最經典的電容剖析

摘要：

紫色爲TNCQ高檔電容

4.如果說 TCNQ 是電解電容革命的開始的話，那麼真正的革命的主角當屬 PPY （聚吡咯）以及 PEDT 這類固體聚合物導體。此外，使用電解液做陰極的電解電容，當介質被擊穿的後，只要擊穿電流不持續，那麼電容能夠自愈。

<div>一．電容概述電容就是兩塊導體中間夾着一塊絕緣體構成的電子元件，就像三明治一樣。電容是電子設備中最基礎也是最重要的元件之一。電容的產量佔全球電子元器件產品（其它的還有電阻、電感等）中的 40%以上。基本上所有的電子設備，小到閃盤、數碼相機，大到航天飛機、火箭中都可以見到它的身影。作爲一種最基本的電子元器件，電容對於電子設備來說就象食品對於人一樣不可缺少。小小一顆電容卻是一個國家工業技術能力的完全體現，尤其是高檔電容所代表的是本國精密加工、化工、、材料、基礎研究的水平（美國、日本是世界上電容設計研究能力最高的兩個國家）大家千萬別小看它，其高檔產品的設計製造要求甚至不亞於 CPU。同樣是這棵不起眼的電容，上到神五，下到 U 盤，可以說有電源的地方就有它。電容的用途非常多，主要有如下幾種：1．隔直流：作用是阻止直流通過而讓交流通過。2．旁路（去耦）：爲交流電路中某些並聯的元件提供低阻抗通路。3．耦合：作爲兩個電路之間的連接，允許交流信號通過並傳輸到下一級電路4．濾波：這個對 DIY 而言很重要，顯卡上的電容基本都是這個作用。5．溫度補償：針對其它元件對溫度的適應性不夠帶來的影響，而進行補償，改善電路的穩定性。6．計時：電容器與電阻器配合使用，確定電路的時間常數。7．調諧：對與頻率相關的電路進行系統調諧，比如手機、收音機、電視機。8．整流：在預定的時間開或者關半閉導體開關元件。9．儲能：儲存電能，用於必須要的時候釋放。例如相機閃光燈，加熱設備等等。（如今某些電容的儲能水平已經接近鋰電池的水準，一個電容儲存的電能可以供一個手機使用一天）二．電容分類剛纔我們說過，電容就是兩塊導體（陰極和陽極）中間夾着一塊絕緣體（介質）構成的電子元件。電容的種類首先要按照介質種類來分。這當中可分爲無機介質電容器、有機介質電容器和電解電容器三大類。不同介質的電容，在結構、成本、特性、用途方面都大不相同。無機介質電容器：包括大家熟悉的陶瓷電容以及雲母電容，在 CPU 上我們會經常看到陶瓷電容。陶瓷電容的綜合性能很好，可以應用 GHz 級別的超高頻器件上，比如 CPU/GPU。當然，它的價格也很貴。有機介質電容器：例如薄膜電容器，這類電容經常用在音箱上，其特性是比較精密、耐高溫高壓。雙電層電容器：這種電容的電容量特別大，可以達到幾百 f（f=法，電容量單位，1f=1000000μf ）。因此這種電容可以做 UPS 的電池用，作用是儲存電能。說句題外話，如果把地球算做一個孤立導體的話，那麼它的容量只有 700μf，還不如主板上用的一個鋁電容。電解電容器：由於主板、顯卡等產品使用的基本都是電解電容，因此這是我們要講的重點。大家熟悉的鋁電容，鉭電容其實都是電解電容。如果說電容是電子元器件中最重要和不可取代的元件的話，那麼電解電容器又在整個電容產業中佔據了半壁江山。我國電解電容年產量 300 億隻，且年平均增長率高達 30%，佔全球電解電容產量的 1/3 以上。大家別小看電解電容，它其實是一個國家的工業能力和技術水平的反映。世界上最先進的電解電容的設計和生產國是美國和日本，頂級的電解電容器的生產工藝要求非常高，別看我國電解電容產量這麼高，可是各項核心技術都掌握在其它國家手裏，我國也就能算來料加工的“世界工廠”而已，自主力量還很薄弱，並且生產的產品也都以低檔的爲主。三.什麼是電解電容電解電容器特點一：單位體積的電容量非常大，比其它種類的電容大幾十到數百倍。電解電容器特點二：額定的容量可以做到非常大，可以輕易做到幾萬μf 甚至幾 f （但不能和雙電層電容相比）。電解電容器特點三：價格比其它種類具有壓倒性優勢，因爲電解電容的組成材料都是普通的工業材料，比如鋁等等。製造電解電容的設備也都是普通的工業設備，可以大規模生產，成本相對比較低。