电容详解

钽电解电容工艺结构
细小的钽粉颗粒烧结成多孔、树状的芯块结构， 极大的增大了表面积。Ta阳极表面生成的不定形 态氧化膜Ta2O5作为电介质，其厚度极薄，另 外，用银等金属直接作为阴极会降低电介质 Ta2O5的性能，所以采用活性较低的无机半导体 MnO2作为钽电容真正的阴极，最后才通过石 墨、银等引出阴极
电容基本原理
是一种储能元件，在电路中用于调谐、滤波、耦合、旁 路、能量转换和延时。
Q=CV C= ε0·ε·S/d
电容分类
分为两大类：化学电容器、非化学电容器 按结构可分为：固定电容、可变电容、微调电容 按介质材料可分为：陶瓷电容器、纸介电容、薄 膜电容器、云母电容 、电解电容器等 按极性分为：有极性电容和无极性电容 按电解质分：有机介质电容器、无机介质电容 器、电解电容器和空气介质电容器等 按用途分有：旁路、滤波、调谐、耦合电容器
铝电解电容寿命曲线
铝电解电容特性
容量大、电压范围宽 损耗大，温度和频率稳定性差 且有正负极性 低温性能不好，ESR较大 容易干枯造成寿命有限 难以片状化，插装引脚积累灰尘带静电并造成短路 ……
铝电解电容应用要点
适用于低频电路电源滤波或者储能作用，不适合于中高频场 合 在如承受大电流冲击的低阻抗回路中，使用铝电容可以在性 能上满足要求，而且成本和可靠性优于其它电容 关注高温下时的纹波电流不要超出使用规格，特别是小电容/ 小体积的铝电容； 避开高温区域，或者选用高温规格 低温应用环境需充分考虑容量降额 正负极不能接反 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
铝电解电容ESR
通用铝电解电容的ESR范围为10毫欧～10欧。 ESR由下面3部分组成 氧化膜介质损耗所代表的等效串联电阻（R介 ） 电解质所代表的等效电阻（R解） 极板间的欧姆电阻（R金） 一般ESR与容值和额定电压成反比 ESR值在低频段时随着频率的增加而减小，最终趋 于稳定 ESR随温度的变化而变化，一般从常温到高温极 限，ESR下降40％左右，而从常温到低温极限， ESR会增大几十倍
陶瓷电容简介
多层陶瓷结构通过高温烧结而成 陶瓷电容已经成为主流，尤其SMT类型 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，现在陶瓷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
陶瓷电容工艺结构
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 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（防止外电极和外部Sn反 应），再在Ni层上制备Sn或SnPb层用以焊接
钽电解电容微观结构
钽电解电容等效模型
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ESL较小，等效模型参数还是按照C、ESR和 ESL来介绍
钽电解电容电容量
钽电容是目前大量供应电容中比容最大的品种 限于固体烧结型工艺结构和材料，其CV值做不大 容量一般从0.1uF～1000uF，工作电压从2V～ 50V，典型的最大CV为22uF/50V或33uF/35V 处于边缘规格参数的电容，其可靠性相对要差，这 些因素限制了钽电容在高压大容量上的应用。 容量的值随着频率的增大而减小 由于固体MnO2电解质，所以其容量温度特性较稳 定，甚至低温至-200℃，其容量才减小不过10％， 在滤波应用中，温度对钽电容的性能影响可以忽略
钽电解电容ESR vs F&T
钽电解电容ESL
ESL与电容的封装尺寸及引 线等有关，因此对此贴片固 源自文库钽电容，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，主要受封装尺 寸的影响。 右表为贴片固体钽电容和贴 片陶瓷电容的ESL对比
铝电解电容tgδ
tgδ即为电容器的损耗因子DF，定义为 DF＝ωC*ESR。 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tgδ，有时用阻抗和ESR。
铝电解电容tgδ vs F
铝电解电容Leakage Current
铝电解电容频率特性
低频阻抗由电容决定 数十千赫兹到数百千赫兹之间，由ESR决定 兆赫以上，阻抗由ESL决定
钽电解电容应用要点
温度特性和频率特性较好 降额充分 电压超过12V的应用电路不要选用MnO2电解质钽电 容 不能应用于dv/dt、di/dt变化过大的场合 钽电容早期失效率高，特别是大容量和高压规格， 表现为首次上电失效高；长期可靠性很高，越用越 可靠
钽电解电容失效
氧化膜存在缺陷，部分恶化，引起介质的漏电流异 常，最后导致介质短路（自愈 ）——电流型 使用不当或者杂质或其他缺陷（场强较高，电流密 度较大，局部高温点）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——电 压型 由于产品太大导致热不平衡，热量累积以致热破 坏，但随着高频化，趋肤效应，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——发热型
陶瓷电容C vs T&F
陶瓷电容ESR
片式多层元器件ESR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； ESR随着容量的增加 随着频率增加，介质层电阻减小，接触面所呈现的 小电容在高频下，更是减小了ESR，到了一定高频 后，电极层的趋肤效应出现，ESR开始增大。在器 件在或接近自谐振时，其ESR达到最小值 ESR与温度呈反比例关系，但比例系数与介质有 关，X7R为5；NPO为1.5 ESR与尺寸的关系，越短越宽，则内电极自身电阻 越小，而且越宽接触面积越大，则相应接触电阻也 会减小。
