电容基础和深入认识

http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛 http://www.elecfans.com 电子发烧友 产品名称 密级 所有 内部公开 产品版本 共32页 所有 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 （仅供内部使用） 分析： 白世松 邓勇威 王德永 卢海炤 林健明 日期： 2003-03-12 拟制： 邓勇威 日期： 2003-03-31 审核： 景焕强 利冠华 唐小军 吴刚开 向光恒 张坤（SI研究部） 日期： yyyy-mm-dd 批准： 白世松 日期： yyyy-mm-dd 华为技术有限公司 版权所有 侵权必究 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第2页, 共32页 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 关键词：钽电容、铝电容、陶瓷电容、滤波、ESR、ESL、可靠性 摘 要：无源滤波元器件中，电容是一个很重要的基本元器件，但应用中由于对电容的认识不深， 存在一些不正确的使用而造成问题。本文主要针对我司常用的三类电容（铝电容、钽电容 和陶瓷电容），从电容结构、制造工艺入手，结合滤波模型关注的 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 性能进行深入的剖 析，最后引出如何正确可靠应用电容。结构上采取每类电容一大章，每一章三小节分析： 第一小节简单介绍电容的结构和生产加工工艺流程；第二小节为电容主要性能参数的变化 特点，涉及到如何应用等方面；第三小节介绍电容使用中的物理可靠性问题需要关注的地 方。同时附录还对三类电容在参数、特性及应用上做了深入的比较。 缩略语清单： 缩略语 英文全名 中文解释 SSN Simultaneous Switching Noise 同步开关噪声 MLCC Multiple Layer Ceramic Capacitor 叠层陶瓷片状电容 DF Dissipation Factor 损耗因子 ESR Equivalent Series Resistor 等效串联电阻 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第3页, 共32页 前言：对于器件自身产生的SSN噪声（同步开关噪声），主要是利用电容的对交流信号呈现低 阻的特性来”滤除”的（噪声是不能被滤除掉的，只是被低阻导至地平面，使电源和地平面处于同一 电位），即根据目标阻抗的概念，通过在电源两端并联各种规格的电容，从而实现在器件端往电源 两端看，电源内阻在要求频段范围内低于目标阻抗[32 ]；而要滤除电源自身（如开关电源噪声）或外 界耦合过来的噪声，单纯的电容低阻滤波并不能很好的达到目的（因为单纯的并联电容只是一个简 单的单极点滤波器）[18]，这时就要考虑其他手段，如串上电感或磁珠等对噪音呈现阻挡特性的器件， 如PI滤波、EMI滤波电路，或使用有源滤波电路（如运放或后级线性电压调整器电路）等。不管采 用什么样的实现手段，电容作为一个基本元素，只有对它的阻抗频率特性有深入的了解认识，才是 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 好电源滤波电路的第一步。 限于篇幅，本文介绍的电容主要基于目前公司已有编码、单板电源电路应用较多的器件：电解 电容（插装液态铝箔电解电容/贴片固体钽电解电容）、陶瓷电容（MLCC）。对于其他电容如薄膜 电容或其它结构的电容，如插装钽电解电容等，则不作介绍，在描述上，为了方便起见，除非特别 指明，铝电容指我司的通用插装铝箔电解电容；钽电容指常规贴片固体钽电解电容；陶瓷电容指叠 层陶瓷片状电容(MLCC)。 1 铝电解电容 除了少数的固体铝电解电容外，通常所说的铝电容是在高纯铝箔经过电化学扩面刻蚀和阳极氧 化形成电介质绝缘层后制成的液体电解质电容器，其绝缘介质厚度为几百埃到几千埃（埃- 1010- m）， 是目前大量应用电容中容量和工作电压做得最高的极性电容器。一般认为铝电容的可靠性不高 ， 如低温性能不好、ESR较大、不适合于中高频场合、容易干涸造成使用寿命有限、难以片状化、插 装引脚积累灰尘带静电并造成短路等等，但随着工艺水平的提高，在某些特定应用场合下，使用铝 电解电容在性能上可以满足要求，而且成本和可靠性方面上还要优于其它电容，如在承受大的上电 冲击电流的低阻抗电路中，铝电容比钽电容要可靠。 下面分3个小节介绍：第一小节简单介绍铝电容的结构和生产加工工艺流程；第二小节为铝电 容主要性能参数的变化特点，涉及到如何应用等方面；第三小节介绍铝电容使用中的物理可靠性问 题需要关注的地方。这里的铝电容指的是通用插装铝箔液态电解电容，关于滤波性能更为优越的贴 片固体铝电解电容应用建议，请参考《贴片铝电容替代钽电容可行性分析报告》。 1.1 铝电解电容的结构和主要加工环节 通常所指的铝电容都是指由一个铝箔卷绕结构的芯子，浸渍了液态电解质（注意区分电介质和 电解质），引出两个端极并包封在密封金属外壳里。从外观上看，芯子与纸介电容器的芯子类似， 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第4页, 共32页 但其结构不同，它由一个阳极箔，浸透电解质的分隔纸和阴极箔层叠卷成，箔通常是高纯度的铝箔， 为了增加与电解质接触的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面积，在光滑的铝箔表面上用腐蚀方法刻蚀了许多微小的条状沟道。