電容器基礎(chǔ)知識

1、 電電 容容 器器 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識日 期：2017年2月18日主要內(nèi)容主要內(nèi)容結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 示示 意意 關(guān)鍵制造工藝關(guān)鍵制造工藝1253 4主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)1.11.1電荷存儲性能電荷存儲性能 電容器作為一種儲能元件，電容量是其最基本的性能參數(shù)。根據(jù)定義：電容量是指單位電壓 U 上，正負(fù)極之間存儲電荷量 Q 的大小。其公式為式 2-1 表示： C = Q /U （2-1） 根據(jù)國際單位制，電量的單位為庫侖 C，電壓的單位伏特 V，電容量的單位為F，即法拉。通常生產(chǎn)上采用 120 Hz 頻率測量電解電容器的容量。 電容器之所以能夠儲存電荷，主要是因為作為介質(zhì)的材料擁有極化的效應(yīng)。 因此一

2、個電容器的電容量的大小實質(zhì)上是由電容器的介質(zhì)材料、基板的面積和兩個基板之間的距離決定的。而介質(zhì)材料的極化能力可以用介電常數(shù)來表示，所以介電常數(shù)越高，則極化能力越強，所以在電容器尺寸和結(jié)構(gòu)相同的情況下，其電容量也越大。1.2 損耗角正切值損耗角正切值 tg 電容器存儲的電荷來源于外部電子的輸運，而電子在輸運的過程中必然產(chǎn)生一定的熱量。這一部分熱量對于電容器的儲能而言就是消耗，我們定義它為電容器的損耗。電解電容器的損耗一般由介質(zhì)部分損耗、金屬部分損耗、接觸部分損耗三部分組成。 電容器在交變電場作用下，損耗不僅與漏導(dǎo)有關(guān)，而且與周期性的極化建立過程有關(guān)。通常為了更確切的表征電容器損耗的性質(zhì)，用電容器

3、損耗角的正切表示電容器的損耗。電解電容器的損耗角正切值定義為式 2-2：tg =C R 式中 2f 為角頻率，f 為電解電容器的工作頻率(單位 Hz)，C 為電解電容器有效電容量(單位)，R 為電解電容器的 ESR(單位 )。1.3 絕緣性能絕緣性能 通常對于電解電容器，絕緣性能用漏電流來評定。這一參數(shù)是判斷電解電容器質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。漏電流定義為在規(guī)定條件下極板間加上一定的直流電壓時流經(jīng)電容器的傳導(dǎo)電流。通常計算其允許值的基本公式為式 2-3： IL= K C U 式中 C 單位為F，U的單位為V，K為漏電流常數(shù)，IL單位A。通常鉭電解電容器 K0.020.04，而鉭電容器漏電流的測試電壓

4、為額定電壓的0.81.2 倍。 影響漏電流的因素較多，其中最重要的工藝因素是陽極金屬純度、介質(zhì)氧化膜的質(zhì)量、電解質(zhì)的組成即質(zhì)量等。另外，漏電流還與施加的直流電壓高低、環(huán)境溫度、加電壓時間、電容量大小等因素都密切相關(guān)。1.4 1.4 阻抗性能阻抗性能 ESR 即等效串聯(lián)電阻，描述了電解電容器在電路中所體現(xiàn)出來電阻值，它與電容器所用的材料，電容器的結(jié)構(gòu)以及各部分之間結(jié)合情況緊密相關(guān)。而電容器在電路中的運用也對電容器的 ESR，提出了不同的要求。如今隨著電路系統(tǒng)頻率的不斷提高，對于電容器的降低 ESR 也提出了更高的要求。電容器 ESR 降低一方面直接減少由電容器內(nèi)部寄生電阻組件造成的噪聲，減少了對

5、電路性能的影響。另一方面，更低的 ESR 可以提高電容器的容頻特性，使其能在更高頻率下工作。 固體鉭電容器的高頻等效電路如圖2-2所示，即為電容器的等效電阻（ESR），其中電解電容器的等效串聯(lián)電阻 ESR 由三部分組成。(1) 電解質(zhì)所代表的等效串聯(lián)電阻 R1； (2) 介質(zhì)損耗所代表的等效串聯(lián)電阻 R2； (3) 電極及引線的歐姆電阻以及其間的接觸電阻 R3； 總的電阻表示為式 2-4： ESR = R1 + R2 + R3 （2-4） 式中 R2 為介質(zhì)損耗代表的等效串聯(lián)電阻，其大小主要決定于氧化介質(zhì)膜的質(zhì)量和厚度。一般情況下，在賦能工藝結(jié)束后基本為固定值。對于 R3，通常情況下是不隨頻率

