最经典的电容剖析

摘要：

紫色为TNCQ高档电容

4.如果说 TCNQ 是电解电容革命的开始的话，那么真正的革命的主角当属 PPY （聚吡咯）以及 PEDT 这类固体聚合物导体。此外，使用电解液做阴极的电解电容，当介质被击穿的后，只要击穿电流不持续，那么电容能够自愈。

<div>一．电容概述电容就是两块导体中间夹着一块绝缘体构成的电子元件，就像三明治一样。电容是电子设备中最基础也是最重要的元件之一。电容的产量占全球电子元器件产品（其它的还有电阻、电感等）中的 40%以上。基本上所有的电子设备，小到闪盘、数码相机，大到航天飞机、火箭中都可以见到它的身影。作为一种最基本的电子元器件，电容对于电子设备来说就象食品对于人一样不可缺少。小小一颗电容却是一个国家工业技术能力的完全体现，尤其是高档电容所代表的是本国精密加工、化工、、材料、基础研究的水平（美国、日本是世界上电容设计研究能力最高的两个国家）大家千万别小看它，其高档产品的设计制造要求甚至不亚于 CPU。同样是这棵不起眼的电容，上到神五，下到 U 盘，可以说有电源的地方就有它。电容的用途非常多，主要有如下几种：1．隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。2．旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。3．耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路4．滤波：这个对 DIY 而言很重要，显卡上的电容基本都是这个作用。5．温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。6．计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。7．调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。8．整流：在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。9．储能：储存电能，用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯，加热设备等等。（如今某些电容的储能水平已经接近锂电池的水准，一个电容储存的电能可以供一个手机使用一天）二．电容分类刚才我们说过，电容就是两块导体（阴极和阳极）中间夹着一块绝缘体（介质）构成的电子元件。电容的种类首先要按照介质种类来分。这当中可分为无机介质电容器、有机介质电容器和电解电容器三大类。不同介质的电容，在结构、成本、特性、用途方面都大不相同。无机介质电容器：包括大家熟悉的陶瓷电容以及云母电容，在 CPU 上我们会经常看到陶瓷电容。陶瓷电容的综合性能很好，可以应用 GHz 级别的超高频器件上，比如 CPU/GPU。当然，它的价格也很贵。有机介质电容器：例如薄膜电容器，这类电容经常用在音箱上，其特性是比较精密、耐高温高压。双电层电容器：这种电容的电容量特别大，可以达到几百 f（f=法，电容量单位，1f=1000000μf ）。因此这种电容可以做 UPS 的电池用，作用是储存电能。说句题外话，如果把地球算做一个孤立导体的话，那么它的容量只有 700μf，还不如主板上用的一个铝电容。电解电容器：由于主板、显卡等产品使用的基本都是电解电容，因此这是我们要讲的重点。大家熟悉的铝电容，钽电容其实都是电解电容。如果说电容是电子元器件中最重要和不可取代的元件的话，那么电解电容器又在整个电容产业中占据了半壁江山。我国电解电容年产量 300 亿只，且年平均增长率高达 30%，占全球电解电容产量的 1/3 以上。大家别小看电解电容，它其实是一个国家的工业能力和技术水平的反映。世界上最先进的电解电容的设计和生产国是美国和日本，顶级的电解电容器的生产工艺要求非常高，别看我国电解电容产量这么高，可是各项核心技术都掌握在其它国家手里，我国也就能算来料加工的“世界工厂”而已，自主力量还很薄弱，并且生产的产品也都以低档的为主。三.什么是电解电容电解电容器特点一：单位体积的电容量非常大，比其它种类的电容大几十到数百倍。电解电容器特点二：额定的容量可以做到非常大，可以轻易做到几万μf 甚至几 f （但不能和双电层电容相比）。