表 面看来容量似乎是由两个箔极之间决定的，实际上容量是由阳极箔与电解质之间来决定的，正极平 面层是阳极箔；电介质是阳极箔表面上绝缘的铝氧化膜；真正的负极平面应是导电的液态电解质， 而阴极箔仅仅是起到连接电解质和端头引线的作用。图1-1为一个铝电容的典型结构图： 图1-1：铝电容的典型结构图 下面简单介绍一下铝电容生产的主要加工环节： a） 刻蚀 阳极和阴极箔通常为高纯度的薄铝箔（0.02～0.1mm厚），为了增加容量，需要增大箔的有效 表面积，利用腐蚀的办法对与电解质接触的铝箔表面进行刻蚀（成千上万微小条状）。对于低压电 容，表面面积可以通过刻蚀增大100倍，对高压则一般为20～25倍，即高压电容比低压电容的腐蚀 系数要小，这是由于高压的氧化膜较厚，部分掩盖了腐蚀后的微观起伏，降低了有效表面积的缘故。 b） 形成 阳极箔表面附着电容的电介质，这个电介质是一层薄薄的铝氧化物（Al2O3）， 它是通过电化 学方法在阳极箔表面通过“形成Forming”的工艺过程生成。氧化铝的厚度与形成电压有关（1.4～ 1.5nm/V），通常形成电压与工作电压有一个比例系数，铝电容的比例系数较小，为1.2～2（固体钽 电容为3～5），因此，如果有一个450V额定电压的铝电容，若比例系数为1.4，则形成电压为450× 1.4＝600V，这样其氧化膜的厚度大概为1.5nm×600 = 900nm，这个厚度不到人头发直径的百分之一。 形成工艺减小了箔的有效表面积。因为微带状沟道会被氧化物覆盖，沟道刻蚀类型可以通过选择箔 和刻蚀过程来调整 。这样，低压阳极有精细的沟道类型和薄的氧化物，而高压阳极有粗糙的沟道 类型和厚的氧化膜，阴极箔不用进行形成，所以它还保持大的表面面积和深度刻蚀样貌。 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第5页, 共32页 c） 切片 铝箔以一卷成40～50cm宽的条状，在经过刻蚀和形成工艺后，再根据最终电容高度规格要求切 成所需的宽度。 d） 芯包卷绕 铝箔切片后，在卷绕机上按一层隔离纸、阳极箔、另一层隔离纸、阴极箔合成并卷绕成柱状芯 子结构，并在外面在卷上一个带状的压敏条来防止芯子散开。分隔纸作为阳极箔和阴极箔之间的衬 垫层，既可以用以防止两电极箔接触而短路，同时作为吸附和蓄存液态工作电解质的载体。 在芯包卷绕前或卷绕过程中，铝垫引出片铆接到两个电极箔上，以方便后面引出到电容的端 极 。最好的铆接方法是采用微处理器控制定位的冷压焊接，以保证这过程中芯子的寄生电感小于 2nH，较古老的铆接方法是通过穿透铝箔，折叠起来的方式，冷压焊接降低了短路失效的可能性， 而且在高纹波电流应用下有较好的特性，而旧的铆接方式在充放电应用场合下常会使个别连接点断 裂失效。 e） 连接引出端 铝垫引出片的扩展就是电容的引出端极。对于轴向引线结构的电容，阴极垫在密封前与金属外 壳焊接在一起。 f） 注入液态电解质 在芯子里注满了工作电解液让分隔纸充分吸收并渗透至毛细的刻蚀管道中。注入过程是将芯子 浸渍在电解液中并进行加热（或不加热）的真空－强压循环处理，对于小容量电容，仅仅只是浸渍 吸收就可以。电解液由不同化学成分混合而成，根据不同的电压和应用环境温度范围，其组成成分 也不同。水在电解液成分中占据一个主要角色，它增加了电解液可导性从而减小了电容的ESR，但 同时降低了沸点影响了在高温下的性能，降低了贮藏时间。当漏电流流过，水分子分解成氢气和氧 气，氧气在漏电流处与阳极箔金属生成新的氧化膜（自愈），氢气则通过电容的橡胶塞逸出。因此 为了维持氧化膜的自愈特性，是需要有一定比例成分的水。 g） 密封 电容芯子密封在金属外壳罐里，大多数金属外壳为铝。为了释放产生的氢气，并不是绝对的密 封，当内外压力差值超过某一值时，氢气可单向透过橡胶逸出，消除爆破的危险。总的来说，封得 太密，会导致过强的压力，太松，则会使电解液挥发干涸失效。 h） 老化 老化是电容生产的最后一步，在这个过程中，会施加一个大于额定电压但小于形成电压的直流 电压，一般会在电容的额定温度下进行（也可能在其它温度甚至室温下），这个过程可以修复氧化 膜的缺陷，老化是筛选早期失效的电容的一个很好手段，低的初始漏电流是有效老化的一个 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 。 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第6页, 共32页 1.2 影响滤波效果的模型参数特点认识 由于寄生参数和电容材料结构自身因素，实际电容器的等效电路可以用下面图1-2的RLC串联图 来表示： 图1-2：电容等效电路图及铝电解电容典型阻抗幅度特性 对于铝电容的阻抗频率幅度曲线，在低频由 Cw 1 确定，由于电解电容容量可以做得比较大，因此 铝电容广泛应用于低频滤波场合；在数十千赫到数百千赫下，则由ESR确定，由于铝电解电容的ESR 较大，其阻抗频率幅度特性曲线一般为U形，而不像瓷片电容由于ESR小，在谐振频率点处会有一 个明显的下尖而呈现的V形；而在兆赫下，由 L×w 确定，普通的铝电容其ESL是较大的，这大大限 制了在高频下的应用。因此ESR值较高和ESL较大限制了铝电解电容在高频场合下的应用。 下面针对铝电容等效电路里的各项参数（C、ESR和ESL）来分析频率阻抗特性，从而了解其在 电源滤波电路中的应用。