6、變化而變化的。因此，對于高頻電路中，ESR 的主要組成部分來自于電解質(zhì)的等效串聯(lián)電阻 R1。 鉭電容器的 ESR 是表征電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)里的每一個容性組分接觸電阻的最終值。鉭塊是鉭粉粘合成形后經(jīng)真空高溫?zé)Y(jié)而成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由很多毛孔狀小球組成的，這樣就增大了鉭粉微粒之間的接觸面積。傳統(tǒng)的陰極材料是 MnO2，生成在介質(zhì) Ta2O5的表面。沉積下來的 MnO2蛇形盤踞毛孔狀結(jié)構(gòu)形成的隧道中。通常陰極的引出是在陰極上被覆石墨、銀層，陽極引出是從鉭塊中心由金屬鉭引線實現(xiàn)。 圖 2-3 是鉭電容器內(nèi)部微電容的等效示意圖。如圖 2-3 所示，鉭電容內(nèi)部由許多微小電容組成。每個微孔等效為一個微小電容，這些

7、微小電容通過鉭塊內(nèi)部，由鉭絲引出作為電容器的陽極。而電容器的陰極則是由浸入微孔內(nèi)部的電解質(zhì)相互連接，最后經(jīng)石墨銀漿引出。這些微小的電容相互之間，有共同陰極和陽極，由此構(gòu)成了整體的電容器。 電容器的等效串聯(lián)電阻 ESR 是由陽極電阻、介質(zhì)損耗和陰極電阻所組成。而從對鉭電容的分析來看，陽極電阻和介質(zhì)損耗相對于陰極的電阻而言是可以忽略不計的。因此對于 ESR 最主要的來源是陰極材料的材料電導(dǎo)率。2.1 2.1 成型與燒結(jié)成型與燒結(jié) 成型是通過成型機(如圖 2-6 所示)將若干細(xì)小的金屬粉末制成大小、形狀不同的鉭陽極塊。成型工藝首先要注意鉭粉的選擇和陽極基體的設(shè)計，鉭粉雜質(zhì)含量不僅直接影響電容器的漏電

8、流、損耗角正切值、電容量和可靠性，還影響閃火電壓的高低，制造電容器用的鉭粉純度應(yīng)為 99.9299.94。此外對于鉭粉比容的選擇也很重要，一般對于高壓產(chǎn)品選擇比容較低的鉭粉，而對于低壓大容量的產(chǎn)品，一般采用比容較高的鉭粉。陽極基體尺寸的設(shè)計應(yīng)考慮下列因素： (1) 鉭粉的成型能力，粉粒的大小和配比情況；(2) 現(xiàn)有的模具條件；(3) 確定成型壓力和壓制密度。 燒結(jié)的作用有兩個，一是純化壓塊，二是增加壓塊強度，并且成為具有合適孔隙的多孔體。燒結(jié)時，一方面，粉末的表面原子力圖充當(dāng)內(nèi)部原子而使自己處于低能量的位置；另一方面，晶格的畸變和具有較高內(nèi)應(yīng)力的原子，也要求將自己的能量降低，恢復(fù)自己正常的位置

9、。所以在燒結(jié)過程中，原子會釋放出能量。而燒結(jié)溫度和保溫時間是確定燒結(jié)工藝的兩個主要問題。燒結(jié)能夠改變陽極塊的孔體結(jié)構(gòu)和含雜量。如果燒結(jié)溫度低且時間短，則基體的收縮率小，燒結(jié)密度低，多孔率高，開口孔數(shù)也較多，因此陽極塊的比容較大。但由于燒結(jié)溫度低、時間短，陽極體的含雜量高，所以漏電流大，擊穿電壓低。因而對于高壓、高工作溫度及高可靠性的電容器，其陽極塊就必須要求燒結(jié)溫度和保溫時間相應(yīng)提高和延長一些。2.2 賦能賦能 形成，也稱賦能，是指利用賦能槽(如圖 2-7 所示)在燒結(jié)鉭塊顆粒的表面上生長一層氧化鉭薄膜的工藝。對于固體鉭電容器，形成電解液選用0.01%0.1% H3PO4 的水溶液。此外，形成

