無(wú)源濾波元器件-電容知識(shí)介紹要點(diǎn)

1、無(wú)源濾波元器件-電容的介紹和深入認(rèn)識(shí)無(wú)源濾波元器件-電容的介紹和深入認(rèn)識(shí) 無(wú)源濾波元器件-電容的介紹和深入認(rèn)識(shí)關(guān)鍵詞：鋰電容、鋁電容、陶瓷電容、濾波、ESR、ESL、可靠性摘 要：無(wú)源濾波元器件中，電容是一個(gè)很重要的基本元器件，但應(yīng)用中 由于對(duì)電容的認(rèn)識(shí)不深，存在一些不正確的使用而造成問(wèn)題。本 文主要針對(duì)我司常用的三類(lèi)電容（鋁電容、鋁電容和陶瓷電容）， 從電容結(jié)構(gòu)、制造工藝入手，結(jié)合濾波模型關(guān)注的參數(shù)性能進(jìn)行 深入的剖析，最后引出如何正確可靠應(yīng)用電容。結(jié)構(gòu)上采取每類(lèi) 電容一大章，每一章三小節(jié)分析：第一小節(jié)簡(jiǎn)單介紹電容的結(jié)構(gòu) 和生產(chǎn)加工工藝流程；第二小節(jié)為電容主要性能參數(shù)的變化特點(diǎn), 涉及到如何

2、應(yīng)用等方面；第三小節(jié)介紹電容使用中的物理可靠性 問(wèn)題需要關(guān)注的地方。同時(shí)附錄還對(duì)三類(lèi)電容在參數(shù)、特性及應(yīng) 用上做了深入的比較?？s略語(yǔ)清單:縮略語(yǔ)英文全名中文解釋SSNSimultaneous Switching Noise同步開(kāi)關(guān)噪聲MLCCMultiple Layer Ceramic Capacitor疊層陶瓷片狀電容DFDissipation Factor損耗因子ESREquivalent Series Resistor等效串聯(lián)電阻前言：對(duì)于器件自身產(chǎn)生的SSN噪聲（同步開(kāi)關(guān)噪聲），主要是利用 電容的對(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)低阻的特性來(lái)"濾除”的（噪聲是不能被濾除掉的， 只是被低阻導(dǎo)至地平

3、面，使電源和地平面處于同一電位），即根據(jù)目標(biāo)阻 抗的概念，通過(guò)在電源兩端并聯(lián)各種規(guī)格的電容，從而實(shí)現(xiàn)在器件端往電 源兩端看，電源內(nèi)阻在要求頻段范圍內(nèi)低于目標(biāo)阻抗 32 ;而要濾除電源自 身（如開(kāi)關(guān)電源噪聲）或外界耦合過(guò)來(lái)的噪聲，單純的電容低阻濾波并不 能很好的達(dá)到目的（因?yàn)閱渭兊牟⒙?lián)電容只是一個(gè)簡(jiǎn)單的單極點(diǎn)濾波器） 18,這時(shí)就要考慮其他手段，如串上電感或磁珠等對(duì)噪音呈現(xiàn)阻擋特性的 器件，如PI濾波、EMI濾波電路，或使用有源濾波電路（如運(yùn)放或后級(jí)線 性電壓調(diào)整器電路）等。不管采用什么樣的實(shí)現(xiàn)手段，電容作為一個(gè)基本 元素，只有對(duì)它的阻抗頻率特性有深入的了解認(rèn)識(shí)，才是設(shè)計(jì)好電源濾波 電路的第一步

4、。限于篇幅，本文介紹的電容主要基于目前公司已有編碼、單板電源電 路應(yīng)用較多的器件：電解電容（插裝液態(tài)鋁箔電解電容 /貼片固體鋰電解電 容）、陶瓷電容（MLCC）。對(duì)于其他電容如薄膜電容或其它結(jié)構(gòu)的電容， 如插裝鋰電解電容等，則不作介紹，在描述上，為了方便起見(jiàn)，除非特別 指明，鋁電容指我司的通用插裝鋁箔電解電容；鋰電容指常規(guī)貼片固體能 電解電容；陶瓷電容指疊層陶瓷片狀電容（MLCC）。I 鋁電解電容除了少數(shù)的固體鋁電解電容外，通常所說(shuō)的鋁電容是在高純鋁箔經(jīng)過(guò) 電化學(xué)擴(kuò)面刻蝕和陽(yáng)極氧化形成電介質(zhì)絕緣層后制成的液體電解質(zhì)電容 器，其絕緣介質(zhì)厚度為幾百埃到幾千埃（埃 -10,0m）,是目前大量應(yīng)用電

5、容中容量和工作電壓做得最高的極性電容器。一般認(rèn)為鋁電容的可靠性不高，如低溫性能不好、ESR較大、不適合于中高頻場(chǎng)合、容易干涸造成使 用壽命有限、難以片狀化、插裝引腳積累灰塵帶靜電并造成短路等等，但 隨著工藝水平的提高，在某些特定應(yīng)用場(chǎng)合下，使用鋁電解電容在性能上 可以滿(mǎn)足要求，而且成本和可靠性方面上還要優(yōu)于其它電容，如在承受大 的上電沖擊電流的低阻抗電路中，鋁電容比鋰電容要可靠。下面分3個(gè)小節(jié)介紹：第一小節(jié)簡(jiǎn)單介紹鋁電容的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)加工工藝 流程；第二小節(jié)為鋁電容主要性能參數(shù)的變化特點(diǎn)，涉及到如何應(yīng)用等方 面；第三小節(jié)介紹鋁電容使用中的物理可靠性問(wèn)題需要關(guān)注的地方。這里 的鋁電容指的是通用插裝

6、鋁箔液態(tài)電解電容，關(guān)于濾波性能更為優(yōu)越的貼 片固體鋁電解電容應(yīng)用建議，請(qǐng)參考貼片鋁電容替代鋰電容可行性分析 報(bào)告。1.1 鋁電解電容的結(jié)構(gòu)和主要加工環(huán)節(jié)通常所指的鋁電容都是指由一個(gè)鋁箔卷繞結(jié)構(gòu)的芯子，浸漬了液態(tài)電 解質(zhì)（注意區(qū)分電介質(zhì)和電解質(zhì)），引出兩個(gè)端極并包封在密封金屬外殼 里。從外觀上看，芯子與紙介電容器的芯子類(lèi)似，但其結(jié)構(gòu)不同，它由一 個(gè)陽(yáng)極箔，浸透電解質(zhì)的分隔紙和陰極箔層疊卷成，箔通常是高純度的鋁 箔，為了增加與電解質(zhì)接觸的表面積，在光滑的鋁箔表面上用腐蝕方法刻 蝕了許多微小的條狀溝道。表面看來(lái)容量似乎是由兩個(gè)箔極之間決定的， 實(shí)際上容量是由陽(yáng)極箔與電解質(zhì)之間來(lái)決定的，正極平面層是陽(yáng)

7、極箔；電 介質(zhì)是陽(yáng)極箔表面上絕緣的鋁氧化膜；真正的負(fù)極平面應(yīng)是導(dǎo)電的液態(tài)電 解質(zhì)，而陰極箔僅僅是起到連接電解質(zhì)和端頭引線的作用。圖 1-1為一個(gè)鋁 電容的典型結(jié)構(gòu)圖：U- Slee'e 套筒- Can鋁外殼Element 芯子Lead Wire引線鋁型引出片Aluminum TabRubber Seal橡膠塞引統(tǒng)Lead Wire鋁墊引出片 Ajuminum Tab 分隔紙/電解質(zhì) Separalcr Paper/ Electrolyt Qalhode Foil陰極箔Anode Foil陽(yáng)極箔圖1-1：鋁電容的典型結(jié)構(gòu)圖F面簡(jiǎn)單介紹一下鋁電容生產(chǎn)的主要加工環(huán)節(jié)：a) 刻蝕陽(yáng)極和陰極箔通

