无源滤波元器件-电容知识介绍要点.docx

无源滤波元器件-电容的介绍和深入认识 无源滤波元器件-电容的介绍和深入认识 无源滤波元器件-电容的介绍和深入认识 关键词：锂电容、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、铝电容和陶瓷电容）， 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 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 /贴片固体锂电解电 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， 如插装锂电解电容等，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；锂电容指常规贴片固体能 电解电容；陶瓷电容指叠层陶瓷片状电容（MLCC）。 I 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 -10,0m）,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，铝电容比锂电容要可靠。 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《贴片铝电容替代锂电容可行性分析 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，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： U- Slee\'e 套筒 ।- Can铝外壳 Element 芯子 Lead Wire 引线 铝型引出片 Aluminum Tab Rubber Seal 橡胶塞 引统 Lead Wire 铝垫引出片 Ajuminum Tab 分隔纸/电解质 Separalcr Paper/ Electrolyt Qalhode Foil 阴极箔 Anode Foil 阳极箔 图1-1：铝电容的典型结构图 F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吾，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 (AI2O3),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 体能电容为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450X 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。 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，铝垫引出片钟接到两个电极箔上，以方 便后面引出到电容的端极。最好的钟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,较古老的钟接方法是 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，而旧的钟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。 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： 阁 Effect of ESL II ' ^口一 Equivalent EgR Equivalent series inductance series resistance _ _ \_ ESR - * Ideal c 图1-2:电容等效电路图及铝电解电容典型阻抗幅度特性 i 对于铝电容的阻抗频率幅度曲线，在低频由 5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，由切，L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。因止匕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、ESM口 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（Z = %C）,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 f = 1 点；谐振频率点f 2m记，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）至U2.5MHz （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。 电容量随着温度变化而变化：通常，从 25c到高温极限，容量增加不 超过10%;对于—40C极限的电容，在—40c时，低压电容的容量会下降 20%,高压电容则下降有40%之多；在—20c到—40C温度区间时，容量 下降最快；对于—55c极限的电容，在—40c时，下降通常不超过10%; 在—55C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 ESF® 通用铝电解电容，具ESR值一般在几十毫欧〜2.5欧（100kHz/25C）。 从业界资料上了解到通用铝电解电容的 ESR范围在10mrQ〜10Q。对于Low ESR铝电解电容，其ESR值在手册中有给出，一般几十mQ （100kHz/20 C）。 下面分析一下铝电容内部结构参数及与 ESR的关系，ESR直由三个部分 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（「金） ESR= r介+r解+ r金=署,这里的均。即电容器的损耗角正切值或损耗 因子（Dissipation Factor）DF,定义为DF=项C ESR o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 均设 有时则用阻抗和 ESR, 一般来说，厂家喜欢用tg6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，隆是可以忽略掉的（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tgb介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 以=虾介+ C C ,「解。 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， 「解= ''限奈，'—衬垫材料的渗透系数，与其多孔性结构有关； 「—电解液的 电阻率（建可）；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cm2） ； A乘以2是因为箔的两面均起作用。减小P 可以减小r解，但不能过分追求减小P,因为P太小会带来可靠性问题；而且 P随温度增加而减小，在高温下如85c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 量级范围内的电容其ES裤别是不大的（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（Q/inch）,铝箔越长（即 直径越大），ESR越大；铝箔越宽（即电容越高），ESR四小。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 ；-D H 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 6DMH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 C到高温极限，ESR会下降大约 35%〜50%;而从25c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。 ESR as a Function of Temperature and Frequency in IsrTv PC] 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°随温度变化）；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ESRB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、刺钟引出条的位置和钟接质量，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 焦6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 ESLg 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，具值在 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 L=2'l，。借-1）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。PC碇线（两层板） 的电感可以用Lp="」，W , uo= 4n 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： 1 一般认为，当频率局于电容的自身谐振频率点时（f 2田飞），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/.ES竦共同决定，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，ESRM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勺影响。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， 焦占增大，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， ESH,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75c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5C;环境温度在45c〜55C,此外仍需注意高温及 纹波电流过大或ESRi大造成内部芯子温升的情况）。 