电解电容器特点三：价格比其它种类具有压倒性优势，因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料，比如铝等等。制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以大规模生产，成本相对比较低。电解电容的分类，传统方法是按照阳极材质，比如说铝或者钽。<img src="http://p1.pstatp.com/large/184e00013a11726dd1e0" img_width="690" img_height="253" alt="最经典的电容剖析" inline="0">铝电解电容1 ．铝电解电容。不管是 SMT 贴片工艺的（上图左，就是大家说的“贴片电容” ，识别方式是底坐有黑色橡胶），还是直插式的，或者有塑料表皮的（上图右就是直插式有塑料表皮的，这个被很多人认为是“电解电容”），只要它们的阳极材质是铝，那么他们就都叫做铝电解电容。电容的封装方式和电容的品质本身并无直接联系，电容的性能只取决于具体型号，这个我们后面会详细说明。<img src="http://p1.pstatp.com/large/184f000485a6202fb6ce" img_width="686" img_height="250" alt="最经典的电容剖析" inline="0">钽电解电容2．钽电解电容。阳极由钽构成，就是那种我们在显卡上一见到就会惊呼“这个显卡做工真不错！ ”的那种黄色或黑色小颗粒。目前很多钽电解电容都用贴片式安装，其外壳一般由树脂封装（采用同样封装的也可能是铝电解电容）。但是，钽电容的阴极也是电解质，所以很不幸的，它也是大家十分瞧不起的“电解电容”的一种。以往传统的看法是钽电容性能比铝电容好，因为钽电容的介质为阳极氧化后生成的五氧化二钽，它的介电能力（通常用ε表示）比铝电容的三氧化二铝介质要高。因此在同样容量的情况下，钽电容的体积能比铝电容做得更小。（电解电容的电容量取决于介质的介电能力和体积，在容量一定的情况下，介电能力越高，体积就可以做得越小，反之，体积就需要做得越大）再加上钽的性质比较稳定，所以通常认为钽电容性能比铝电容好。但这种凭阳极判断电容性能的方法已经过时了，目前决定电解电容性能的关键并不在于阳极，而在于电解质，也就是阴极。因为不同的阴极和不同的阳极可以组合成不同种类的电解电容，其性能也大不相同。采用同一种阳极的电容由于电解质的不同，性能可以差距很大，总之阳极对于电容性能的影响远远小于阴极。电容的阴极材料介绍阴极材料是电容的另一个极板，阴极也就是电容的电解质。电容的阴极目前基本有如下几种：1．电解液。电解液是最传统的电解质，电解液是由 GAMMA 丁内酯有机溶剂加弱酸盐电容质经过加热得到的。我们所见到的普通意义上的铝电解电容的阴极，都是这种电解液。使用电解液做阴极有不少好处。首先在于液体与介质的接触面积较大，这样对提升电容量有帮助。其次是使用电解液制造的电解电容，最高能耐 260 度的高温，这样就可以通过波峰焊，同时耐压性也比较强。此外，使用电解液做阴极的电解电容，当介质被击穿的后，只要击穿电流不持续，那么电容能够自愈。但电解液也有其不足之处。首先是在高温环境下容易挥发、渗漏，对寿命和稳定性影响很大，在高温高压下电解液还有可能瞬间汽化，体积增大引起爆炸（就是我们常说的爆浆）；其次是电解液所采用的离子导电法其导电率很低，只有 0.01S （电导率，欧姆的倒数）/CM ，这造成电容的 ESR 值（等效串联电阻）特别高。传统铝电解液电容都有防爆槽，这是为了让压力容易被释放，不会发生更大的爆炸，但某些产品为了节约成本省去了防爆槽的工序。<img src="http://p1.pstatp.com/large/1856000167c29ba2bd48" img_width="820" img_height="608" alt="最经典的电容剖析" inline="0"> 铝电解电容爆浆2. 二氧化锰。二氧化锰是钽电容所使用的阴极材料。二氧化锰是固体，传导方式为电子导电，导电率是电解液离子导电的十倍（0.1S/CM ），所以ESR 比电解液低。所以，传统上大家觉得钽电容比铝电容好得多，同时固体电解质也没有泄露的危险。此外二氧化锰的耐高温特性也比较好，能耐的瞬间温度在 500 度左右。