電解電容的分類，傳統方法是按照陽極材質，比如說鋁或者鉭。<img src="http://p1.pstatp.com/large/184e00013a11726dd1e0" img_width="690" img_height="253" alt="最經典的電容剖析" inline="0">鋁電解電容1 ．鋁電解電容。不管是 SMT 貼片工藝的（上圖左，就是大家說的“貼片電容” ，識別方式是底坐有黑色橡膠），還是直插式的，或者有塑料表皮的（上圖右就是直插式有塑料表皮的，這個被很多人認爲是“電解電容”），只要它們的陽極材質是鋁，那麼他們就都叫做鋁電解電容。電容的封裝方式和電容的品質本身並無直接聯繫，電容的性能只取決於具體型號，這個我們後面會詳細說明。<img src="http://p1.pstatp.com/large/184f000485a6202fb6ce" img_width="686" img_height="250" alt="最經典的電容剖析" inline="0">鉭電解電容2．鉭電解電容。陽極由鉭構成，就是那種我們在顯卡上一見到就會驚呼“這個顯卡做工真不錯！ ”的那種黃色或黑色小顆粒。目前很多鉭電解電容都用貼片式安裝，其外殼一般由樹脂封裝（採用同樣封裝的也可能是鋁電解電容）。但是，鉭電容的陰極也是電解質，所以很不幸的，它也是大家十分瞧不起的“電解電容”的一種。以往傳統的看法是鉭電容性能比鋁電容好，因爲鉭電容的介質爲陽極氧化後生成的五氧化二鉭，它的介電能力（通常用ε表示）比鋁電容的三氧化二鋁介質要高。因此在同樣容量的情況下，鉭電容的體積能比鋁電容做得更小。（電解電容的電容量取決於介質的介電能力和體積，在容量一定的情況下，介電能力越高，體積就可以做得越小，反之，體積就需要做得越大）再加上鉭的性質比較穩定，所以通常認爲鉭電容性能比鋁電容好。但這種憑陽極判斷電容性能的方法已經過時了，目前決定電解電容性能的關鍵並不在於陽極，而在於電解質，也就是陰極。因爲不同的陰極和不同的陽極可以組合成不同種類的電解電容，其性能也大不相同。採用同一種陽極的電容由於電解質的不同，性能可以差距很大，總之陽極對於電容性能的影響遠遠小於陰極。電容的陰極材料介紹陰極材料是電容的另一個極板，陰極也就是電容的電解質。電容的陰極目前基本有如下幾種：1．電解液。電解液是最傳統的電解質，電解液是由 GAMMA 丁內酯有機溶劑加弱酸鹽電容質經過加熱得到的。我們所見到的普通意義上的鋁電解電容的陰極，都是這種電解液。使用電解液做陰極有不少好處。首先在於液體與介質的接觸面積較大，這樣對提升電容量有幫助。其次是使用電解液製造的電解電容，最高能耐 260 度的高溫，這樣就可以通過波峯焊，同時耐壓性也比較強。此外，使用電解液做陰極的電解電容，當介質被擊穿的後，只要擊穿電流不持續，那麼電容能夠自愈。但電解液也有其不足之處。首先是在高溫環境下容易揮發、滲漏，對壽命和穩定性影響很大，在高溫高壓下電解液還有可能瞬間汽化，體積增大引起爆炸（就是我們常說的爆漿）；其次是電解液所採用的離子導電法其導電率很低，只有 0.01S （電導率，歐姆的倒數）/CM ，這造成電容的 ESR 值（等效串聯電阻）特別高。傳統鋁電解液電容都有防爆槽，這是爲了讓壓力容易被釋放，不會發生更大的爆炸，但某些產品爲了節約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="最經典的電容剖析" inline="0"> 鋁電解電容爆漿2. 二氧化錳。二氧化錳是鉭電容所使用的陰極材料。二氧化錳是固體，傳導方式爲電子導電，導電率是電解液離子導電的十倍（0.1S/CM ），所以ESR 比電解液低。所以，傳統上大家覺得鉭電容比鋁電容好得多，同時固體電解質也沒有泄露的危險。此外二氧化錳的耐高溫特性也比較好，能耐的瞬間溫度在 500 度左右。二氧化錳的缺點在於在極性接反的情況下容易產生高溫，在高溫環境下釋放出氧氣，同時五氧化二鉭介質層發生晶質變化，變脆產生裂縫，氧氣沿着裂縫和鉭粉混合發生爆炸。 另外這種陰極材料的價格也比較貴。