电容器基础知识

电容器基础知识日期：2017年2月18日主要内容结构示意关键制造工艺12534主要性能指标1.1电荷存储性能电容器作为一种储能元件，电容量是其最基本的性能参数。根据定义：电容量是指单位电压U上，正负极之间存储电荷量Q的大小。其公式为式2-1表示：C=Q/U（2-1）根据国际单位制，电量的单位为库仑C，电压的单位伏特V，电容量的单位为F，即法拉。通常生产上采用120Hz频率测量电解电容器的容量。电容器之所以能够储存电荷，主要是因为作为介质的材料拥有极化的效应。因此一个电容器的电容量的大小实质上是由电容器的介质材料、基板的面积和两个基板之间的距离决定的。而介质材料的极化能力可以用介电常数来表示，所以介电常数越高，则极化能力越强，所以在电容器尺寸和结构相同的情况下，其电容量也越大。。1.2损耗角正切值tgδ电容器存储的电荷来源于外部电子的输运，而电子在输运的过程中必然产生一定的热量。这一部分热量对于电容器的储能而言就是消耗，我们定义它为电容器的损耗。电解电容器的损耗一般由介质部分损耗、金属部分损耗、接触部分损耗三部分组成。电容器在交变电场作用下，损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。通常为了更确切的表征电容器损耗的性质，用电容器损耗角的正切表示电容器的损耗。电解电容器的损耗角正切值定义为式2-2：tgδ=ωCR式中ω＝2πf为角频率，f为电解电容器的工作频率(单位Hz)，C为电解电容器有效电容量(单位Ｆ)，R为电解电容器的ESR(单位Ω)。1.3绝缘性能通常对于电解电容器，绝缘性能用漏电流来评定。这一参数是判断电解电容器质量的一个重要指标。漏电流定义为在规定条件下极板间加上一定的直流电压时流经电容器的传导电流。通常计算其允许值的基本公式为式2-3：IL=KCU式中C单位为μF，U的单位为V，K为漏电流常数，IL单位μA。通常钽电解电容器K＝0.02～0.04，而钽电容器漏电流的测试电压为额定电压的0.8~1.2倍。影响漏电流的因素较多，其中最重要的工艺因素是阳极金属纯度、介质氧化膜的质量、电解质的组成即质量等。另外，漏电流还与施加的直流电压高低、环境温度、加电压时间、电容量大小等因素都密切相关。1.4阻抗性能ESR即等效串联电阻，描述了电解电容器在电路中所体现出来电阻值，它与电容器所用的材料，电容器的结构以及各部分之间结合情况紧密相关。而电容器在电路中的运用也对电容器的ESR，提出了不同的要求。如今随着电路系统频率的不断提高，对于电容器的降低ESR也提出了更高的要求。电容器ESR降低一方面直接减少由电容器内部寄生电阻组件造成的噪声，减少了对电路性能的影响。另一方面，更低的ESR可以提高电容器的容频特性，使其能在更高频率下工作。固体钽电容器的高频等效电路如图2-2所示，Ｒ即为电容器的等效电阻（ESR），其中电解电容器的等效串联电阻ESR由三部分组成。[(1)电解质所代表的等效串联电阻R1；(2)介质损耗所代表的等效串联电阻R2；(3)电极及引线的欧姆电阻以及其间的接触电阻R3；总的电阻表示为式2-4：ESR=R1+R2+R3（2-4）式中R2为介质损耗代表的等效串联电阻，其大小主要决定于氧化介质膜的质量和厚度。一般情况下，在赋能工艺结束后基本为固定值。对于R3，通常情况下是不随频率变化而变化的。因此，对于高频电路中，ESR的主要组成部分来自于电解质的等效串联电阻R1。钽电容器的ESR是表征电容器内部结构里的每一个容性组分接触电阻的最终值。钽块是钽粉粘合成形后经真空高温烧结而成，其内部结构是由很多毛孔状小球组成的，这样就增大了钽粉微粒之间的接触面积。传统的阴极材料是MnO2，生成在介质Ta2O5的表面。沉积下来的MnO2蛇形盘踞毛孔状结构形成的隧道中。通常阴极的引出是在阴极上被覆石墨、银层，阳极引出是从钽块中心由金属钽引线实现。图2-3是钽电容器内部微电容的等效示意图。如图2-3所示，钽电容内部由许多微小电容组成。每个微孔等效为一个微小电容，这些微小电容通过钽块内部，由钽丝引出作为电容器的阳极。而电容器的阴极则是由浸入微孔内部的电解质相互连接，最后经石墨银浆引出。这些微小的电容相互之间，有共同阴极和阳极，由此构成了整体的电容器。电容器的等效串联电阻ESR是由阳极电阻、介质损耗和阴极电阻所组成。而从对钽电容的分析来看，阳极电阻和介质损耗相对于阴极的电阻而言是可以忽略不计的。因此对于ESR最主要的来源是阴极材料的材料电导率。2.1成型与烧结成型是通过成型机(如图2-6所示)将若干细小的金属粉末制成大小、形状不同的钽阳极块。成型工艺首先要注意钽粉的选择和阳极基体的设计，钽粉杂质含量不仅直接影响电容器的漏电流、损耗角正切值、电容量和可靠性，还影响闪火电压的高低，制造电容器用的钽粉纯度应为99.92％~99.94％。