二氧化锰的缺点在于在极性接反的情况下容易产生高温，在高温环境下释放出氧气，同时五氧化二钽介质层发生晶质变化，变脆产生裂缝，氧气沿着裂缝和钽粉混合发生爆炸。 另外这种阴极材料的价格也比较贵。传统上认为钽电容比铝电容性能好，主要是由于钽加上二氧化锰阴极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。如果把铝电解液电容的阴极更换为二氧化锰，那么它的性能其实也能提升不少。3．接下来我们就要引出一种革命性的阴极——TCNQ。TCNQ 是一种有机半导体，是一种络合盐。TCNQ 在电容方面的应用，是在 90 年代中后期才出现的，它的出现代表着电解电容技术革命的开始。TCNQ 是一种有机半导体，因此使用 TCNQ 的电容也叫做有机半导体电容，例如早期的三洋 OSCON 产品。TCNQ 的出现，使电解电容的性能可以直接挑战传统陶瓷电容霸占的很多领域，使电解电容的工作频率由以前的 20KHZ 直接上升到了 1MHZ。TCNQ 的出现，使过去按照阳极划分电解电容性能的方法也过时了。因为即使是阳极为铝的铝电解电容，如果使用了 TCNQ 作为阴极材质的话，其性能照样比传统钽电容（钽+二氧化锰）好得多。TCNQ 的导电方式也是电子导电，其导电率为 1S/CM ，是电解液的 100 倍，二氧化锰的 10 倍。使用 TCNQ 作为阴极的有机半导体电容，其性能非常稳定，也比较廉价。不过它的热阻性能不好，其熔解温度只有 230 -240 摄氏度，所以有机半导体电容一般很少用 SMT 贴片工艺制造，因为无法通过波峰焊工艺，所以我们看到的有机半导体电容基本都是插件式安装的。TCNQ 还有一个不足之处就是对环境的污染。由于 TCNQ 是一种氰化物，在高温时容易挥发出剧毒的氰气，因此在生产和使用中会有限制。 <img src="http://p1.pstatp.com/large/18530004c127aa54aa41" img_width="816" img_height="618" alt="最经典的电容剖析" inline="0">紫色为TNCQ高档电容4.如果说 TCNQ 是电解电容革命的开始的话，那么真正的革命的主角当属 PPY （聚吡咯）以及 PEDT 这类固体聚合物导体。70 年代末人们发现，使用搀杂法可以获得优良的导电聚合物材料，从而引发了一场聚合物导体的技术革命。1985 年，日本首次开发了聚吡咯膜，如果使用复合法的话，可以使其导电率达到铜和银的水平，但它又不是金属而相当于工程塑料，附着性比金属好，同时价格也比铜和银低很多，此外，在受力情况下，其导电率还会产生变化（其特性很像人的神经系统）。这无疑是电容研发者梦寐以求的阴极材质。2000 年，美国人因为发明了大规模制造 PPY 聚吡咯膜的方法，而获得了当年的诺贝尔化学奖，其重要性可见一斑。聚吡咯的用途非常广泛，从隐形战斗机到人工手，以及显示器和电池、电容等等。聚吡咯的研发实力，可以反映出一个国家的化学水平，而我国的西安交通大学和成都电子科技大学在这方面比较突出。使用 PPY 聚吡咯和 PEDT 做为阴极材料的电容，叫做固体聚合物导体电容。其电导率可以达到 100S/CM ，这是 TCNQ 盐的 100 倍，是电解液的 10000 倍，同时也没有污染。固体聚合物导体电容的温度特性也比较好，可以忍耐 300 度以上的高温，因此可以使用 SMT贴片工艺安装，也适合大规模生产。固体聚合物导体电容的安全性较好，当遇到高温的时候，电解质只是熔化而不会产生爆炸，因此它不像普通铝电解液电容那样开有防爆槽（三洋有一种 CVEX 电容，阴极为固体聚合物导体加电解液的混合型，因此也有防爆槽）。固体聚合物导体电容的缺陷在于其价格相对偏高，同时耐电压性能不强。 <img src="http://p9.pstatp.com/large/18530004c2631136e21b" img_width="819" img_height="612" alt="最经典的电容剖析" inline="0">固体聚合物+电解液总结： <img src="http://p1.pstatp.com/large/184e00016a4467e3272f" img_width="1158" img_height="647" alt="最经典的电容剖析" inline="0">阴极材料总结</div>