10、溫度、形成電流密度和形成電壓是形成工藝的三個基本參數(shù)。 形成溫度。由于采用較高的溫度形成時，可以得到較為致密均勻的氧化膜，形成一般在 855 下完成。 (2) 形成電流密度。氧化膜的生長速度，取決于陽極化時的電流密度。為了提高生產(chǎn)效率，就需要增加電流密度。但是電流密度過大，會使陽極反應(yīng)產(chǎn)生的熱量增加。促使晶化發(fā)生。低壓形成，一般采用較大的電流密度，如 1530 mA/g，形成速度快，氧化膜的質(zhì)量也較好。 (3) 形成電壓。形成電壓直接決定了介質(zhì)氧化膜的厚度，也即是電容器的設(shè)計容量。一般固體鉭電解電容器的形成電壓為額定電壓的 3.55 倍。這樣可以使得氧化膜有一個較高的承受電壓，同時又避免接近形

11、成液的閃火電壓，使得形成過程良好的進(jìn)行。 2.3 被膜工序被膜工序 被覆固體電解質(zhì)的過程，工業(yè)上稱為被膜，是指在被膜槽中(如圖 2-8 所示)通過將形成之后的芯子浸入高錳酸鉀溶液中，一段時間后，進(jìn)行高溫分解形成二氧化錳作為電解電容器的陰極的過程。被膜過程中應(yīng)注意以下幾個問題： (1) 被覆的固體電解質(zhì)應(yīng)該結(jié)構(gòu)致密、附著牢固穩(wěn)定，具有良好的導(dǎo)電性且與氧化膜接觸良好。 (2) 二氧化錳層是高溫分解下生成的，所以高溫使介質(zhì)膜的損傷從而影響到漏電流和合格率是一個值得重視的問題。 作為電容器電解質(zhì)的二氧化錳層，具有多方面的性能。一定晶型和粒度的二氧化錳對于生成結(jié)構(gòu)致密、牢固而又具有良好導(dǎo)電性能的膜層是必

12、要的。由于二氧化錳也是電容器的陰極，它還必須與介質(zhì)氧化膜有良好的接觸。被覆 MnO2電解質(zhì)層以后，還要浸漬 78的膠體石墨溶液，在 130220 下烘干 2030 分鐘，反復(fù) 35 次，即在二氧化錳層外得到與其接觸良好的導(dǎo)電石墨層。最后，在石墨外被覆銀漿層作陰極引出。2.4 電解電容器的自愈作用電解電容器的自愈作用 電解電容器的自愈作用是指當(dāng)電解電容器在形成氧化膜的過程中，由于材料的純度和過程控制中引入了雜質(zhì)，使得氧化膜具有微細(xì)的裂痕、缺陷、空洞等疵點。而這些疵點在外界施加電壓時，導(dǎo)致疵點附近的局部溫度劇烈升高，從而生成一些導(dǎo)電能力很差的氧化物，從而“阻塞”電流的現(xiàn)象。 如圖 2-9 所示，介

13、質(zhì)氧化膜 Ta2O5中存在有裂痕、雜質(zhì)等疵點。當(dāng)外部施加電壓時，電流首先集中在這些疵點附近流過。由于電流的作用，疵點附近局部溫度將迅速上升，從而使得靠近疵點附近的 MnO2 發(fā)生反應(yīng)生成 Mn2O3。其電阻率為106 cm，而 MnO2的電阻率為 102 cm。由于生成了高電阻率的 Mn2O3，所以阻止了電流在這些疵點經(jīng)過。由以上的分析可以看出，電解電容器的自愈作用并不是指消除了疵點或者修復(fù)介質(zhì)氧化膜，而是指通過在疵點附近生成新的氧化物利用新生成的氧化物高電阻率的作用“阻塞”了電流的通過。從而相當(dāng)于提高了介質(zhì)薄膜的絕緣性。 雖然 Ta2O5具有自愈作用，但是這個作用具有一定的作用范圍。如圖 2-10 所示，當(dāng)介質(zhì)氧化膜中的雜質(zhì)缺陷較多時，其內(nèi)部存在大量的裂痕、缺陷等疵點。當(dāng)外面施加電壓時，這些疵點附近就會出現(xiàn)大量電子流過，從而產(chǎn)生大量的熱量。當(dāng)產(chǎn)生的熱量過高