（关于铝电容的阻抗频率特性测试，请参考附件[31]） 1.2.1 电容量 容量是选择应用电容首要考虑的第一个因素。目前，铝电解电容的电容量范围业界可做到 0.1uF～3F （公司编码的范围为：0.47uF～6.8mF），工作电压从5V～500V。电容每一量级一般分6 个数值：1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8 。 应用于滤波场合时，从阻抗角度看（ C 1Z w＝ ），电容容量越大，阻抗越小，因此容量越大滤 波效果越好；但由于电容的非理想性，其自身构造带来的寄生参数限制（见上图），使得应用频率 一般不应超过自身谐振频率点；谐振频率点 LC2 1f p ＝ ，不仅与ESL有关，还与电容C有关，从铝电 容的ESL和C的分布范围，可以推算谐振频率从11kHz（Lmax＝30nH；Cmax＝6.8mF）到2.5MHz（Lmin ＝10nH；Cmin＝0.47uF ），实际上从上面的阻抗幅度频率特性图看到，由于铝电容的ESR比较大， 呈现“U“型特性，这样并不能很好的定位那一点是谐振频率，实际应用时，这一平坦的区域同样 有助于滤波（当然前提是小于目标阻抗），因此完全按照谐振频率点来进行限制是不妥当的；谐振 点可作为一个参考，实际应用的截止频率肯定要比该点高（一般不超过几百kHz，由ESR/ESL和目 标阻抗共同决定）。滤波应用时，小容量铝电容（<10uF电容）不具有优势，寄生参数大，而且容 量小，在高温时寿命短，主要还是大容量的电解电容应用于低频的滤波场合。 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第7页, 共32页 电容量随着温度变化而变化：通常，从25℃到高温极限，容量增加不超过10%；对于－40℃极 限的电容，在－40℃时，低压电容的容量会下降20％，高压电容则下降有40％之多；在－20℃到－ 40℃温度区间时，容量下降最快；对于－55℃极限的电容，在－40℃时，下降通常不超过10％；在 －55℃时，不超过20％。 由于ESR、ESL寄生参数影响，铝电容的电容量随着频率的升高而减小。 1.2.2 ESR值 通用铝电解电容，其ESR值一般在几十毫欧～2.5 欧(100kHz/25℃）。从业界资料上了解到通用 铝电解电容的ESR范围在10mΩ～10Ω。对于Low ESR铝电解电容，其ESR值在手册中有给出，一般 几十mΩ（100kHz/20℃）。 下面分析一下铝电容内部结构参数及与ESR的关系，ESR值由三个部分所组成，即： 1） 氧化膜介质损耗所代表的等效串联电阻（r介） 2 ) 电解质所代表的等效串联电阻（r解） 3） 板极欧姆电阻、导电层的欧姆电阻，以及其间的接触电阻（r金 ） ESR＝r介＋r解＋r金＝ C tg w d ，这里的 dtg ，即电容器的损耗角正切值或损耗因子(Dissipation Factor)DF，定义为DF＝ dtg ＝ ESRC ××w 。 电解电容用于脉动电路时，衡量其交流特性的参数指 标用电容量及 dtg ，有时则用阻抗和ESR，一般来说，厂家喜欢用 dtg 指标，因为其便于考核产品 的质量；而对于应用来说，ESR则更为容易理解。如果工艺上不出差错而且工作频率较低时，r金是 可以忽略掉的（当工作频率较高时，出现趋肤效应，这时r金影响就较大）；另外，氧化膜介质的 介dtg 值在电解电容器的工作频率范围内，可近似地认为是一个常值，与频率无关，所以最后可以简化为 dtg = 介dtg ＋ 解rC ××w 。 r解又叫做浸渍纸电阻，指以易浸润的分隔纸（衬垫纸）或其它多孔性纤维材料浸透了工作电解 液后的电阻，有时也称为衬垫物电阻，r解＝ A2 d×× rj ，j－衬垫材料的渗透系数，与其多孔性结构 有关； r－电解液的电阻率（ cm×W ）；d－衬垫材料的厚度（cm）；A－阳极箔的外观几何尺寸 表面积（非衬垫材料的 2cm ）；A乘以2是因为箔的两面均起作用。减小 r可以减小r解，但不能过分 追求减小 r，因为 r太小会带来可靠性问题；而且 r随温度增加而减小，在高温下如85℃时，这时 差别也不大。 a） 电容容值和额定电压值： 一般ESR与容值和额定电压成反比，如相同额定电压，容量越大，ESR越小；相同容量，额定 电压越高，ESR越小。这主要是通过r解与A的成反比关系来确定的，当容量增大、额定电压增高时， 相应的铝箔尺寸面积也要增大，所以r解减小，由此可以理解相同系列，相同耐压，同一尺寸，同一 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第8页, 共32页 量级范围内的电容其ESR差别是不大的（因为A变化不大）。 b） 尺寸大小： 在同一尺寸面积下，ESR与铝箔尺寸呈线性关系(Ω/inch),铝箔越长（即直径越大），ESR越大； 铝箔越宽（即电容越高），ESR越小。这主要是通过对r介的影响导致的。一般径向的铝电解电容给 出的规格尺寸是以 HD ´F 的方式表示，其中D表示铝箔卷起后的直径，也就表示了其长度；H为电 容的高度，即铝箔的宽度。对于轴向电解电容，也是以 HD ´F 的方式表示，但要根据其内部引出 线的方式来决定。 图1-3：铝电容的铝箔尺寸 c） 频率和温度： ESR值在低频段时随着f 的增大而减小，并最终趋于一个较稳定的值；ESR值随着温度的变化 而变化，一般从25℃到高温极限，ESR会下降大约35％～50％；而从25℃到低温极限，ESR会增大 10到100倍。从图1-4可以形象的看到ESR随频率和温度变化而变化的趋势和比例。 