Niobiumtoepassingen in de elektronica-industrie: condensatoren, niobaten en supergeleiders

Niobium (Nb) is een -gecentreerd kubisch vuurvast metaal met een smeltpunt van 2469 C, een dichtheid van 8,57 g/cm3 en een thermische neutronenvangst-doorsnede van ongeveer 1,15 schuurruimte. In elektronische hardware komt het voor in drie verschillende rollen: als een diëlektrisch oxide in vaste elektrolytische condensatoren, als het B--plaatskation in niobaat-eenkristallen en keramiek, en als het basismetaal van supergeleidende draden en holtes. Omdat elke route een andere interstitiële inhoud tolereert, wordt de toeleveringsketen opgesplitst in poeder van condensator-kwaliteit, kristalgrondstof van optische-kwaliteit en laag-interstitieel metaal voor gebruik van supergeleidende radiofrequenties (SRF).

Niobium in condensatoren en diëlektrische oxiden

Niobiumpentoxide, Nb2O5, heeft een relatieve permittiviteit in bulk van ongeveer 40, tegen ongeveer 27 voor tantaalpentoxide, dus een Nb2O5-diëlektricum levert meer capaciteit per eenheid anodevolume. Anodepoeder wordt geproduceerd door aluminotherme of magnesiotherme reductie van Nb2O5, vervolgens gesinterd en gedeoxideerd om de deeltjesgrootte en zuurstof onder controle te houden. Gesinterde anodes zijn geanodiseerd om het diëlektricum te laten groeien, en de tegenelektrode is een geleidende polymeer- of mangaandioxidelaag. De controlerende variabelen zijn het specifieke oppervlak uitgedrukt als CV/g, het zuurstof- en koolstofgehalte, en de afwezigheid van harde agglomeraten die afbraak veroorzaken tijdens de levensduurtest bij 105 °C.

Niobate-keramiek en opto-elektronische apparaten

Lithiumniobaat, LiNbO3, is ferro-elektrisch met een Curietemperatuur van bijna 1210 C en een uitgesproken piëzo-elektrisch, elektro-optisch en niet-lineair optisch gedrag. Het wordt gekweekt volgens de Czochralski-methode en opgedeeld in oppervlakte-akoestische golffiltersubstraten, elektro-optische modulatoren voor optische verbindingen en periodiek gepoolde kristallen voor frequentieconversie. Kaliumniobaat en natrium-kaliumniobaat vaste oplossingen worden gebruikt in lood-vrije piëzo-elektrische actuatoren. De Li/Nb-verhouding en de stoichiometrie van de niobium{9}}site bepalen de Curietemperatuur en de drempel voor optische schade. Daarom wordt de grondstof van kristal-kwaliteit gespecificeerd op 99,99 procent Nb2O5 of beter.

Supergeleidende magneten en RF-holtes

Nb-Ti-draad heeft een supergeleidende overgangstemperatuur van 9,2 K, terwijl de A15-verbinding Nb3Sn 18,3 K bereikt en wordt gebruikt waar velden boven ongeveer 10 T nodig zijn, bijvoorbeeld kernmagnetische resonantiemagneten met een hoog-veld. Niobium-titanium knuppels in het Nb-47Ti-bereik vallen onder ASTM B884. Voor SRF-holten wordt bulkniobium geleverd onder de reactorkwaliteitsaanduiding UNS R04210; de resterende weerstandsverhouding wordt normaal gesproken gespecificeerd op 250 of hoger, omdat een hogere RRR de RF-oppervlakteweerstand en de cryogene belasting verlaagt.

Materiaalgegevens voor elektronisch-niobium

Productspecificaties en inkomende inspectie

ASTM B391 omvat niobiumstaven, ASTM B392 staaf, staaf en draad, ASTM B393 strip, plaat en plaat, en ASTM B394 buis. De kwaliteiten die in deze specificaties worden gebruikt, worden UNS R04200 en UNS R04210 genoemd. Kopers van elektronische apparaten en supergeleidende apparaten beperken doorgaans de interstitiële limieten tot boven de specificatiemaxima, omdat zuurstof en stikstof de restweerstand verhogen en dunne delen bros maken. Een werkbare inkooporder vermeldt de productvorm, kwaliteit, interstitiële plafonds, RRR of CV/g-doel, korrelgrootte en de testmethode, aangezien geen van deze kan worden afgeleid uit de naam van de legering alleen.

Veelgestelde vragen

Q:Waarom wordt niobium gebruikt in condensatoren in plaats van tantaal?
A: Niobiumpentoxide heeft een hogere diëlektrische constante en niobium is breder verkrijgbaar dan tantaal, dus een Nb2O5-anode bereikt een vergelijkbare capaciteit met een kleiner anodevolume en lagere grondstofkosten.

Q:Welke zuiverheid heeft niobiumpoeder van condensator-kwaliteit nodig?
A: Poeder wordt gewoonlijk besteld met een minimum van 99,9 procent Nb met goed afgedekte zuurstof en koolstof, plus een gedefinieerd CV/g-bereik, omdat de zuurstof die in het poeder achterblijft lekstroom wordt in de voltooide anode.

Q:Welke norm heeft betrekking op niobiumstrips en -platen voor elektronische onderdelen?
A: ASTM B393 omvat strippen, platen en platen van niobium en niobiumlegeringen, met de kwaliteiten UNS R04200 en UNS R04210; staaf, staaf en draad vallen afzonderlijk onder ASTM B392.

Q:Waarom specificeert SRF-holteniobium RRR?
A: De resterende weerstandsverhouding meet hoe weinig verstrooiing van onzuiverheden overblijft bij cryogene temperatuur; een hoge RRR houdt de RF-oppervlakteweerstand laag en vermindert het koelvermogen dat nodig is om de holte op 2 K te houden.

Q:Heeft Nb-Ti of Nb3Sn de voorkeur voor magneten met een hoog-veld?
A: Nb-Ti is taai, gemakkelijk in fijne draad te trekken en voldoende voor ongeveer 10 T; Nb3Sn heeft de hogere overgangstemperatuur en het bovenste kritische veld, maar is bros en moet na het wikkelen reageren.

Q:Welke kristaldefecten zijn van belang in lithiumniobaatwafels?
A: De Li/Nb-verhouding, resterend ijzer en oppervlakteschade door zagen en polijsten zijn de variabelen die de Curie-temperatuur doen verschuiven, de optische absorptie verhogen en de drempel voor optische schade verlagen.