铝电解电容简介
高纯铝箔经电化学扩面刻蚀和阳极氧化形成电介质 (Al2O3/0.01~1μm )，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，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
铝电解电容工艺结构
铝电容由一个阳极箔，浸透电解质的分隔纸和阴 极箔层叠卷成，为了增大接触面积，在铝箔表面 用腐蚀方法刻蚀了许多微小的条状沟道 实际上容量是由阳极箔与电解质之间决定的，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体电 解质，而阴极箔仅仅是起到连接电解质和端头引 线的作用
铝电解电容海拔问题
海拔高，气压低，温度低 终究需要关心温度带来的容量降低和损耗增大 不用担心气压问题，10,000m以下
铝电解电容寿命计算
寿命估算(Life Expectancy)：在最高工作温度下， 可持续动作的时间。 Lx=Lo*2(To-Ta)/10 Lx=实际工作寿命 Lo=保证寿命 To=最高工作温度(85℃or105℃) Ta= 电容器实际工作周围温度 Example： 规范值105℃/1000Hrs 65℃寿命推估：Lx=1000*2(105-65)/10 实际工作寿命：16000Hrs
铝电解电容ESR vs F
铝电解电容ESL
铝电解电容的寄生串联电感值ESL，较为稳定，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，其值为2nH～8nH； 径向插装为10nH～30nH； 铝电解电容的ESL由三部分组成 芯子电感 引出线电感 金属外壳的电感（外壳与芯子连接的情况下） 当铝电解电容用于脉冲高频电路时，这是就要考虑 ESL的影响：
陶瓷电容ESL
陶瓷电容为SMT器件，具有比较小的ESL，但由于 内部引线结构，其ESL很小，可用近似公式 ESL=394.727*1.052L*1.317L/W 比如1206封装，则L＝12mm，W＝6mm。ESL虽 然与容量有关，但相对而言，这个变化很小，基本 可以认为不变 注：电容的相关寄生参数可以从厂家手册直接获 得，也可以通过测试获得，目前还可以通过相关软 件直接求得，比容Kemet、AVX等厂家的软件，非 常方便。
钽电解电容C vs T&F
钽电解电容ESR
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。下 图是22uF/25V电容ESR与频率的关系曲线。
铝电解电容微观结构
铝电解电容制程
铝电解电容等效模型
电容等效模型电路参数：考虑寄生参数和材料自身 因素，实际电容器为RCL串联电路
C：等效电容量； D：过压（额定电压）和反压 （单向导电）特性； Rp：等效并联阻抗（绝缘电 阻）； Rs：等效串联阻抗； Ls：等效串联电感。
铝电解电容电容量
业界可做到0.1uF～3F，工作电压5V～500V。 温度系数为正，通常，从常温到高温极限，容量增 加不超过10％，对于低温-40℃极限电容，-40℃ 时，低压容量会下降20％，高压电容会下降40％之 多，在-20℃～40℃温度区间，容量下降最快。
陶瓷电容应用
使用较小封装的陶瓷电容 选择合适的介质，优选NP0、X7R介质 可在高频滤波场合广泛应用，一般其应用频率为 1MHz到1GHz，高于GHz的滤波可通过PCB板间 电容来实现的 注意布板以避免受机械应力影响
陶瓷电容失效
陶瓷粉料污染，烧结过程控制不当导致空洞产生，发生漏 电局部发热 生产过程烧结或冷却控制不当造成端电极等部位裂纹，沿 垂直方向扩展，与空洞相仿 陶瓷电容高温烧结过程中内部污染物挥发，烧结工艺控制 不当可能导致分层的发生 由于器件在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击或不当返修 导致温度冲击裂纹 虽能够承受较大压应力，但抵抗弯曲能力比较差。贴片对 中、电路板操作、流转、元器件插入、电路测试、单板分 割、电路板安装、电路板定位铆接、螺丝安装等造成机械 应力裂纹
陶瓷电容微观结构
陶瓷电容等效模型
瓷片电容的等效模型与铝电容和钽电容类似，下 图为其等效电路模型和阻抗频率曲线。陶瓷电容 的阻抗特性呈现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
陶瓷电容容量与介质
陶瓷电容根据其采用的介质和温度表现可分为三种 类型 NPO或COG：电性能稳定，基本上不随温度、电压 和时间改变 X7R：电性能较为稳定，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 Z5U：稳定性很差，电介常数较高，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，当温度从－25℃到85℃变化时，容量变 化为＋20％到－65％。
铝电解电容失效
反接、纹波电流过大、过压击穿等造成过热爆裂
钽电解电容简介
固体钽电容是将钽粉压制成型后，经高温真空烧结 成多孔的坚实芯块（圆柱形状），经过阳极处理在 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，最后用树脂包封成型 性能优越，可实现较大容量而体积较小，易于加工 为小型和片状元件，因此得到广泛应用
新型电容
聚合物固体片式铝电解电容器 Polymer钽电容
Case Size 0603 0805 1206 1210 Tantalum R A B C 1600 2200 2250 2800 Inductance(ph) 850 1050 1250 1020 Ceramics
钽电解电容特性
钽电容由于结构问题，比较容易在上下电大电流冲 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，这些都要 注意。