图1-4：铝电容的ESR随温度和频率变化 使用液体电解质（或凝胶电解质）r解与温度的关系是显而易见的（电解液的电阻率 r随温度变 化）；而由前面 dtg = 介dtg ＋ 解rC ××w 及 dtg ＝ ESRC ××w ，也可以知道ESR= 解介 ＋rCtg wd , 而 介 dtg 值在转折频率点以下可近似地认为是一个常值，所以在低频段时，频率增大ESR减小，到 转折频率点后，ESR就趋向于一个稳定的值；该转折频率点与容量成反比，一般在10kHz以下。由 于大容量铝电解电容的转折频率点低，所以其ESR随频率变化的特性不明显，特性曲线较为平坦。 ESR由于联系到电容的结构和工艺，实际上就是考查了形成铝箔的质量、电解液配方的合适度、刺 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第9页, 共32页 铆引出条的位置和铆接质量，以及减少电容器芯子的自感的措施是否适当等生产措施。随之也就相 应引出了合适的脉动电路用的纹波电流和工作频率上限范围。厂家主要通过 dtg 来考察其ESR指 标。ESR的应用影响主要是纹波电流流过产生的损耗发热及压降影响（纹波电压），见下面可靠应 用关注点分析。 1.2.3 ESL值 铝电解电容的寄生串联电感值ESL，其值较为稳定，并不随频率和温度变化，对于通用铝电解 电容，ESL不会超过100nH ,如SMT封装，其值在2nH~8nH范围内；径向插装:10nH~30nH ;螺旋式 （screw-terminal）：20nH~50nH ;而轴向插装的结构，其值则可以达到200nH。 一般，铝电解电容的ESL有三个部分组成： 1）芯子的电感，主要指极箔的电感，包括接触用引出箔的电感和多个芯子间的内部连接线的 电感； 2）引出线的电感，可以用 )1(2L 4 -×× D lInl＝ 或按照20nH/inch（1 inch＝2.54cm）来粗略估算 电容引线的电感； 3）金属外壳的电感，如外壳与芯子的引出端不连接，则外壳对电容器的电感根本无影响；但 如利用金属外壳作为其引出端之一并接地时，将会使电感量加大，我司使用的轴向电解电容 220uF/100V(08010338),其外壳与负引出端相连接到地上去，其电感量相对就较大。 此外，由于电容连接到PCB板上，必要时也需要考虑电容在板上布局的好坏带来的走线电感（相 对与其自身电感要小得多）。通常，若插装电解电容两个引线不是直接连接到电源平面上，而是通 过走线过去的话，我们需要考虑这走线的电感，一般按10nH/inch来计算。 PCB走线（两层板）的 电感可以用 W d opL ×× lm＝ ，uo＝ p4 nH/cm来计算。 当铝电解电容应用于脉冲高频电路时，这时就要考虑ESL的影响： a） 作为使用频率上限范围限制的参考： 一般认为，当频率高于电容的自身谐振频率点时（ LC2 1f p ＝ ），寄生电感ESL的感抗大于容抗， 电容已不能看作是一个电容使用，因此ESL和电容容值决定了其使用的频率上限，由于铝电解电容 的容值和ESL均较大，自身谐振频率点都较低，因此限制了其在高频场合的使用。从阻抗角度看， 该上限由所需目标阻抗和ESR/.ESL来共同决定，一般为几百kHz。（ESR较大，并不等效于扩宽了 使用范围，主要还是由目标阻抗决定。如果ESR小，但是目标阻抗不需要提供太小阻抗，使用频率 范围同样较大，不过在不同频率效果有所差别而已，但仍然符合要求）。 b） ESL值大，ESR也较大： 为了获得较大的电容量，相应地必须增加阳极箔的使用面积。按一般的卷绕式结构，金属箔的 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第10页, 共32页 电感将随阳极箔的面积增大而增大（如箔的宽度不变，A增大，l必大，L也增大，金属箔电阻也增 大）。在所有结构中，卷绕式结构电感量最大，ESR最大；而叠箔式特殊结构，不仅L最小，ESR也 最小。 1.3 可靠应用关注点 铝电解电容的可靠应用主要是关注温度，因为铝电容的电解质为液态，芯子发热将导致电解液 挥发，长期下去最终干涸失效。 铝电容内部芯子的温升主要是由于ESR、Rp电阻的损耗发热导致（有些资料将Rp变换看成是 ESR的一部分），相对来说，Rp的损耗远小于ESR的损耗，因此可忽略Rp而主要考虑ESR的影响。 当电容应用在脉冲交流电路中时，如工频的整流平滑滤波、开关电源输入输出滤波等，纹波电流流 经ESR产生的损耗发热将严重影响了器件的使用寿命，因为器件内部温度的上升，工作电解液蒸发 量增加，使电容容量减小， dtg 增大，长期下去导致电容干涸失效。因此器件手册给出的纹波电流 值实际是由ESR决定的，ESR大，必然允许纹波电流要小。 一般，电解液损失40％时，容量下降20％；损失90％，容量下降40％，此时，芯子已基本干涸， 不能再使用了。从实际应用情况看，挥发干涸只是对在高温场合下运行的小体积（小容量，<10uF） 铝电容（电解液少）有影响（在大于75℃的高温场合，应尽量少用小尺寸的铝电解电容），而对于 一般的大容量铝电解电容，在大多数应用场合下，在10～20年的时间内都不会发生干涸失效（大多 数应用场合指：纹波电流不超过额定值时，芯子温度不高过环境温度5℃；环境温度在45℃～55℃， 此外仍需注意高温及纹波电流过大或ESR过大造成内部芯子温升的情况）。 由于铝电容ESR和ESL都较大，在运用不当时，将会对电路功能可靠性造成影响，纹波电流流 过ESR和ESL而产生大的纹波电压。此外，由于铝电容尺寸较大，在安装、运输过程中，需要注意 不要碰、挤压、扎伤电容。 