8、常為高純度的薄鋁箔(0.020.1mm厚)，為了增加容 量，需要增大箔的有效表面積，利用腐蝕的辦法對(duì)與電解質(zhì)接觸的鋁箔表 面進(jìn)行刻蝕(成千上萬(wàn)微小條狀)。對(duì)于低壓電容，表面面積可以通過(guò)刻 蝕增大100吾，對(duì)高壓則一般為2025倍，即高壓電容比低壓電容的腐蝕系 數(shù)要小，這是由于高壓的氧化膜較厚，部分掩蓋了腐蝕后的微觀起伏，降 低了有效表面積的緣故。b) 形成陽(yáng)極箔表面附著電容的電介質(zhì)，這個(gè)電介質(zhì)是一層薄薄的鋁氧化物 (AI2O3),它是通過(guò)電化學(xué)方法在陽(yáng)極箔表面通過(guò)“形成 Forming”的工 藝過(guò)程生成。氧化鋁的厚度與形成電壓有關(guān)(1.41.5nm/V),通常形成 電壓與工作電壓有一個(gè)比例系數(shù)

9、，鋁電容的比例系數(shù)較小，為 1.22 (固 體能電容為35),因此，如果有一個(gè)450V額定電壓的鋁電容，若比例系 數(shù)為1.4,則形成電壓為450X 1.4=600V,這樣其氧化膜的厚度大概為1.5nm >600 = 900nm,這個(gè)厚度不到人頭發(fā)直徑的百分之一。形成工藝減小了箔的有效表面積。因?yàn)槲顪系罆?huì)被氧化物覆蓋，溝道 刻蝕類(lèi)型可以通過(guò)選擇箔和刻蝕過(guò)程來(lái)調(diào)整。這樣，低壓陽(yáng)極有精細(xì)的溝道類(lèi)型和薄的氧化物，而高壓陽(yáng)極有粗糙的溝道類(lèi)型和厚的氧化膜，陰極 箔不用進(jìn)行形成，所以它還保持大的表面面積和深度刻蝕樣貌。c) 切片鋁箔以一卷成4050cm寬的條狀，在經(jīng)過(guò)刻蝕和形成工藝后，再根據(jù) 最終

10、電容高度規(guī)格要求切成所需的寬度。d) 芯包卷繞鋁箔切片后，在卷繞機(jī)上按一層隔離紙、陽(yáng)極箔、另一層隔離紙、陰 極箔合成并卷繞成柱狀芯子結(jié)構(gòu)，并在外面在卷上一個(gè)帶狀的壓敏條來(lái)防 止芯子散開(kāi)。分隔紙作為陽(yáng)極箔和陰極箔之間的襯墊層，既可以用以防止 兩電極箔接觸而短路，同時(shí)作為吸附和蓄存液態(tài)工作電解質(zhì)的載體。在芯包卷繞前或卷繞過(guò)程中，鋁墊引出片鐘接到兩個(gè)電極箔上，以方 便后面引出到電容的端極。最好的鐘接方法是采用微處理器控制定位的冷 壓焊接，以保證這過(guò)程中芯子的寄生電感小于 2nH,較古老的鐘接方法是 通過(guò)穿透鋁箔，折疊起來(lái)的方式，冷壓焊接降低了短路失效的可能性，而 且在高紋波電流應(yīng)用下有較好的特性，而

11、舊的鐘接方式在充放電應(yīng)用場(chǎng)合 下常會(huì)使個(gè)別連接點(diǎn)斷裂失效。e) 連接引出端鋁墊引出片的擴(kuò)展就是電容的引出端極。對(duì)于軸向引線結(jié)構(gòu)的電容， 陰極墊在密封前與金屬外殼焊接在一起。f) 注入液態(tài)電解質(zhì)在芯子里注滿(mǎn)了工作電解液讓分隔紙充分吸收并滲透至毛細(xì)的刻蝕管 道中。注入過(guò)程是將芯子浸漬在電解液中并進(jìn)行加熱(或不加熱)的真空-強(qiáng)壓循環(huán)處理，對(duì)于小容量電容，僅僅只是浸漬吸收就可以。電解液由 不同化學(xué)成分混合而成，根據(jù)不同的電壓和應(yīng)用環(huán)境溫度范圍，其組成成 分也不同。水在電解液成分中占據(jù)一個(gè)主要角色，它增加了電解液可導(dǎo)性 從而減小了電容的ESR,但同時(shí)降低了沸點(diǎn)影響了在高溫下的性能，降低 了貯藏時(shí)間。當(dāng)漏

12、電流流過(guò)，水分子分解成氫氣和氧氣，氧氣在漏電流處 與陽(yáng)極箔金屬生成新的氧化膜（自愈），氫氣則通過(guò)電容的橡膠塞逸出。 因此為了維持氧化膜的自愈特性，是需要有一定比例成分的水。g) 密封電容芯子密封在金屬外殼罐里，大多數(shù)金屬外殼為鋁。為了釋放產(chǎn)生 的氫氣，并不是絕對(duì)的密封，當(dāng)內(nèi)外壓力差值超過(guò)某一值時(shí)，氫氣可單向 透過(guò)橡膠逸出，消除爆破的危險(xiǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，封得太密，會(huì)導(dǎo)致過(guò)強(qiáng)的壓 力，太松，則會(huì)使電解液揮發(fā)干涸失效。h) 老化老化是電容生產(chǎn)的最后一步，在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)施加一個(gè)大于額定電 壓但小于形成電壓的直流電壓，一般會(huì)在電容的額定溫度下進(jìn)行（也可能 在其它溫度甚至室溫下），這個(gè)過(guò)程可以修復(fù)氧化膜的缺

13、陷，老化是篩選 早期失效的電容的一個(gè)很好手段，低的初始漏電流是有效老化的一個(gè)標(biāo)志。1.2 影響濾波效果的模型參數(shù)特點(diǎn)認(rèn)識(shí)由于寄生參數(shù)和電容材料結(jié)構(gòu)自身因素，實(shí)際電容器的等效電路可以 用下面圖1-2的RLC串聯(lián)圖來(lái)表示：閣Effect ofESLII ' 口一EquivalentEgR Equivalentseries inductanceseries resistance _ _ESR -* Ideal c圖1-2:電容等效電路圖及鋁電解電容典型阻抗幅度特性 i對(duì)于鋁電容的阻抗頻率幅度曲線，在低頻由5確定，由于電解電容容量可以做得比較大，因此鋁電容廣泛應(yīng)用于低頻濾波場(chǎng)合；在數(shù)十千赫到

14、數(shù)百千赫下，則由ESR確定，由于鋁電解電容的ESR較大，其阻抗頻率幅度 特性曲線一般為U形，而不像瓷片電容由于ESR小，在諧振頻率點(diǎn)處會(huì)有一 個(gè)明顯的下尖而呈現(xiàn)的V形；而在兆赫下，由切，L確定，普通的鋁電容其ESL 是較大的，這大大限制了在高頻下的應(yīng)用。因止匕ESR值較高和ESL較大限制 了鋁電解電容在高頻場(chǎng)合下的應(yīng)用。下面針對(duì)鋁電容等效電路里的各項(xiàng)參數(shù)（C、ESM口 ESL）來(lái)分析頻率 阻抗特性，從而了解其在電源濾波電路中的應(yīng)用。（關(guān)于鋁電容的 阻抗頻 率特性測(cè)試,請(qǐng)參考附件31）1.2.1電容量容量是選擇應(yīng)用電容首要考慮的第一個(gè)因素。目前，鋁電解電容的電 容量范圍業(yè)界可做到0.1uF3F