由于铝电容ESM口ESL者B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。止匕外，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 1 铝电容的阻抗频率幅度曲线，在低频由炉确定，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，由色上确定，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。 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。 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75c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 锂电解电容 锂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。但锂电容由于构造 问题，比较容易在上电大电流冲击下失效；另外，对于边缘规格的锂电容, 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：第一小节简单介绍锂电解电容的结构 和生产加工工艺流程；第二小节为锂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；第三小节为介绍锂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铝粉烧结型的固体锂电容，这 里则主要是介绍烧结型里面的贴片锂电容。 2.1 锂电解电容的结构和主要加工环节 固体锂电容是通过将铝粉压制成型后，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锂电 容。以下图2-1是一贴片固体锂电容的内部结构示意图： 聚四氟乙烯 P I EE w asher porous la anode pellet . LantaJuni pcnloxidc or primer 环氧树脂冷灌 epoxv molding 粗金属姓 \ taniaLum wire 锲铁合金一钥焊接\ Alloy 42（NiFc） Ta^ welding 、、、 tin cr gold pliUid lermiiuil、 极性标识 polanty mark 端电极（锡或金） MnOj ：；mEi3ncsc dioxide iiniphir.c 石墨层 silver paint 银涂层 / 同］6 银粘合 adhesive \ tin or gold plated terminal 端电极（锡或金） 固体烧结阳板块 〔多孔钥颗粒） 第48页，共46页 O 正极Anode o Cathode 负极 图2-1锂电容内部结构示意图 下面简单介绍一下贴片固体锂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—铝粉的选取： 目前，贴片固体锂电容的阳极基体一般采用铝粉烧结而成，因此锂粉 的的质量如何，将会直接影响锂电容的性能。一般需要关注铝粉的粒形、 大小、配比、比表面积、比容、松装密度及纯度。采用高纯度的铝粉可用 于制造工作电压高（如采用C系、D系或SHR型A系高纯铝粉）的锂电容或 者可靠性高的锂电容，因为锂电容氧化膜质量的好坏，主要取决于铝粉杂 质的多少，当锂中含有杂质时，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，致使锂电容寿命下降。采用高比容的能 粉，则减少了铝粉的用量，减小了体积，降低成本。铝粉颗粒越大，额定 电压越高；铝粉颗粒越小，铝粉烧结后的海绵状表面积越大，电容容量越 大。（铝粉颗粒的典型尺寸10um,为增大表面积选有珊瑚虫形状）；铝粉 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）。锂 粉的选择需要在电容量、额定电压及ESR±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。 high voltage lu* capaeitance low voltage high capacilance 图2-2:不同情况下铝粉的形态 b） 成型烧结： 在铝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150c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，否则能粉表面活性下降易开裂，一般烧结温度为 1500- 2000C,真空度不低于1.3 X0-2Pa。烧结使各孤立的铝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铝金属丝，以免在后序加工流程中与 MnO2短路。真 空环境有助于铝粉的提纯，使杂质挥发掉。 c） 氧化膜形成： 与铝电容类似，能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，使能表面生成 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锂电容额定电压的高低；它抑制晶化能力的强 弱也是影响锂电容可靠与否的一个重要因素。相对铝电容的形成工艺，能 氧化膜形成工艺控制要更为严格，因为，铝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 锂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锂电容的漏电流和 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85i5C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。 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 270c要低，为210c〜250C。同时生成的 MnO2电阻率比干式得到的要低一个数量级，只有 0.42Qcm,干式为7.5Q cm。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。因为铝块和表面 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，能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、ESRffi ESL三项参数来分析： 2.2.1 电容量： 锂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（33pF/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，具相对可靠性要 差很多。这些因素都限制了锂电容在高压大容量上的应用。 -80 -46 .20 0 +2C +40 +60 +»0 +100 +120 Opw atin3 Tejuperature--C 止匕外，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, 所以一具容量温度特性较稳定，甚至低温至 -200 C时，其容量才减小不过 10%。在滤波应用时，温度对锂电容的性能影响可以忽略。 +1OV, 图2-3:锂电容容量vs温度 2.2.2 ESF® 从上一小节的工艺结构和加工环节介绍，可以看到，能电容的 ESRm tg - 成与铝电容类似，同样可分为：ESR= r介+r解+r金=J ,对于漏电流电阻 「l ,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=tgS=8 C，ESR=tg6介Cj解（磔介是 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解与隆的影响。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： 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125C,其值会有2%的增加。tg6介 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: ；ntfimal mangane&ddioxide external . 人 _ coats f 、 —o-I I T T T T T T । i i i i i i i i__o + outsnriost tantalum axida imvniQst cap9ciUrvs capacitance 图2-6:锂电容的模型 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 p （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，怖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 85C,会减小大约一半；而温度 降到-55C,则为原来的2倍。由于与tgl5的变化相反，所以一定程度上抵消 了变化幅度，总的来说，能电容的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: 1Q0 Ik lOc 100k Frequency. Hz efCJuclclEd a N 工口口 L 石a)6nILeci」4d 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锂电容ESR的变化图： ia ioa 、 ， rn + nT , L L ] 山 W " 1k 10k 100k IM Fr^quwf iuy, Hi 图2-8: ESR vs 频率 贴片固体能电容的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85c变换为常温25C）,另外，通过DF值也可以 算得在100Hz下的ESR值是多少。 2.2.3 ESLg ESL于电容的封装尺寸及引线等有关，因此对于贴片固体锂电容，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 锂电容各规格尺寸与贴片陶瓷电