1.4 总结 l 铝电容的阻抗频率幅度曲线，在低频由 Cw 1 确定，由于电解电容容量可以做得比较大，因此 铝电容广泛应用于低频滤波场合；在数十千赫到数百千赫下，则由ESR确定，由于铝电解电容 的ESR较大，其阻抗频率幅度特性曲线一般为U形，而不像瓷片电容由于ESR小，在谐振频率 点处会有一个明显的下尖而呈现的V形；而在兆赫下，由 L×w 确定，普通的铝电容其ESL是较 大的，这大大限制了在高频下的应用。因此ESR值较高和ESL较大限制了铝电解电容在高频场 合下的应用。 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第11页, 共32页 l 铝电解电容作为滤波使用时，其容量不宜选取较小，一方面容量过小，其高温下寿命较短； 另外，电解电容的大容量特性没有发挥出来；从与其他电容特性比较，注意温度、频率对电容 容量的影响，以及所使用场合的工作电压、安装工艺要求等来选择，但作为滤波使用的话，其 容量要求不严格，尽量要求大，这样可以减小ESR。由于ESL较大的限制以及容量上的考虑， 铝电容的使用频率上限不可能很高，一般认为在200kHz以上就不宜使用了。目前大多数电源模 块开关频率都在几百kHz以上，因此，铝电容不适宜用于高频开关电源的输出滤波使用。 l 铝电容的可靠应用主要关注温度，但从实际应用情况看，挥发干涸只是对在高温场合下运行 的小体积（小容量）铝电容（电解液少）有影响（在大于75℃的高温场合，应尽量少用小尺寸 的铝电解电容），而对于一般的大容量铝电解电容，在大多数应用场合下（除了ESR。纹波电 流过大造成温升过高，或环境温度过高），在10～20年的时间内都不会发生干涸失效。 2 钽电解电容 钽电解电容是一种性能相当优越的电容，同样作为电解电容，可以实现较大容量的同时体积较 小，易于加工为小型和片状元件，适应目前电子装联技术向自动化小型化的发展，因此得到广泛应 用。但钽电容由于构造问题，比较容易在上电大电流冲击下失效；另外，对于边缘规格的钽电容， 其可靠性从实际应用统计来看，是相对较差的，这些问题都需要在使用中加以注意。下面同样分3 个小节介绍：第一小节简单介绍钽电解电容的结构和生产加工工艺流程；第二小节为钽电解电容主 要性能参数的变化特点，涉及到如何应用等方面；第三小节为介绍钽电解电容使用中的可靠性需要 关注的地方。由于实际应用的绝大多数均为钽粉烧结型的固体钽电容，这里则主要是介绍烧结型里 面的贴片钽电容。 2.1 钽电解电容的结构和主要加工环节 固体钽电容是通过将钽粉压制成型后，经高温真空烧结成一多孔的坚实芯块（圆柱形状），芯 块经过阳极化处理在表面生成氧化膜，再被覆固体电解质，然后覆上一层石墨及铅锡涂层，最后用 树脂包封成为固体钽电容。以下图2-1是一贴片固体钽电容的内部结构示意图： 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第12页, 共32页 图2-1 钽电容内部结构示意图 下面简单介绍一下贴片固体钽电容的加工工艺流程，一般有以下几个步骤：阳极基体设计－> 成型烧结－>氧化膜形成－>被覆MnO2。 a） 阳极基体的设计－钽粉的选取： 目前，贴片固体钽电容的阳极基体一般采用钽粉烧结而成，因此钽粉的的质量如何，将会直接 影响钽电容的性能。一般需要关注钽粉的粒形、大小、配比、比表面积、比容、松装密度及纯度。 采用高纯度的钽粉可用于制造工作电压高（如采用C系、D系或SHR型A系高纯钽粉）的钽电容或者 可靠性高的钽电容，因为钽电容氧化膜质量的好坏，主要取决于钽粉杂质的多少，当钽中含有杂质 时，它们都会成为阳极氧化膜中的疵点，影响漏电流的大小、闪火电压下降，电流集中流过杂质存 在的部位时，伴有发热，致使杂质周围的Ta2O5膜晶化，致使钽电容寿命下降。采用高比容的钽粉， 则减少了钽粉的用量，减小了体积，降低成本。钽粉颗粒越大，额定电压越高；钽粉颗粒越小，钽 粉烧结后的海绵状表面积越大，电容容量越大。（钽粉颗粒的典型尺寸10um，为增大表面积选有珊 瑚虫形状）；钽粉量的多少与形成电压和额定电压的比值有关（该比值一般为3.5～5）。钽粉的选 择需要在电容量、额定电压及ESR之间均衡考虑。 阳极基体的尺寸一般为圆柱形，受外壳尺寸限制，直径一般是确定的，而基体长度与直径之比 接近于2，最多不超过2.5。 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第13页, 共32页 图2-2：不同情况下钽粉的形态 b） 成型烧结： 在钽粉挤压成型前加入适量的粘合剂（成型剂），使颗粒间及颗粒和成型模具的摩擦都大为减 少，可以得到密度均匀而致密的压块，另外，在真空烧结后，粘合剂还可以提高块体的气孔率，对 提高容量和降低损耗有明显作用。但近年来，随着小尺寸的要求及成型能力增强，已趋向于不加粘 合剂。成型操作是在真空高温150℃几分钟内完成。若有粘合剂，则必须进行预烧，以挥发其中的 粘合剂。在预烧或成型后（没有粘合剂），应立即进行真空烧结，否则钽粉表面活性下降易开裂， 一般烧结温度为1500－2000℃，真空度不低于1.3×10-2Pa。烧结使各孤立的钽粉颗粒烧结在一起形 成海绵状结构，提高机械强度及密度，同时多孔的海绵状结构提供大的内部表面积。因此，烧结时 间过长或温度过高将导致电容容值变低。此后添加聚四氟乙烯垫圈隔离钽金属丝，以免在后序加工 流程中与MnO2短路。真空环境有助于钽粉的提纯，使杂质挥发掉。 c） 氧化膜形成： 与铝电容类似，钽电容的氧化膜也是通过电化学方法生成，即在形成电解液中，施加适当的正 极电压及电流，使钽表面生成Ta2O5介质。