15、（公司編碼的范圍為：0.47uF6.8mF）, 工作電壓從5V500V。電容每一量級(jí)一般分6個(gè)數(shù)值：1.0、1.5、2.2、3.3、 4.7、6.8。應(yīng)用于濾波場(chǎng)合時(shí)，從阻抗角度看（Z = %C）,電容容量越大，阻抗越 小，因此容量越大濾波效果越好；但由于電容的非理想性，其自身構(gòu)造帶 來(lái)的寄生參數(shù)限制（見(jiàn)上圖），使得應(yīng)用頻率一般不應(yīng)超過(guò)自身諧振頻率f = 1點(diǎn)；諧振頻率點(diǎn)f 2m記，不僅與ESL有關(guān)，還與電容C有關(guān)，從鋁電容的 ESL和C的分布范圍，可以推算諧振頻率從 11kHz （Lmax = 30nH; Cmax= 6.8mF）至U2.5MHz （Lmin = 10nH; Cmin=0.4

16、7uF ）,實(shí)際上從上面的阻 抗幅度頻率特性圖看到，由于鋁電容的ESR比較大，呈現(xiàn)“ U ”型特性，這 樣并不能很好的定位那一點(diǎn)是諧振頻率，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，這一平坦的區(qū)域同 樣有助于濾波（當(dāng)然前提是小于目標(biāo)阻抗），因此完全按照諧振頻率點(diǎn)來(lái) 進(jìn)行限制是不妥當(dāng)?shù)模恢C振點(diǎn)可作為一個(gè)參考，實(shí)際應(yīng)用的截止頻率肯定 要比該點(diǎn)高（一般不超過(guò)幾百kHz,由ESR/ESL和目標(biāo)阻抗共同決定）。濾 波應(yīng)用時(shí)，小容量鋁電容（10uF電容）不具有優(yōu)勢(shì)，寄生參數(shù)大，而且容 量小，在高溫時(shí)壽命短，主要還是大容量的電解電容應(yīng)用于低頻的濾波場(chǎng) 合。電容量隨著溫度變化而變化：通常，從 25c到高溫極限，容量增加不 超過(guò)10%;對(duì)于

17、40C極限的電容，在40c時(shí)，低壓電容的容量會(huì)下降 20%,高壓電容則下降有40%之多；在20c到40C溫度區(qū)間時(shí)，容量 下降最快；對(duì)于55c極限的電容，在40c時(shí)，下降通常不超過(guò)10%; 在55C時(shí)，不超過(guò)20%。由于ESR、ESL寄生參數(shù)影響，鋁電容的電容量隨著頻率的升高而減小。1.2.2 ESF®通用鋁電解電容，具ESR值一般在幾十毫歐2.5歐（100kHz/25C）。 從業(yè)界資料上了解到通用鋁電解電容的 ESR范圍在10mrQ10Q。對(duì)于Low ESR鋁電解電容，其ESR值在手冊(cè)中有給出，一般幾十mQ （100kHz/20 C）。下面分析一下鋁電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)及與 ESR的關(guān)

18、系，ESR直由三個(gè)部分 所組成，即：1）氧化膜介質(zhì)損耗所代表的等效串聯(lián)電阻（r介）2 ）電解質(zhì)所代表的等效串聯(lián)電阻（r解）3）板極歐姆電阻、導(dǎo)電層的歐姆電阻，以及其間的接觸電阻（金） ESR= r介+r解+ r金=署,這里的均。即電容器的損耗角正切值或損耗 因子（Dissipation Factor）DF,定義為DF=項(xiàng)C ESR o電解電容用于脈 動(dòng)電路時(shí)，衡量其交流特性的參數(shù)指標(biāo)用電容量及均設(shè) 有時(shí)則用阻抗和ESR, 一般來(lái)說(shuō)，廠家喜歡用tg6指標(biāo)，因?yàn)槠浔阌诳己水a(chǎn)品的質(zhì)量；而對(duì) 于應(yīng)用來(lái)說(shuō)，ESR則更為容易理解。如果工藝上不出差錯(cuò)而且工作頻率較 低時(shí)，隆是可以忽略掉的（當(dāng)工作頻率較高時(shí)，

19、出現(xiàn)趨膚效應(yīng)，這時(shí) r金影響 就較大）；另外，氧化膜介質(zhì)的tgb介值在電解電容器的工作頻率范圍內(nèi)， 可近似地認(rèn)為是一個(gè)常值，與頻率無(wú)關(guān)，所以最后可以簡(jiǎn)化為 以=蝦介+ C C ,解。r解又叫做浸漬紙電阻，指以易浸潤(rùn)的分隔紙（襯墊紙）或其它多孔性 纖維材料浸透了工作電解液后的電阻，有時(shí)也稱(chēng)為襯墊物電阻，解=''限奈，'襯墊材料的滲透系數(shù)，與其多孔性結(jié)構(gòu)有關(guān)；電解液的電阻率（建可）；d 襯墊材料的厚度（cm） ; A 陽(yáng)極箔的外觀幾何尺 寸表面積（非襯墊材料的cm2） ； A乘以2是因?yàn)椴膬擅婢鹱饔谩p小P 可以減小r解，但不能過(guò)分追求減小P,因?yàn)镻太小會(huì)帶來(lái)可靠性問(wèn)題

20、；而且 P隨溫度增加而減小，在高溫下如85c時(shí)，這時(shí)差別也不大。a） 電容容值和額定電壓值：一般ESR與容值和額定電壓成反比，如相同額定電壓，容量越大，ESR 越??；相同容量，額定電壓越高，ESR越小。這主要是通過(guò)r解與A的成反比 關(guān)系來(lái)確定的，當(dāng)容量增大、額定電壓增高時(shí)，相應(yīng)的鋁箔尺寸面積也要 增大，所以r解減小，由此可以理解相同系列，相同耐壓，同一尺寸，同一 量級(jí)范圍內(nèi)的電容其ES褲別是不大的（因?yàn)锳變化不大）。b） 尺寸大小：在同一尺寸面積下，ESR與鋁箔尺寸呈線性關(guān)系（Q/inch）,鋁箔越長(zhǎng)（即 直徑越大），ESR越大；鋁箔越寬（即電容越高），ESR四小。這主要是通 過(guò)對(duì)r介的影響導(dǎo)

21、致的。一般徑向的鋁電解電容給出的規(guī)格尺寸是以 ；-D H 的方式表示，其中D表示鋁箔卷起后的直徑，也就表示了其長(zhǎng)度； H為電容的高度，即鋁箔的寬度。對(duì)于軸向電解電容，也是以6DMH的方式表示,但要根據(jù)其內(nèi)部引出線的方式來(lái)決定。圖1-3：鋁電容的鋁箔尺寸C） 頻率和溫度：ESR值在低頻段時(shí)隨著f的增大而減小，并最終趨于一個(gè)較穩(wěn)定的值； ESR值隨著溫度的變化而變化，一般從 25 C到高溫極限，ESR會(huì)下降大約 35%50%;而從25c到低溫極限，ESR會(huì)增大10到100倍。從圖1-4可以形 象的看到ESR隨頻率和溫度變化而變化的趨勢(shì)和比例。ESR as a Function of Tempera