此外对于钽粉比容的选择也很重要，一般对于高压产品选择比容较低的钽粉，而对于低压大容量的产品，一般采用比容较高的钽粉。阳极基体尺寸的设计应考虑下列因素：(1)钽粉的成型能力，粉粒的大小和配比情况；(2)现有的模具条件；(3)确定成型压力和压制密度。烧结的作用有两个，一是纯化压块，二是增加压块强度，并且成为具有合适孔隙的多孔体。烧结时，一方面，粉末的表面原子力图充当内部原子而使自己处于低能量的位置；另一方面，晶格的畸变和具有较高内应力的原子，也要求将自己的能量降低，恢复自己正常的位置。所以在烧结过程中，原子会释放出能量。而烧结温度和保温时间是确定烧结工艺的两个主要问题。烧结能够改变阳极块的孔体结构和含杂量。如果烧结温度低且时间短，则基体的收缩率小，烧结密度低，多孔率高，开口孔数也较多，因此阳极块的比容较大。但由于烧结温度低、时间短，阳极体的含杂量高，所以漏电流大，击穿电压低。因而对于高压、高工作温度及高可靠性的电容器，其阳极块就必须要求烧结温度和保温时间相应提高和延长一些。2.2赋能形成，也称赋能，是指利用赋能槽(如图2-7所示)在烧结钽块颗粒的表面上生长一层氧化钽薄膜的工艺。对于固体钽电容器，形成电解液选用0.01%~0.1%H3PO4的水溶液。此外，形成温度、形成电流密度和形成电压是形成工艺的三个基本参数。(1)形成温度。由于采用较高的温度形成时，可以得到较为致密均匀的氧化膜，形成一般在85±5℃下完成。(2)形成电流密度。氧化膜的生长速度，取决于阳极化时的电流密度。为了提高生产效率，就需要增加电流密度。但是电流密度过大，会使阳极反应产生的热量增加。促使晶化发生。低压形成，一般采用较大的电流密度，如15~30mA/g，形成速度快，氧化膜的质量也较好。(3)形成电压。形成电压直接决定了介质氧化膜的厚度，也即是电容器的设计容量。一般固体钽电解电容器的形成电压为额定电压的3.5~5倍。这样可以使得氧化膜有一个较高的承受电压，同时又避免接近形成液的闪火电压，使得形成过程良好的进行。2.3被膜工序被覆固体电解质的过程，工业上称为被膜，是指在被膜槽中(如图2-8所示)通过将形成之后的芯子浸入高锰酸钾溶液中，一段时间后，进行高温分解形成二氧化锰作为电解电容器的阴极的过程。被膜过程中应注意以下几个问题：(1)被覆的固体电解质应该结构致密、附着牢固稳定，具有良好的导电性且与氧化膜接触良好。(2)二氧化锰层是高温分解下生成的，所以高温使介质膜的损伤从而影响到漏电流和合格率是一个值得重视的问题。作为电容器电解质的二氧化锰层，具有多方面的性能。一定晶型和粒度的二氧化锰对于生成结构致密、牢固而又具有良好导电性能的膜层是必要的。由于二氧化锰也是电容器的阴极，它还必须与介质氧化膜有良好的接触。被覆MnO2电解质层以后，还要浸渍7~8％的胶体石墨溶液，在130~220℃下烘干20~30分钟，反复3~5次，即在二氧化锰层外得到与其接触良好的导电石墨层。最后，在石墨外被覆银浆层作阴极引出。2.4电解电容器的自愈作用电解电容器的自愈作用是指当电解电容器在形成氧化膜的过程中，由于材料的纯度和过程控制中引入了杂质，使得氧化膜具有微细的裂痕、缺陷、空洞等疵点。而这些疵点在外界施加电压时，导致疵点附近的局部温度剧烈升高，从而生成一些导电能力很差的氧化物，从而“阻塞”电流的现象。如图2-9所示，介质氧化膜Ta2O5中存在有裂痕、杂质等疵点。当外部施加电压时，电流首先集中在这些疵点附近流过。由于电流的作用，疵点附近局部温度将迅速上升，从而使得靠近疵点附近的MnO2发生反应生成Mn2O3。其电阻率为106Ω·cm，而MnO2的电阻率为102Ω·cm。由于生成了高电阻率的Mn2O3，所以阻止了电流在这些疵点经过。由以上的分析可以看出，电解电容器的自愈作用并不是指消除了疵点或者修复介质氧化膜，而是指通过在疵点附近生成新的氧化物利用新生成的氧化物高电阻率的作用“阻塞”了电流的通过。从而相当于提高了介质薄膜的绝缘性。虽然Ta2O5具有自愈作用，但是这个作用具有一定的作用范围。如图2-10所示，当介质氧化膜中的杂质缺陷较多时，其内部存在大量的裂痕、缺陷等疵点。当外面施加电压时，这些疵点附近就会出现大量电子流过，从而产生大量的热量。当产生的热量过高时，虽然有一部分的MnO2发生反应生成Mn2O3，但是另一方面高温使得原本是无定形态的Ta2O5转换为晶态，这个过程称为“晶化”。而晶化后的Ta2O5绝缘性变差，从而流过的电流将增大，接着产生的热量也要增大。如此循环，最终导致整个介质氧化膜被击穿，电容器失效。所以在电解电容器的自愈作用是有一定的作用范围。（一）操作方法最后•诚祝各位领导及同事••工作顺利！万事如意！谢谢！