介质厚度由施加电压控制；介质厚度与耐压性能有关。厚 度与额定电压的对应关系为每20埃能够承受1V的电压。 要获得优质的氧化膜层，形成电解液（弱酸溶液）的选择很重要，因为它的闪火电压大小决定 了钽电容额定电压的高低；它抑制晶化能力的强弱也是影响钽电容可靠与否的一个重要因素。相对 铝电容的形成工艺，钽氧化膜形成工艺控制要更为严格，因为，钽氧化膜在形成过程中会发生晶化， 形成电压、形成温度和升压电流密度这三个基本参数，对晶化都有直接和间接的影响。形成电压必 须低于形成液的闪火电压，同时提高形成电压与额定电压的倍数有利于减小产品的漏电流及其分散 性，这样一般固体钽电容的形成电压与额定电压比值为3～5，而电容额定电压越高，倍数愈小（受 限于形成液的闪火电压），这也一方面说明高压钽电容的漏电流和分散性是比较大的。形成温度高， 得到的氧化膜较好，但高温形成时易诱发晶化、降低形成液的闪火电压，使形成液水分蒸发量较快。 低压形成时，可以不考虑闪火和晶化问题，一般为85±5℃或更高；形成电压高于150V时，要先在室 温下进行形成，待电压升至形成电压后，再在适当高温下恒压形成。氧化膜的生长速度，取决于阳 极化时的电流密度，密度高，速度快，但同时会使阳极反应产生的热量增加，促使晶化发生。 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第14页, 共32页 d） 阴极成型： 阴极成型，在Ta2O5表面上被覆MnO2层作为电解质，需要进行Mn(NO3)2的热分解。将形成后在 多孔体表面生成Ta2O5的阳极基体浸入Mn(NO3)2溶液中，浸透取出烘干，在水汽（湿式）或空气（干 式）的高温气氛中分解制取电子电导型MnO2，以作为电容器的固体电解质层。湿式分解比干式分 解优越很多，分解温度比干式的270℃要低，为210℃～250℃。同时生成的MnO2电阻率比干式得到 的要低一个数量级，只有0.42Ωcm，干式为7.5Ωcm。还有湿式分解得到的MnO2在致密度、多孔性 等多方面都比干式要优越，基本上目前的厂家工艺均用湿式热分解法。 但是Mn(NO3)2的热分解对阳极块的电性能影响很大。因为钽块和表面的Ta2O5的膨胀系数不同， 受热产生拉伸应力导致原有的细微裂纹增大，造成漏电流大大增加。同时热分解还容易导致损耗角 增大、MnO2进入氧化膜细微裂纹导致形成电压无法升高等。因此，为了修补热分解对氧化膜的破坏， 需要进行中间再形成。 为弥补MnO2导电性能差的缺点，即MnO2与金属焊接不良，在阳极基体表面的MnO2层上还要涂 上一层导电石墨层和银或铅锡合金之类的金属材料，然后接上外部电极，进行封装、老练。 2.2 影响滤波效果的模型参数特点认识 与铝电解电容类似，钽电容的阻抗频率特性也呈现U形特性，但其ESR相对要小，且作为表贴 封装的固有优点ESL比较小。同样，按照C、ESR和ESL三项参数来分析： 2.2.1 电容量： 钽电容是目前大量供应电容中比容最大的品种，相同容量的体积可以做得比较小；但限于固体 烧结型工艺结构和材料，其CV值（电容与电压乘积）做不大，容量和电压有一定范围，一般从 0.1uF~1000uF（公司编码范围为1uF～220uF）；工作电压从2V~50V（公司为6.3V～50V）；典型的 最大CV组合为22uF/50V(插件)或（33μF/35V）22uF/35V（表贴），而且从实际应用统计情况来看， 处于这些边缘规格参数的电容，其相对可靠性要差很多。这些因素都限制了钽电容在高压大容量上 的应用。 此外，容量的值随着频率的增大而减小，另外由于为固体MnO2电解质，所以一其容量温度特性 较稳定，甚至低温至-200℃时，其容量才减小不过10%。在滤波应用时，温度对钽电容的性能影响 可以忽略。 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第15页, 共32页 图2-3：钽电容容量 vs 温度 2.2.2 ESR值 从上一小节的工艺结构和加工环节介绍，可以看到，钽电容的ESR组成与铝电容类似，同样可 分为：ESR＝r介＋r解＋r金＝ C tg w d ，对于漏电流电阻rL ，它在频率极低的情况才有一定的影响。 用损耗因数DF来表示，即DF＝ dtg ＝ ESRC ××w = 介dtg ＋ 解rC ××w （ 介dtg 是一个几乎于频 率无关的量），从损耗因数角度来看，如下面图2-4： 图2-4：损耗因数vs频率 在极低频为漏电流代表的损耗，可通过阻抗转换公式换成串联的表示形式，其影响一般不考虑。 在低频的区域，可以看到，氧化膜介质损耗D3基本不变，反映到r介上，即随着频率的增大，r介减小， 直到到达较高的频率，其影响已基本可忽略，而主要是r解与r金的影响。在低频的区域，主要是r介， 其随着频率的关系，如下面图2-5所示： 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第16页, 共32页 图2-5：ESR vs 频率 在室温情况下，r介的值一般为500/Hz*uF~1500/Hz*uF ；另外，从温度上，r介的温度特性比较稳 定，一般从室温到125℃，其值会有2％的增加。 介dtg 变化量若大于2％，则可能反映了形成的氧化 膜质量很可能不合格。 