22、ture and FrequencyinIsrTv PC圖1-4:鋁電容的ESR隨溫度和頻率變化使用液體電解質(zhì)（或凝膠電解質(zhì)）r解與溫度的關(guān)系是顯而易見(jiàn)的（電 解液的電阻率°隨溫度變化）；而由前面=tg$介'C'r解及tg6 =0 C ESR,也可以知道ESR=tgG介倍C+r解，而tgG介值在轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)以下可近 似地認(rèn)為是一個(gè)常值，所以在低頻段時(shí)，頻率增大ESR減小，到轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)后，ESR就趨向于一個(gè)穩(wěn)定的值；該轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)與容量成反比，一般在 10kHz以下。由于大容量鋁電解電容的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)低， 所以其ESRB頻率變 化的特性不明顯，特性曲線較為平坦。ESR由于聯(lián)系

23、到電容的結(jié)構(gòu)和工藝，實(shí)際上就是考查了形成鋁箔的質(zhì)量、 電解液配方的合適度、刺鐘引出條的位置和鐘接質(zhì)量，以及減少電容器芯 子的自感的措施是否適當(dāng)?shù)壬a(chǎn)措施。隨之也就相應(yīng)引出了合適的脈動(dòng)電 路用的紋波電流和工作頻率上限范圍。廠家主要通過(guò)焦6來(lái)考察其ESR指標(biāo)。ESR的應(yīng)用影響主要是紋波電流流過(guò)產(chǎn)生的損耗發(fā)熱及壓降影響（紋 波電壓），見(jiàn)下面可靠應(yīng)用關(guān)注點(diǎn)分析。1.2.3 ESLg鋁電解電容的寄生串聯(lián)電感值 ESL,其值較為穩(wěn)定，并不隨頻率和溫 度變化，對(duì)于通用鋁電解電容，ESL不會(huì)超過(guò)100nH，如SMT封裝，具值在 2nH8nH 范圍 內(nèi)；徑 向插裝：10nH30nH ;螺旋式（screw-ter

24、minal）: 20nH50nH ;而軸向插裝的結(jié)構(gòu)，其值則可以達(dá)到 200nH。一般，鋁電解電容的ESL有三個(gè)部分組成：1）芯子的電感，主要指極箔的電感，包括接觸用引出箔的電感和多個(gè) 芯子間的內(nèi)部連接線的電感；2）引出線的電感，可以用 L=2'l，。借-1）或按照20nH/inch （1 inch = 2.54cm）來(lái)粗略估算電容引線的電感；3）金屬外殼的電感，如外殼與芯子的引出端不連接，則外殼對(duì)電容器 的電感根本無(wú)影響；但如利用金屬外殼作為其引出端之一并接地時(shí)，將會(huì) 使電感量加大，我司使用的軸向電解電容 220uF/100V（08010338）其外殼與 負(fù)引出端相連接到地上去，其電

25、感量相對(duì)就較大。此外，由于電容連接到PCB板上，必要時(shí)也需要考慮電容在板上布局 的好壞帶來(lái)的走線電感（相對(duì)與其自身電感要小得多）。通常，若插裝電解電容兩個(gè)引線不是直接連接到電源平面上，而是通過(guò)走線過(guò)去的話，我 們需要考慮這走線的電感，一般按10nH/inch來(lái)計(jì)算。PC碇線（兩層板） 的電感可以用Lp="，W , uo= 4n nH/cm來(lái)計(jì)算。當(dāng)鋁電解電容應(yīng)用于脈沖高頻電路時(shí)，這時(shí)就要考慮ESL的影響：a） 作為使用頻率上限范圍限制的參考：1一般認(rèn)為，當(dāng)頻率局于電容的自身諧振頻率點(diǎn)時(shí)（f 2田飛），寄生電 感ESL的感抗大于容抗，電容已不能看作是一個(gè)電容使用，因此ESL和電容 容值

26、決定了其使用的頻率上限，由于鋁電解電容的容值和ESL均較大，自身諧振頻率點(diǎn)都較低，因此限制了其在高頻場(chǎng)合的使用。從阻抗角度看， 該上限由所需目標(biāo)阻抗和 ESR/.ES竦共同決定，一般為幾百kHz。（ESR 較大，并不等效于擴(kuò)寬了使用范圍，主要還是由目標(biāo)阻抗決定。如果 ESR 小，但是目標(biāo)阻抗不需要提供太小阻抗，使用頻率范圍同樣較大，不過(guò)在 不同頻率效果有所差別而已，但仍然符合要求）。b） ESL值大，ESR也較大：為了獲得較大的電容量，相應(yīng)地必須增加陽(yáng)極箔的使用面積。按一般 的卷繞式結(jié)構(gòu)，金屬箔的電感將隨陽(yáng)極箔的面積增大而增大（如箔的寬度 不變，A增大，l必大，L也增大，金屬箔電阻也增大）。在

27、所有結(jié)構(gòu)中，卷 繞式結(jié)構(gòu)電感量最大，ESRM大；而疊箔式特殊結(jié)構(gòu)，不僅L最小，ESR也 最小。1.3 可靠應(yīng)用關(guān)注點(diǎn)鋁電解電容的可靠應(yīng)用主要是關(guān)注溫度， 因?yàn)殇X電容的電解質(zhì)為液態(tài)， 芯子發(fā)熱將導(dǎo)致電解液揮發(fā)，長(zhǎng)期下去最終干涸失效。鋁電容內(nèi)部芯子的溫升主要是由于 ESR、Rp電阻的損耗發(fā)熱導(dǎo)致（有些資料將Rp變換看成是ESR的一部分），相對(duì)來(lái)說(shuō)，Rp的損耗遠(yuǎn)小于ESR 的損耗，因此可忽略Rp而主要考慮ESR勺影響。當(dāng)電容應(yīng)用在脈沖交流電 路中時(shí)，如工頻的整流平滑濾波、開(kāi)關(guān)電源輸入輸出濾波等，紋波電流流 經(jīng)ESR產(chǎn)生的損耗發(fā)熱將嚴(yán)重影響了器件的使用壽命，因?yàn)槠骷?nèi)部溫度 的上升，工作電解液蒸發(fā)量增

28、加，使電容容量減小，焦占增大，長(zhǎng)期下去導(dǎo)致電容干涸失效。因此器件手冊(cè)給出的紋波電流值實(shí)際是由ESR決定的，ESH,必然允許紋波電流要小。一般，電解液損失40%時(shí)，容量下降20%;損失90%,容量下降40%, 此時(shí)，芯子已基本干涸，不能再使用了。從實(shí)際應(yīng)用情況看，揮發(fā)干涸只 是對(duì)在高溫場(chǎng)合下運(yùn)行的小體積（小容量，10uF）鋁電容（電解液少）有 影響（在大于75c的高溫場(chǎng)合，應(yīng)盡量少用小尺寸的鋁電解電容），而對(duì) 于一般的大容量鋁電解電容，在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下，在1020年的時(shí)間內(nèi)都不會(huì)發(fā)生干涸失效（大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合指：紋波電流不超過(guò)額定值時(shí)，芯 子溫度不高過(guò)環(huán)境溫度5C;環(huán)境溫度在45c55C,此外仍

