机理及相关工艺进行了详细研究,大幅度地提高了国产铝电极箔比容水平,所取得的主要结论及创新性的结果如下:(1)提出了高纯铝在腐蚀性介质体系中发生点蚀时,蚀核萌生机制和蚀孔生长机制研究了高纯铝在不同腐蚀介质中点蚀萌生时的恒电位电化学电流噪声,结果表明:蚀核的萌生主要来自于高纯铝表面膜结构内部与表面的活性点;这些活性点主要与高纯铝表面膜结构与电化学条件相关,而与溶液组成并无直接关系;蚀核的萌生是高纯铝表面膜结构中活性点与侵蚀性离子的相互作用的结果.活性点能否萌生为蚀核受溶液中侵蚀性离子的攻击作用与缓蚀性离子的保护作用共同影响,因此也受溶液组成的影响;Cl浓度的增加可提高蚀核的萌生几率,而SO2-4离子的加入则大幅度降低了高纯铝在含Cl溶液中蚀核萌生几率.(2)对高纯铝交流腐蚀机理进行了研究,首次提出了Cl氧空位输运侵蚀机制,以及SO2-4氧空位缓蚀作用机制采用三角波动电位扫描法研究了高纯铝交流腐蚀机理,提出了Cl通过存在于侵蚀膜内微晶晶界上的氧空位输运,从而对铝基体进行侵蚀的机制.并利用上述机制对相关实验现象进行了解释.对SO2-4在铝电极箔电蚀扩面工程中缓蚀作用机理进行了研究,指出SO2-4的独特缓蚀作用为:在点蚀萌生时,通过氧空位阻断机制阻止蚀孔萌生,但一旦蚀孔生成,促进蚀孔迅速增大,同时蚀孔内发孔数量增加.因此一定量SO2-4的添加有利于铝电极箔海绵层结构的生成.(3)建立了YF基元生长模型对铝电极箔理论扩面倍率进行了计算针对已有的铝电极箔理论扩面倍率计算模型不能准确反映中低压铝电极箔的海绵状蚀孔特征的缺点,提出了YF基元生长模型对铝电极箔理论扩面倍率进行了较为准确地计算.结果表明:目前实际的扩面倍率在高压部分与理论扩面倍率很接近,但在中低压部分实际扩面倍率与理论扩面倍率相差较大.因此高压铝电极箔通过电蚀扩面提高比容的前景较小,而对于中低压铝电极箔,提高单位面积静电容量的余地还很大.(4)研究了交流发孔工艺发孔工艺是铝电极箔电蚀扩面工程中的关键工艺,本文分析对比了低压铝电极箔交流发孔工艺与直流发孔工艺.对交流发孔工艺进行了工艺研究,优选出了一套较好的交流发孔工艺参数,该工艺与常规蚀孔生长工艺进行配套后,腐蚀箔比容在51Vf时可达到18.8μF/cm2.(5)研究了高介电常数的介质膜生长技术提高铝电极箔介质膜的介电常数可大幅度地提高铝电极箔比容.本文研究了一系列与目前工业联动腐蚀、化成线具有良好兼容性的后处理增容技术,并对相关机制进行了研究.其中经过磷酸-铬酸处理或胺类溶液处理,提高铝氧化膜内γ''-Al2O3或γ-Al 2O3的含量,在合适的工艺条件下,国产铝电极箔比容在51Vf下分别可增容37.5%和35%.首次提出并研究了通过无机盐水解的技术途径在铝介质膜内复合高介电常数阀金属氧化物,在实验室工艺条件下,铝电极箔比容在51Vf下可增容45.6%.目前该技术已申请国家发明专利.(6)将小波及小波包信号分解及重构引入测试信号的分析处理中,取得了良好效果在高纯铝点蚀机理的研究方面,首次提出了电化学噪声小波包分解子带能量谱分析技术,该分析技术具有表现电化学噪声信号"指纹"特征的能力,对腐蚀体系、腐蚀类型及腐蚀状态都具有较强的敏感性.对高纯铝变频腐蚀机制所进行的研究中,采用小波包时频分解,证明了高纯铝变频腐蚀动力学机制仍服从Tafel关系.首次基于小渡包分解与信号重构方法,给出了在进行变频腐蚀动力学机制研究中动力学参数βa的实时测量方法.

关键词:铝电解电容器; 铝电极箔; 比容; 点蚀; 高介电常数; 机理; 小波分析;

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