在较高频率段时，r介的值降到比r解还要小时，这时主要是r解主要影响ESR；由于烧结块是个细长 形的圆柱体（直径相对于长度比较小），当施加交流电压后，其电流按径向流动，其导电模型可视 为一有无数微小的在氧化膜微孔内的、由电解质组成的微小电阻和由相应的氧化膜介质组成的无数 微小的电容量构成，即由分布参数的RC组成导电网络（实际PSPICE对电解电容的模型也正是基于 这样的结构），如下面图2-6: 图2-6：钽电容的模型 r解的值就是这些分布参数电阻值的集成代表，它由有效电阻率ρ（ohm/cm）来决定，而p决定于 多孔性、微孔的大小和形状、装填MnO2的程度以及MnO2电阻率。这与成型和热分解被覆MnO2工艺 均有关，一般成型压力应尽可能小，使烧结块密度相应小一些为好。 r解由于与工艺和材料构造工艺有关，比较难于定量分析，不像r介同容量的电容基本一样, r解在不 同电容规格差别很大。在滤波电路中，由于正是用于r解所处的这一频率范围，因此，r解 对我们应用 的ESR影响较大。MnO2的电阻率随着温度上升而减小，温度升到85℃，ρ会减小大约一半；而温度 降到-55℃，则为原来的2倍。由于与 dtg 的变化相反，所以一定程度上抵消了变化幅度，总的来说， 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第17页, 共32页 钽电容的ESR温度特性比较好。r解从低频一直较稳定，但直到10kHz左右，有个转折点，随着频率增 大而减小，如下面图2-7右: 图2-7：ESR vs 温度 及 r解 vs 频率 在工艺保证下，r金一般可不考虑，但到高频后，其值会由于趋肤效应而增大。下面图2-8为一个 全频率范围内钽电容ESR的变化图： 图2-8：ESR vs 频率 贴片固体钽电容的ESR值相应要比铝电容小一些，其范围也是从几十毫欧到10 欧（100kHz） 分布，具体的ESR值（100kHz）可以在相应的数据手册上找到（有些需要从85℃变换为常温25℃）， 另外，通过DF值也可以算得在100Hz下的ESR值是多少。 2.2.3 ESL值 ESL于电容的封装尺寸及引线等有关，因此对于贴片固体钽电容，其ESL很小，一般为1～3nH。 同样，ESL值较为稳定，不随频率、温度变化，电容量对ESL的影响也不太大，主要是封装尺寸的 影响。下图为贴片固体钽电容各规格尺寸与贴片陶瓷电容的ESL对比： 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第18页, 共32页 2.3 可靠应用关注点 钽电容有三种失效模式：电流型、电压型和发热型。 电流型失效常见于固体钽的异常漏电流巨大，一方面表明其氧化膜上的缺陷部分恶化，引起介 质的漏导增大，最后导致介质短路，大多数情形下，自愈特性会修复这些疵点，但如处于充分电过 于频繁的场合，这种介质瞬时击穿也会弄得不可收拾导致突然失效。因此，电压一定时，串联电阻 可以显著减小失效。 电压型失效是指使用中的不当导致工作电压或浪涌电压突然过高，结果引起局部闪火，终致介 质击穿；另外是长期经受高的工作电压，而氧化膜不可避免地存在着杂质或其它缺陷；当这些部位 的场强较高，电流密度较大，导致局部高温点出现，从而留下了诱发热致晶化的隐患。在金属氧化 物界面的某些点上，由于金属里含有杂质，也成了诱发场致晶化成核的因素，当温度升高时，便促 进了晶核的形成和生长。因为晶体要达到一定大小后，才会使无定形氧化膜破裂，所以晶体生长的 快慢是决定电容器寿命的一个因素，试验表明，使晶体生长到足以引起氧化膜破裂临界尺寸的时间 是场强的指数函数。随着施加电压增加（即场强提高）和环境温度的提高（相应的缺陷部位温度更 高），电容器的失效率也就增加，在晶体生长阶段，对电容器性能并没有显著影响，只在氧化膜破 裂时，绝缘会完全丧失，导致突然失效。 发热型失效一般认为是由于产品的 dtg 太大导致热不平衡，热量累积以致热破坏，但随着高频 化，趋肤效应，是另一种热失效模式。 对固体钽电容承受大的冲击电流对产品性能的影响研究中，例如应用在计算机电源里作为去耦 元件以及开关电源的输出滤波元件时，所遇到的瞬时高频大电流的冲击，分析其失效原因发现MnO2 层及银层部分，已破裂脱开钽块，由于局部热点的低阻和较差的热导接触，发生局部高温，最后造 成介质的热击穿，按照传输线理论，电容器钽块可视为一RC组成单元，在高频时（例如脉冲的前沿 部分），电流只在钽块表面通过，而未及内部，因此电量集中在表面，电流密度很大。未能均匀分 布在钽块全部，所以表面成为电量集中区域，而主要集中在钽块的一小部分面积上，如钽块的上下 肩部，一方面该处曲率很大，不利于导热和散热；另一方面，肩部的MnO2层较薄，电阻小，因此冲 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第19页, 共32页 击电流失效的击穿是源于发热，成为发热型失效的典型。 这几种失效模式最终都会造成钽电容短路烧毁，失效分析很难判断是那种类型导致。一般说来， 钽电容在正常运行时（电压降额足够）是很少发生失效的，只有在上下电、电源波动及频繁充放电 场合才有可能失效（即在脉冲电流冲击下），究其原因也是因为，钽电容的内部结构缺陷导致。因 此，相对于铝电容关注工作温度因素，钽电容更为关注施加的工作电压大小和速率。 另外，在恒定温度下，选定某一种形成电解液，不管采用何种电流密度升压（影响氧化膜的厚度）， 所形成的氧化膜的结构基本不变，即ε（氧化膜介电常数）和α（形成常数nm/V）为一常值，由 d AkC ×× e＝ 及氧化膜厚度d＝Uf×α （形成电压乘以形成常数）可以知道，形成电压与电容量的 乘积 a e AkUC f × ×× ＝ (uF.V)，在ε和α以及阳极表面面积A不变时（可以认为封装一样时，其表面 面积有一最大值），CUf为一常值，又由于形成电压与额定电压有一比值，因此，同一系列同一封 装的不同规格电容，是有一个最大的CV值。