29、需注意高溫及 紋波電流過(guò)大或ESRi大造成內(nèi)部芯子溫升的情況）。由于鋁電容ESM口ESL者B較大，在運(yùn)用不當(dāng)時(shí)，將會(huì)對(duì)電路功能可靠性 造成影響，紋波電流流過(guò)ESR和ESL而產(chǎn)生大的紋波電壓。止匕外，由于鋁電 容尺寸較大，在安裝、運(yùn)輸過(guò)程中，需要注意不要碰、擠壓、扎傷電容。1.4 總結(jié)1鋁電容的阻抗頻率幅度曲線，在低頻由爐確定，由于電解電容容量可 以做得比較大，因此鋁電容廣泛應(yīng)用于低頻濾波場(chǎng)合； 在數(shù)十千赫到數(shù) 百千赫下，則由ESR確定，由于鋁電解電容的ESR較大，其阻抗頻率幅 度特性曲線一般為U形，而不像瓷片電容由于ESR小，在諧振頻率點(diǎn)處 會(huì)有一個(gè)明顯的下尖而呈現(xiàn)的V形；而在兆赫下，由色上確

30、定，普通的 鋁電容其ESL是較大的，這大大限制了在高頻下的應(yīng)用。因此 ESR值較 高和ESL較大限制了鋁電解電容在高頻場(chǎng)合下的應(yīng)用。鋁電解電容作為濾波使用時(shí)，其容量不宜選取較小，一方面容量過(guò)小， 其高溫下壽命較短；另外，電解電容的大容量特性沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)；從與 其他電容特性比較，注意溫度、頻率對(duì)電容容量的影響，以及所使用場(chǎng) 合的工作電壓、安裝工藝要求等來(lái)選擇，但作為濾波使用的話，其容量 要求不嚴(yán)格，盡量要求大，這樣可以減小 ESR。由于ESL較大的限制以 及容量上的考慮，鋁電容的使用頻率上限不可能很高，一般認(rèn)為在200kHz以上就不宜使用了。目前大多數(shù)電源模塊開(kāi)關(guān)頻率都在幾百 kHz 以上，因此

31、，鋁電容不適宜用于高頻開(kāi)關(guān)電源的輸出濾波使用。鋁電容的可靠應(yīng)用主要關(guān)注溫度， 但從實(shí)際應(yīng)用情況看，揮發(fā)干涸只 是對(duì)在高溫場(chǎng)合下運(yùn)行的小體積（小容量）鋁電容（電解液少）有影響（在大于75c的高溫場(chǎng)合，應(yīng)盡量少用小尺寸的鋁電解電容），而對(duì)于 一般的大容量鋁電解電容，在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下（除了 ESR。紋波電流 過(guò)大造成溫升過(guò)高，或環(huán)境溫度過(guò)高），在 1020年的時(shí)間內(nèi)都不會(huì) 發(fā)生干涸失效。2 鋰電解電容鋰電解電容是一種性能相當(dāng)優(yōu)越的電容，同樣作為電解電容，可以實(shí) 現(xiàn)較大容量的同時(shí)體積較小，易于加工為小型和片狀元件，適應(yīng)目前電子 裝聯(lián)技術(shù)向自動(dòng)化小型化的發(fā)展，因此得到廣泛應(yīng)用。但鋰電容由于構(gòu)造 問(wèn)題，

32、比較容易在上電大電流沖擊下失效；另外，對(duì)于邊緣規(guī)格的鋰電容, 其可靠性從實(shí)際應(yīng)用統(tǒng)計(jì)來(lái)看，是相對(duì)較差的，這些問(wèn)題都需要在使用中加以注意。下面同樣分3個(gè)小節(jié)介紹：第一小節(jié)簡(jiǎn)單介紹鋰電解電容的結(jié)構(gòu) 和生產(chǎn)加工工藝流程；第二小節(jié)為鋰電解電容主要性能參數(shù)的變化特點(diǎn)， 涉及到如何應(yīng)用等方面；第三小節(jié)為介紹鋰電解電容使用中的可靠性需要 關(guān)注的地方。由于實(shí)際應(yīng)用的絕大多數(shù)均為鋁粉燒結(jié)型的固體鋰電容，這 里則主要是介紹燒結(jié)型里面的貼片鋰電容。2.1 鋰電解電容的結(jié)構(gòu)和主要加工環(huán)節(jié)固體鋰電容是通過(guò)將鋁粉壓制成型后，經(jīng)高溫真空燒結(jié)成一多孔的堅(jiān) 實(shí)芯塊（圓柱形狀），芯塊經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理在表面生成氧化膜，再被覆固 體電

33、解質(zhì)，然后覆上一層石墨及鉛錫涂層，最后用樹(shù)脂包封成為固體鋰電 容。以下圖2-1是一貼片固體鋰電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：聚四氟乙烯P I EE w asherporous la anode pellet .LantaJuni pcnloxidcor primer 環(huán)氧樹(shù)脂冷灌 epoxv molding 粗金屬姓 taniaLum wire 鍥鐵合金一鑰焊接Alloy 42（NiFc） Ta welding 、 tin cr gold pliUid lermiiuil、極性標(biāo)識(shí) polanty mark端電極（錫或金）MnOj：；mEi3ncsc dioxideiiniphir.c 石墨層silve

34、r paint 銀涂層 /同6銀粘合adhesive tin or gold plated terminal 端電極（錫或金）固體燒結(jié)陽(yáng)板塊多孔鑰顆粒）第47頁(yè)，共46頁(yè)O正極AnodeoCathode 負(fù)極圖2-1鋰電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖下面簡(jiǎn)單介紹一下貼片固體鋰電容的加工工藝流程，一般有以下幾個(gè) 步驟：陽(yáng)極基體設(shè)計(jì) 成型燒結(jié) 氧化膜形成 被覆MnO2。a） 陽(yáng)極基體的設(shè)計(jì)鋁粉的選取：目前，貼片固體鋰電容的陽(yáng)極基體一般采用鋁粉燒結(jié)而成，因此鋰粉 的的質(zhì)量如何，將會(huì)直接影響鋰電容的性能。一般需要關(guān)注鋁粉的粒形、 大小、配比、比表面積、比容、松裝密度及純度。采用高純度的鋁粉可用 于制造工作電壓高（如

35、采用C系、D系或SHR型A系高純鋁粉）的鋰電容或 者可靠性高的鋰電容，因?yàn)殇囯娙菅趸べ|(zhì)量的好壞，主要取決于鋁粉雜 質(zhì)的多少，當(dāng)鋰中含有雜質(zhì)時(shí)，它們都會(huì)成為陽(yáng)極氧化膜中的疵點(diǎn)，影響 漏電流的大小、閃火電壓下降，電流集中流過(guò)雜質(zhì)存在的部位時(shí)，伴有發(fā) 熱，致使雜質(zhì)周?chē)腡a2O5膜晶化，致使鋰電容壽命下降。采用高比容的能 粉，則減少了鋁粉的用量，減小了體積，降低成本。鋁粉顆粒越大，額定 電壓越高；鋁粉顆粒越小，鋁粉燒結(jié)后的海綿狀表面積越大，電容容量越 大。（鋁粉顆粒的典型尺寸10um,為增大表面積選有珊瑚蟲(chóng)形狀）；鋁粉 量的多少與形成電壓和額定電壓的比值有關(guān)（該比值一般為3.55）。鋰粉的選擇需要

36、在電容量、額定電壓及ESR±間均衡考慮。陽(yáng)極基體的尺寸一般為圓柱形， 受外殼尺寸限制，直徑一般是確定的， 而基體長(zhǎng)度與直徑之比接近于2,最多不超過(guò)2.5。high voltagelu* capaeitancelow voltage high capacilance圖2-2:不同情況下鋁粉的形態(tài)b） 成型燒結(jié)：在鋁粉擠壓成型前加入適量的粘合劑（成型劑），使顆粒間及顆粒和 成型模具的摩擦都大為減少，可以得到密度均勻而致密的壓塊，另外，在 真空燒結(jié)后，粘合劑還可以提高塊體的氣孔率，對(duì)提高容量和降低損耗有明顯作用。但近年來(lái)，隨著小尺寸的要求及成型能力增強(qiáng)，已趨向于不加 粘合劑。成型操作是在真