傳統上認爲鉭電容比鋁電容性能好，主要是由於鉭加上二氧化錳陰極助威後纔有明顯好於鋁電解液電容的表現。如果把鋁電解液電容的陰極更換爲二氧化錳，那麼它的性能其實也能提升不少。3．接下來我們就要引出一種革命性的陰極——TCNQ。TCNQ 是一種有機半導體，是一種絡合鹽。TCNQ 在電容方面的應用，是在 90 年代中後期纔出現的，它的出現代表着電解電容技術革命的開始。TCNQ 是一種有機半導體，因此使用 TCNQ 的電容也叫做有機半導體電容，例如早期的三洋 OSCON 產品。TCNQ 的出現，使電解電容的性能可以直接挑戰傳統陶瓷電容霸佔的很多領域，使電解電容的工作頻率由以前的 20KHZ 直接上升到了 1MHZ。TCNQ 的出現，使過去按照陽極劃分電解電容性能的方法也過時了。因爲即使是陽極爲鋁的鋁電解電容，如果使用了 TCNQ 作爲陰極材質的話，其性能照樣比傳統鉭電容（鉭+二氧化錳）好得多。TCNQ 的導電方式也是電子導電，其導電率爲 1S/CM ，是電解液的 100 倍，二氧化錳的 10 倍。使用 TCNQ 作爲陰極的有機半導體電容，其性能非常穩定，也比較廉價。不過它的熱阻性能不好，其熔解溫度只有 230 -240 攝氏度，所以有機半導體電容一般很少用 SMT 貼片工藝製造，因爲無法通過波峯焊工藝，所以我們看到的有機半導體電容基本都是插件式安裝的。TCNQ 還有一個不足之處就是對環境的污染。由於 TCNQ 是一種氰化物，在高溫時容易揮發出劇毒的氰氣，因此在生產和使用中會有限制。 <img src="http://p1.pstatp.com/large/18530004c127aa54aa41" img_width="816" img_height="618" alt="最經典的電容剖析" inline="0">紫色爲TNCQ高檔電容4.如果說 TCNQ 是電解電容革命的開始的話，那麼真正的革命的主角當屬 PPY （聚吡咯）以及 PEDT 這類固體聚合物導體。70 年代末人們發現，使用攙雜法可以獲得優良的導電聚合物材料，從而引發了一場聚合物導體的技術革命。1985 年，日本首次開發了聚吡咯膜，如果使用複合法的話，可以使其導電率達到銅和銀的水平，但它又不是金屬而相當於工程塑料，附着性比金屬好，同時價格也比銅和銀低很多，此外，在受力情況下，其導電率還會產生變化（其特性很像人的神經系統）。這無疑是電容研發者夢寐以求的陰極材質。2000 年，美國人因爲發明了大規模製造 PPY 聚吡咯膜的方法，而獲得了當年的諾貝爾化學獎，其重要性可見一斑。聚吡咯的用途非常廣泛，從隱形戰鬥機到人工手，以及顯示器和電池、電容等等。聚吡咯的研發實力，可以反映出一個國家的化學水平，而我國的西安交通大學和成都電子科技大學在這方面比較突出。使用 PPY 聚吡咯和 PEDT 做爲陰極材料的電容，叫做固體聚合物導體電容。其電導率可以達到 100S/CM ，這是 TCNQ 鹽的 100 倍，是電解液的 10000 倍，同時也沒有污染。固體聚合物導體電容的溫度特性也比較好，可以忍耐 300 度以上的高溫，因此可以使用 SMT貼片工藝安裝，也適合大規模生產。固體聚合物導體電容的安全性較好，當遇到高溫的時候，電解質只是熔化而不會產生爆炸，因此它不像普通鋁電解液電容那樣開有防爆槽（三洋有一種 CVEX 電容，陰極爲固體聚合物導體加電解液的混合型，因此也有防爆槽）。固體聚合物導體電容的缺陷在於其價格相對偏高，同時耐電壓性能不強。 <img src="http://p9.pstatp.com/large/18530004c2631136e21b" img_width="819" img_height="612" alt="最經典的電容剖析" inline="0">固體聚合物+電解液總結： <img src="http://p1.pstatp.com/large/184e00016a4467e3272f" img_width="1158" img_height="647" alt="最經典的電容剖析" inline="0">陰極材料總結</div>