表贴Case D的典型业界最大CV组合为22uF×35V＝ 770uF.V，在同规格同样阳极表面积下，超出这个规格就是比较边缘的产品，从实际应用情况来看， 边缘规格产品的失效率相对较高，这与其工艺控制要求高有关。从器件厂家给出的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 规格、扩展 规格及发展规格是可以做出那些产品属于边缘规格的判断。一般铝电容氧化膜的CUf值为6～ 8.5uF.V/cm2 ;钽电容氧化膜的CUf值为11～13uF.V/cm2。 2.4 总结 l 钽电容的ESR相对要比铝电容要小，但其优势为作为表贴元件，安装方便以及ESL较小，这 也使得其应用频率较铝电容要宽。从钽电容的ESL和C的分布范围，可以推算谐振频率从 0.9MHz（Lmax＝3nH；Cmax＝1mF）到5MHz（Lmin＝1nH；Cmin＝1uF ），但从阻抗频 率特性曲线看，由于ESR也是相对较大，因此也是呈现“U”型，这使得其应用频率范围进一 步扩宽（在满足目标阻抗的条件下），最高可以达到10到几十MHz。 l 相对于铝电容关注工作温度因素，钽电容更为关注施加的工作电压大小和变化速率。 l 滤波应用时，温度对钽电容的性能影响可以忽略。 3 瓷片电容 瓷片电容已经成为主流、通用的电容，尤其是SMT片状类型，由于成本低，显得特别有吸引力。 随着介质层的变薄以及多层结构，现在瓷片电容已经可以做到额定电压小于10v，容量达到几百uF 的大电容。独石电容器是瓷介电容器的一个变种，把印刷好电极的瓷介薄片交替叠合烧结成整体， 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第20页, 共32页 然后剪成小块引出电极而制成。它相当于多个小瓷介电容并联，因此体积小，在计算机系统、手持 无线电仪器中代替瓷介电容使用很方便。我国以前不能生产瓷介独石电容，近年来通过引进已可以 自己生产，由于工艺比瓷介电容稍复杂，因此成本稍高，可靠性稍差。国外有时在体积要求不严格 时也使用独石电容，我们可考虑用普通瓷介电容代替之。 3.1 瓷片电容的结构和主要加工环节 如下面图3-1的瓷片电容的结构，内电极导体一般为Ag或AgPd，陶瓷介质一般为BaTiO3， 多层 陶瓷结构通过高温烧结而成。器件端头镀层（外电极）一般为烧结Ag/AgPd，然后制备一层Ni阻挡 层(以阻挡内部Ag/AgPd材料，防止其和外部Sn发生反应)，再在Ni层上制备Sn或SnPb层用以焊接。 近年来，也出现了端头使用Cu的MLCC产品。 图3-1：陶瓷电容的结构图 下面简单介绍一下陶瓷电容的主要加工环节： a） 备料成型：原料经过煅烧、粉碎与混和后，达到一定的颗粒细度，原则上颗粒越细越好。 然后根据电容器结构形状，进行陶瓷介质坯件成型； b） 烧成：对瓷坯进行高温处理，是其成为具有高机械强度、优良电气性能的瓷体。烧成温 度一般在1300℃以上。高温保持时间过短，固相反应不完全彻底，影响整个坯体结构， 造成电性能恶化，是所谓“生烧”；高温保持时间过长，使坯体起泡变形以及晶粒变大， 同样恶化电性能，造成“过烧”； c） 然后是电极制造，引线焊接，涂覆，包封； 3.2 影响滤波效果的模型参数特点认识 瓷片电容的阻抗频率特性呈现V形特性，其ESR非常小，另外它电容量特性与其介质构成有很 大关系。同样，按照C、ESR和ESL三项参数来分析： 无源滤波元器件－电容的介绍和深入认识 内部公开 2008-08-05 版权所有，侵权必究 第21页, 共32页 3.2.1 电容量 瓷片电容根据其采用的介质和温度表现可分为三种类型：第一类（NPO或COG），适用于低容 量、稳定性要求高的场合，其电性能最稳定，基本上不随温度、电压与时间的改变而改变；第二类 （X7R），其电介质常数较大，相同体积的容量要比第一类要大20～70倍，但温度从-55℃到125℃ 范围变化时，容量变化一般在±10％，最大可达＋15％到-25％，其电性能较为稳定，适用于隔直、 耦合、旁路与对容量稳定性要求不太高的鉴频电路； 第三类（Z5U），其电介常数较高，常用与生 产比容较大的、标称容量较高的大容量电容器产品，但其容量稳定性较X7R差；其容量可以做到第 二类的5倍，然而容量、损耗对温度、电压等较为敏感，稳定性很差，当温度从-25℃到85℃变化时， 容量变化为＋20％到-65％。 第一和第二类瓷片电容在低温时，性能要比铝电解电容要好。而第三类瓷片电容在所有温度下 特性都较差。第一类和第二类瓷片电容的低损耗因子DF以及高容量稳定性特别适合AC和高频应用 场合。一个很明显的例子，用仪器测试不同介质常数的电容，可以看到在不同AC电压下，其电参数 的变化： 图3-2：陶瓷电容的容量变化效应 3.2.2 ESR值 在片式多层元器件类型中，ESR（Res）主要由介质层电阻、内电极层电阻、各接触面电阻和端 电极电阻等四个方面组成；其中各接触面电阻包括端电极与内电极的接触，不同的端电极电镀层间 的接触等；Res对频率是较为敏感的，并随频率的增加而增加，因为： 1．接触电阻－电极间接触形成的间隙式裂缝是容性阻抗(Z=1/(2*pi*f*C)),从而导致Res在刚开始 时随频率的增加而下降。 2．趋肤效应－内电极和端电极由于趋肤效应，阻抗随频率的增加而增加，最终将抵消接触电 阻所产生ESR下降的影响。 3．电介质极化－随电介质中的极化定向，大量的能量被储备，从而呈现阻抗随频