37、空高溫150c幾分鐘內(nèi)完成。若有粘合劑，則必須 進(jìn)行預(yù)燒，以揮發(fā)其中的粘合劑。在預(yù)燒或成型后（沒(méi)有粘合劑），應(yīng)立 即進(jìn)行真空燒結(jié)，否則能粉表面活性下降易開(kāi)裂，一般燒結(jié)溫度為1500-2000C,真空度不低于1.3 X0-2Pa。燒結(jié)使各孤立的鋁粉顆粒燒結(jié)在一起形 成海綿狀結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械強(qiáng)度及密度，同時(shí)多孔的海綿狀結(jié)構(gòu)提供大的內(nèi) 部表面積。因此，燒結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或溫度過(guò)高將導(dǎo)致電容容值變低。此后添 加聚四氟乙烯墊圈隔離鋁金屬絲，以免在后序加工流程中與MnO2短路。真空環(huán)境有助于鋁粉的提純，使雜質(zhì)揮發(fā)掉。c） 氧化膜形成：與鋁電容類(lèi)似，能電容的氧化膜也是通過(guò)電化學(xué)方法生成，即在形成 電解液中，施加適當(dāng)

38、的正極電壓及電流，使能表面生成 Ta2O5介質(zhì)。介質(zhì)厚 度由施加電壓控制；介質(zhì)厚度與耐壓性能有關(guān)。厚度與額定電壓的對(duì)應(yīng)關(guān) 系為每20埃能夠承受1V的電壓。要獲得優(yōu)質(zhì)的氧化膜層，形成電解液（弱酸溶液）的選擇很重要，因 為它的閃火電壓大小決定了鋰電容額定電壓的高低；它抑制晶化能力的強(qiáng) 弱也是影響鋰電容可靠與否的一個(gè)重要因素。相對(duì)鋁電容的形成工藝，能 氧化膜形成工藝控制要更為嚴(yán)格，因?yàn)椋X氧化膜在形成過(guò)程中會(huì)發(fā)生晶 化，形成電壓、形成溫度和升壓電流密度這三個(gè)基本參數(shù)，對(duì)晶化都有直 接和間接的影響。形成電壓必須低于形成液的閃火電壓，同時(shí)提高形成電 壓與額定電壓的倍數(shù)有利于減小產(chǎn)品的漏電流及其分散性，這

39、樣一般固體 鋰電容的形成電壓與額定電壓比值為 35,而電容額定電壓越高，倍數(shù)愈 ?。ㄊ芟抻谛纬梢旱拈W火電壓），這也一方面說(shuō)明高壓鋰電容的漏電流和 分散性是比較大的。形成溫度高，得到的氧化膜較好，但高溫形成時(shí)易誘 發(fā)晶化、降低形成液的閃火電壓，使形成液水分蒸發(fā)量較快。低壓形成時(shí)，可以不考慮閃火和晶化問(wèn)題，一般為85i5C或更高；形成電壓高于150V時(shí)， 要先在室溫下進(jìn)行形成，待電壓升至形成電壓后，再在適當(dāng)高溫下恒壓形 成。氧化膜的生長(zhǎng)速度，取決于陽(yáng)極化時(shí)的電流密度，密度高，速度快， 但同時(shí)會(huì)使陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生的熱量增加，促使晶化發(fā)生。d） 陰極成型：陰極成型，在Ta2O5表面上被覆MnO2層作為電解

40、質(zhì)，需要進(jìn)行Mn(NO3)2 的熱分解。將形成后在多孔體表面生成Ta2O5的陽(yáng)極基體浸入Mn(NO3)2溶液 中，浸透取出烘干，在水汽(濕式)或空氣(干式)的高溫氣氛中分解制 取電子電導(dǎo)型MnO2,以作為電容器的固體電解質(zhì)層。 濕式分解比干式分解 優(yōu)越很多，分解溫度比干式的 270c要低，為210c250C。同時(shí)生成的 MnO2電阻率比干式得到的要低一個(gè)數(shù)量級(jí)，只有 0.42Qcm,干式為7.5Q cm。還有濕式分解得到的MnO2在致密度、多孔性等多方面都比干式要優(yōu)越， 基本上目前的廠家工藝均用濕式熱分解法。但是Mn(NO3)2的熱分解對(duì)陽(yáng)極塊的電性能影響很大。因?yàn)殇X塊和表面 的Ta2O5的膨

41、脹系數(shù)不同，受熱產(chǎn)生拉伸應(yīng)力導(dǎo)致原有的細(xì)微裂紋增大，造 成漏電流大大增加。同時(shí)熱分解還容易導(dǎo)致?lián)p耗角增大、MnO2進(jìn)入氧化膜細(xì)微裂紋導(dǎo)致形成電壓無(wú)法升高等。因此，為了修補(bǔ)熱分解對(duì)氧化膜的破 壞，需要進(jìn)行中間再形成。為彌補(bǔ)MnO2導(dǎo)電性能差的缺點(diǎn)，即MnO2與金屬焊接不良，在陽(yáng)極基 體表面的MnO2層上還要涂上一層導(dǎo)電石墨層和銀或鉛錫合金之類(lèi)的金屬 材料，然后接上外部電極，進(jìn)行封裝、老練。2.2 影響濾波效果的模型參數(shù)特點(diǎn)認(rèn)識(shí)與鋁電解電容類(lèi)似，能電容的阻抗頻率特性也呈現(xiàn)U形特性，但其ESR相對(duì)要小，且作為表貼封裝的固有優(yōu)點(diǎn) ESL比較小。同樣，按照C、ESRffi ESL三項(xiàng)參數(shù)來(lái)分析：2.2.

42、1 電容量：鋰電容是目前大量供應(yīng)電容中比容最大的品種，相同容量的體積可以 做得比較小；但限于固體燒結(jié)型工藝結(jié)構(gòu)和材料，其 CV值（電容與電壓乘 積）做不大，容量和電壓有一定范圍，一般從0.1uF1000uF （公司編碼范圍為1uF220uF）;工作電壓從2V50V （公司為6.3V50V）;典型的最 大CV組合為22uF/50V（插件）或（33pF/35V） 22uF/35V （表貼），而且從 實(shí)際應(yīng)用統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，處于這些邊緣規(guī)格參數(shù)的電容，具相對(duì)可靠性要 差很多。這些因素都限制了鋰電容在高壓大容量上的應(yīng)用。-80-46 .200+2C +40 +60 +»0 +100 +120O

43、pw atin3 Tejuperature-C止匕外，容量的值隨著頻率的增大而減小，另外由于為固體MnO2電解質(zhì), 所以一具容量溫度特性較穩(wěn)定，甚至低溫至 -200 C時(shí)，其容量才減小不過(guò) 10%。在濾波應(yīng)用時(shí)，溫度對(duì)鋰電容的性能影響可以忽略。+1OV,圖2-3:鋰電容容量vs溫度2.2.2 ESF®從上一小節(jié)的工藝結(jié)構(gòu)和加工環(huán)節(jié)介紹，可以看到，能電容的ESRmtg -成與鋁電容類(lèi)似，同樣可分為：ESR= r介+r解+r金=J ,對(duì)于漏電流電阻l ,它在頻率極低的情況才有一定的影響。用損耗因數(shù)DF來(lái)表示，即DF=tgS=8 C，ESR=tg6介Cj解（磔介是一個(gè)幾乎于頻率無(wú)關(guān)的量），

44、從損耗因數(shù)角度來(lái)看，如下面圖2-4:圖2-4:損耗因數(shù)vs頻率在極低頻為漏電流代表的損耗，可通過(guò)阻抗轉(zhuǎn)換公式換成串聯(lián)的表示形式，其影響一般不考慮。在低頻的區(qū)域，可以看到，氧化膜介質(zhì)損耗D3基本不變，反映到r介上，即隨著頻率的增大，r介減小，直到到達(dá)較高的頻率， 其影響已基本可忽略，而主要是r解與隆的影響。在低頻的區(qū)域，主要是r介， 其隨著頻率的關(guān)系，如下面圖2-5所示：圖2-5: ESR vs頻率在室溫情況下，r介的值一般為500/Hz*uF1500/Hz*uF ;另外，從溫度 上，r介的溫度特性比較穩(wěn)定，一般從室溫到125C,其值會(huì)有2%的增加。tg6介 變化量若大于2%,則可能反映了形成的

45、氧化膜質(zhì)量很可能不合格。在較高頻率段時(shí)，r介的值降到比r解還要小時(shí)，這時(shí)主要是r解主要影響 ESR;由于燒結(jié)塊是個(gè)細(xì)長(zhǎng)形的圓柱體（直徑相對(duì)于長(zhǎng)度比較?。?dāng)施 加交流電壓后，其電流按徑向流動(dòng)，其導(dǎo)電模型可視為一有無(wú)數(shù)微小的在 氧化膜微孔內(nèi)的、由電解質(zhì)組成的微小電阻和由相應(yīng)的氧化膜介質(zhì)組成的 無(wú)數(shù)微小的電容量構(gòu)成，即由分布參數(shù)的RC組成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（實(shí)際PSPICE對(duì)電解電容的模型也正是基于這樣的結(jié)構(gòu)），如下面圖2-6:；ntfimal mangane&ddioxideexternal.人_coatsf、o-IIT T T T T T i i iiiiii_o + outsnriosttan

46、talum axidaimvniQst cap9ciUrvscapacitance圖2-6:鋰電容的模型r解的值就是這些分布參數(shù)電阻值的集成代表，它由有效電阻率p（ohm/cm）來(lái)決定，而p決定于多孔性、微孔的大小和形狀、裝填 MnO2的 程度以及MnO2電阻率。這與成型和熱分解被覆 MnO2工藝均有關(guān)，一般成 型壓力應(yīng)盡可能小，使燒結(jié)塊密度相應(yīng)小一些為好。r解由于與工藝和材料構(gòu)造工藝有關(guān)，比較難于定量分析，不像r介同容量 的電容基本一樣，怖在不同電容規(guī)格差別很大。在濾波電路中，由于正是用 于r解所處的這一頻率范圍，因此，r解對(duì)我們應(yīng)用的ESR影響較大。MnO2 的電阻率隨著溫度上升而減小，溫

47、度升到 85C,會(huì)減小大約一半；而溫度 降到-55C,則為原來(lái)的2倍。由于與tgl5的變化相反，所以一定程度上抵消 了變化幅度，總的來(lái)說(shuō)，能電容的ESR溫度特性比較好。r解從低頻一直較穩(wěn)定，但直到10kHz左右，有個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，隨著頻率增大而減小，如下面圖2-7右:1Q0 Ik lOc 100kFrequency. HzefCJuclclEd a N 工口口 L 石a)6nILeci4d圖2-7: ESR vs溫度 及r解vs頻率在工藝保證下，r金一般可不考慮，但到高頻后，其值會(huì)由于趨膚效應(yīng)而增大。下面圖2-8為一個(gè)全頻率范圍內(nèi)鋰電容ESR的變化圖：ia ioa、， rn +nT ,LL 山 W&

48、quot;1k 10k100k IMFrquwf iuy, Hi圖2-8: ESR vs 頻率貼片固體能電容的ESR值相應(yīng)要比鋁電容小一些，其范圍也是從幾十 毫歐到10歐（100kHz）分布，具體的ESR值（100kHz）可以在相應(yīng)的數(shù)據(jù) 手冊(cè)上找到（有些需要從85c變換為常溫25C）,另外，通過(guò)DF值也可以 算得在100Hz下的ESR值是多少。2.2.3 ESLgESL于電容的封裝尺寸及引線等有關(guān)，因此對(duì)于貼片固體鋰電容，其 ESL很小，一般為13nH。同樣，ESL值較為穩(wěn)定，不隨頻率、溫度變化, 電容量對(duì)ESL的影響也不太大，主要是封裝尺寸的影響。下圖為貼片固體 鋰電容各規(guī)格尺寸與貼片陶瓷

49、電容的 ESL對(duì)比：Siz&Inductance (pH)Cera中tk零0603S50,0805加501206】吏口1ZJDJ 020R1600A22GOBZ25DCZBOO2.3 可靠應(yīng)用關(guān)注點(diǎn)鋰電容有三種失效模式：電流型、電壓型和發(fā)熱型。電流型失效常見(jiàn)于固體能的異常漏電流巨大，一方面表明其氧化膜上 的缺陷部分惡化，引起介質(zhì)的漏導(dǎo)增大，最后導(dǎo)致介質(zhì)短路，大多數(shù)情形 下，自愈特性會(huì)修復(fù)這些疵點(diǎn)，但如處于充分電過(guò)于頻繁的場(chǎng)合，這種介 質(zhì)瞬時(shí)擊穿也會(huì)弄得不可收拾導(dǎo)致突然失效。因此，電壓一定時(shí)，串聯(lián)電 阻可以顯著減小失效。電壓型失效是指使用中的不當(dāng)導(dǎo)致工作電壓或浪涌電壓突然過(guò)高，結(jié) 果引起

50、局部閃火，終致介質(zhì)擊穿；另外是長(zhǎng)期經(jīng)受高的工作電壓，而氧化 膜不可避免地存在著雜質(zhì)或其它缺陷；當(dāng)這些部位的場(chǎng)強(qiáng)較高，電流密度 較大，導(dǎo)致局部高溫點(diǎn)出現(xiàn)，從而留下了誘發(fā)熱致晶化的隱患。在金屬氧 化物界面的某些點(diǎn)上，由于金屬里含有雜質(zhì)，也成了誘發(fā)場(chǎng)致晶化成核的 因素，當(dāng)溫度升高時(shí)，便促進(jìn)了晶核的形成和生長(zhǎng)。因?yàn)榫w要達(dá)到一定 大小后，才會(huì)使無(wú)定形氧化膜破裂，所以晶體生長(zhǎng)的快慢是決定電容器壽 命的一個(gè)因素，試驗(yàn)表明，使晶體生長(zhǎng)到足以引起氧化膜破裂臨界尺寸的 時(shí)間是場(chǎng)強(qiáng)的指數(shù)函數(shù)。隨著施加電壓增加（即場(chǎng)強(qiáng)提高）和環(huán)境溫度的 提高（相應(yīng)的缺陷部位溫度更高），電容器的失效率也就增加，在晶體生 長(zhǎng)階段，對(duì)電

51、容器性能并沒(méi)有顯著影響，只在氧化膜破裂時(shí)，絕緣會(huì)完全 喪失，導(dǎo)致突然失效。發(fā)熱型失效一般認(rèn)為是由于產(chǎn)品的tg 6太大導(dǎo)致熱不平衡，熱量累積以 致熱破壞，但隨著高頻化，趨膚效應(yīng)，是另一種熱失效模式。對(duì)固體鋰電容承受大的沖擊電流對(duì)產(chǎn)品性能的影響研究中，例如應(yīng)用 在計(jì)算機(jī)電源里作為去耦元件以及開(kāi)關(guān)電源的輸出濾波元件時(shí)，所遇到的 瞬時(shí)高頻大電流的沖擊，分析其失效原因發(fā)現(xiàn) MnO2層及銀層部分，已破裂 脫開(kāi)鋁塊，由于局部熱點(diǎn)的低阻和較差的熱導(dǎo)接觸，發(fā)生局部高溫，最后 造成介質(zhì)的熱擊穿，按照傳輸線理論，電容器鋁塊可視為一 RC組成單元， 在高頻時(shí)（例如脈沖的前沿部分），電流只在鋁塊表面通過(guò)，而未及內(nèi)部，

52、因此電量集中在表面，電流密度很大。未能均勻分布在鋁塊全部，所以表 面成為電量集中區(qū)域，而主要集中在鋁塊的一小部分面積上，如鋁塊的上 下肩部，一方面該處曲率很大，不利于導(dǎo)熱和散熱；另一方面，肩部的MnO2 層較薄，電阻小，因此沖擊電流失效的擊穿是源于發(fā)熱，成為發(fā)熱型失效 的典型。這幾種失效模式最終都會(huì)造成鋰電容短路燒毀，失效分析很難判斷是 那種類(lèi)型導(dǎo)致。一般說(shuō)來(lái)，鋰電容在正常運(yùn)行時(shí)（電壓降額足夠）是很少 發(fā)生失效的，只有在上下電、電源波動(dòng)及頻繁充放電場(chǎng)合才有可能失效 （即 在脈沖電流沖擊下），究其原因也是因?yàn)?，鋰電容的?nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致。 因此，相對(duì)于鋁電容關(guān)注工作溫度因素，鋰電容更為關(guān)注施加的工

53、作電壓大小和速率。另外，在恒定溫度下，選定某一種形成電解液，不管采用何種電流密度升 壓（影響氧化膜的厚度），所形成的氧化膜的結(jié)構(gòu)基本不變，即£ （氧化膜, AC= k介電常數(shù)）和 （形成常數(shù)nm/V）為一常值，由 d 及氧化膜厚度d = Ufx 0c （形成電壓乘以形成常數(shù)）可以知道，形成電壓與電容量的乘積C Uf=k 口 （uF.V）,在 布 擬及陽(yáng)極表面面積A不變時(shí)（可以認(rèn)為封裝一 樣時(shí)，其表面面積有一最大值），CUf為一常值，又由于形成電壓與額定電 壓有一比值，因此，同一系列同一封裝的不同規(guī)格電容，是有一個(gè)最大的 CV值。表貼Case D的典型業(yè)界最大CV組合為22uFX 35

54、V = 770uF.V,在同 規(guī)格同樣陽(yáng)極表面積下，超出這個(gè)規(guī)格就是比較邊緣的產(chǎn)品，從實(shí)際應(yīng)用 情況來(lái)看，邊緣規(guī)格產(chǎn)品的失效率相對(duì)較高， 這與其工藝控制要求高有關(guān)。 從器件廠家給出的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格、擴(kuò)展規(guī)格及發(fā)展規(guī)格是可以做出那些產(chǎn)品屬 于邊緣規(guī)格的判斷。一般鋁電容氧化膜的 CUf值為68.5uF.V/cm2 ;鋰電容 氧化膜的CUf值為1113uF.V/cm2。2.4 總結(jié)鋰電容的ESR相對(duì)要比鋁電容要小，但其優(yōu)勢(shì)為作為表貼元件，安裝 方便以及ESL較小，這也使得其應(yīng)用頻率較鋁電容要寬。從鋰電容的 ESL和C的分布范圍，可以推算諧振頻率從0.9MHz （Lmax = 3nH ;Cmax = 1mF

55、）到15MHz （Lmin=1nH; Cmin = 1uF ），但從阻抗頻率特性曲 線看，由于ESR也是相對(duì)較大，因此也是呈現(xiàn)“ U”型，這使得其應(yīng)用 頻率范圍進(jìn)一步擴(kuò)寬（在滿(mǎn)足目標(biāo)阻抗的條件下），最高可以達(dá)到10到幾十MHz。相對(duì)于鋁電容關(guān)注工作溫度因素，鋰電容更為關(guān)注施加的工作電壓大 小和變化速率。濾波應(yīng)用時(shí)，溫度對(duì)鋰電容的性能影響可以忽略。3 瓷片電容瓷片電容已經(jīng)成為主流、通用的電容，尤其是 SMT片狀類(lèi)型，由于成 本低，顯得特別有吸引力。隨著介質(zhì)層的變薄以及多層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在瓷片電 容已經(jīng)可以做到額定電壓小于10v,容量達(dá)到幾百u(mài)F的大電容。獨(dú)石電容器 是瓷介電容器的一個(gè)變種，把印刷好電極

56、的瓷介薄片交替疊合燒結(jié)成整體， 然后剪成小塊引出電極而制成。它相當(dāng)于多個(gè)小瓷介電容并聯(lián)，因此體積 小，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、手持無(wú)線電儀器中代替瓷介電容使用很方便。我國(guó)以 前不能生產(chǎn)瓷介獨(dú)石電容，近年來(lái)通過(guò)引進(jìn)已可以自己生產(chǎn)，由于工藝比 瓷介電容稍復(fù)雜，因此成本稍高，可靠性稍差。國(guó)外有時(shí)在體積要求不嚴(yán) 格時(shí)也使用獨(dú)石電容，我們可考慮用普通瓷介電容代替之。3.1 瓷片電容的結(jié)構(gòu)和主要加工環(huán)節(jié)如下面圖3-1的瓷片電容的結(jié)構(gòu)，內(nèi)電極導(dǎo)體一般為 Ag或AgPd,陶瓷 介質(zhì)一般為BaTiO3,多層陶瓷結(jié)構(gòu)通過(guò)高溫?zé)Y(jié)而成。器件端頭鍍層（外 電極）一般為燒結(jié)Ag/AgPd,然后制備一層Ni阻擋層（以阻擋內(nèi)部Ag/

57、AgPd 材料，防止其和外部Sn發(fā)生反應(yīng)），再在Ni層上制備$欣SnPb!用以焊接。 近年來(lái)，也出現(xiàn)了端頭使用CuBMLCC產(chǎn)品。CONSTRUCTION錫層捏層 外電極Electrode內(nèi)電極端頭End TermlnidcnCeramic 陶舞介質(zhì)圖3-1:陶瓷電容的結(jié)構(gòu)圖F面簡(jiǎn)單介紹一下陶瓷電容的主要加工環(huán)節(jié):a) 備料成型：原料經(jīng)過(guò)煨燒、粉碎與混和后，達(dá)到一定的顆粒細(xì)度， 原則上顆粒越細(xì)越好。然后根據(jù)電容器結(jié)構(gòu)形狀，進(jìn)行陶瓷介質(zhì) 坯件成型；b) 燒成：對(duì)瓷坯進(jìn)行高溫處理，是其成為具有高機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)良電 氣性能的瓷體。燒成溫度一般在1300 c以上。高溫保持時(shí)間過(guò)短, 固相反應(yīng)不完全徹底，影響整個(gè)坯體結(jié)構(gòu)，造成電性能惡化，是 所謂“生燒”；高溫保持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使坯體起泡變形以及晶粒變 大，同樣惡化電性能，造成“過(guò)燒”；c) 然后是電極制造，引線焊接，涂覆，包封；3.2 影響濾波效果的模型參數(shù)特點(diǎn)認(rèn)識(shí)瓷片電容的阻抗頻率特性呈現(xiàn) V形特性，其ESR非常小，另外它電容量 特性與其介質(zhì)構(gòu)成有很大關(guān)系。同樣