史上最全固态电容工艺性能介绍

1、导电聚合物固体电解质导电聚合物固体电解质 铝电解电容器铝电解电容器 深圳振华富电子有限公司 谈 斌 2010 振华富电子振华富电子 目录 1、铝电解电容器简介 2、铝电解电容器的发展 3、固体电解质铝电解电容器结构及工艺 4、固体电解质铝电解电容器优异特性 5、固体电解质铝电解电容器的典型应用 6、“振华富”产品系列及行业状况 振华富电子振华富电子 1、铝电解电容器简介 1）什么是电容器？ 储存电荷的容器，由二块极板中间间隔介质层组成，三大 无源器件之一（电容、电感、电阻），在电子设备中大量 使用。 振华富电子振华富电子 1、铝电解电容器简介 2）电容器的作用？ 隔直流阻交流，电路中主要用作

2、1、滤波、旁路 2、储能： 3、耦合： 4、调谐等 振华富电子振华富电子 1、铝电解电容器简介 3）电容器的分类（按介质材料分）？ 振华富电子振华富电子 1、铝电解电容器简介 4）什么是电解电容？ 电解电容是指在铝、钽、铌、钛等阀金属表面采用阳极氧化法 生成一层氧化物做为介质层，以电解质作为阴极而构成的电容 器。以液体铝电容器为列说明，如图： 振华富电子振华富电子 1、铝电解电容器简介 电解电容器分类电解电容器分类 按阀门金属种类分：按阀门金属种类分： 铝电解电容器铝电解电容器；钽电解电容器或铌电解电 容器。 按电解质状态分：按电解质状态分： 液态电解电容器和固体电解质电容器。 按阳极呈现的状

3、态分：按阳极呈现的状态分：箔式卷绕型电解电容器；烧结型电解电 容器。 按正负极引出方式分：按正负极引出方式分：引线型；牛角型；焊片型；螺栓型；表 面贴状型（V-CHIP）。 按特性分：按特性分： 通用型；宽温型；长寿命型；无极性型；低漏 电流型；低阻抗型(LOW ESR);高频特低阻抗型;耐高纹波型。 振华富电子振华富电子 1、铝电解电容器简介 现在市面上可见的电解电容器主要以铝、钽电解电容 为主。因电解电容单位容量大，额定容量可以做到非常大 （几千微法甚至几法拉），占据电容器市场的半壁江山。 其中铝电解电容器因价格便宜、性能优异，又占据了电解 电容市场的80%以上,在大容量的应用领域具有其独

4、特的优 势。 振华富电子振华富电子 1、铝电解电容器简介 振华富电子振华富电子 目前通用型铝电解电容器主要为卷绕型铝容器 径向引线型 牛角端子型（基板自立式） 螺栓端子型 立式贴片型（V-CHIP） 1、铝电解电容器简介 内部结构，如下图： 阳极为铝金属箔，介质是用电 化学方法在阳极金属箔表面上 形成的阀金属氧化膜AL2O3 ， 阴极则为多孔性电解纸所吸附 的工作电解质 振华富电子振华富电子 1、铝电解电容器简介 1-1铝电解电容器的结构特点： (1)、介质层、介质层-阀金属氧化膜阀金属氧化膜AL2O3的的单向导电特性单向导电特性，铝电解电，铝电解电 容器有正负极之分。容器有正负极之分。 (2

5、)、高的电场强度高的电场强度(600Kv/mm)：利用电化学方法，在腐蚀过：利用电化学方法，在腐蚀过 的阳极铝箔表面上生成一层极薄的，约的阳极铝箔表面上生成一层极薄的，约0.01一一1 um的铝氧化膜的铝氧化膜 作为电容器的电介质，它与铝箔阳极结合为一整体。作为电容器的电介质，它与铝箔阳极结合为一整体。 (3)、电解电容器的阴极是电解质电解电容器的阴极是电解质。电解质根据其物理状态可。电解质根据其物理状态可 分为液体电解质、固体电解质。为了使电容器的阴极与外电路分为液体电解质、固体电解质。为了使电容器的阴极与外电路 相接，必须从结构上加一阴极引出板（阴极箔）成为一完整的相接，必须从结构上加一阴

6、极引出板（阴极箔）成为一完整的 结构。结构。 振华富电子振华富电子 1、铝电解电容器简介 1-2 铝电解电容器的主要参数： （1）额定电压（UR）：电容器在额定温度范围内所允许的连续工作最 大直流电压或脉冲电压的峰值； （2）浪涌电压（US）：短时间内电容器可以承受的最大电压值；一般 中低压产品， US=1.15 UR （3）电容量（uF）及误差（%）：电容量表明电容器储存电荷的能力， 容量误差是电容器实际容量偏离标称值的范围，一般为20%； 同等规格的产品，电压越高，容量越低，大约电压提高一倍，容 量下降13倍，电压越高，降幅越大； 振华富电子振华富电子 1、铝电解电容器简介 1-2 铝电解

7、电容器的主要参数解释： （4）漏电流（uA）：额定电压施加在电容器（加保护电阻）上所 测得的泄漏电流，表征电容器介质的绝缘性能； 漏电流与容量大小、施加电压高低、使用温度、测试时间等相 关。 小型铝电容的测试时间一般为2分钟，初始测试电流包括了位移 电流、吸收电流、漏电流，位移电流与吸收电流会随时间迅速 减小。所以铝电容在测试过程中可以看到漏电流随测试时间迅 速减小，然后趋于稳定。 振华富电子振华富电子 1、铝电解电容器简介 1-2 铝电解电容器的主要参数解释： （5）损耗：用损耗角正切表示，是在规定频率的正弦电压下， 电容器的损耗功率除以电容器的无功功率。 电容器的损耗，在直流电压下主要为漏

8、导损耗，在交流电压下 主要为漏导损耗和介质极化损耗。 电容器会因为消耗能量而发热。 振华富电子振华富电子 tg UI UI P P cos sin 无 有 1-2铝电解电容器的主要参数解释： （6）ESR（毫欧）： 即电容器的等效串联电阻ESR，如下图电容器的等效电路所 示。 ESR会影响到产品的功率损耗、高频特性、滤波效果等。 电容器等效电路图 振华富电子振华富电子 1-2铝电解电容器的主要参数解释： （7）额定纹波电流（mA): 在规定频率下最大允许交流电流的有效值，在该电流下电容 器可在规定的上限温度下连续工作。 最大允许纹波电流决定于环境温度，电容表面积（散热区 域），耗散因数tan

9、(或者 ESR) 以及交流频率。 由于热应力对电容寿命有决定性作用，由纹波电流产生的 热量就是影响使用寿命的重要因数。 （8）温度范围：电容器设计所确定的能连续工作的环境温度范围 振华富电子振华富电子 2、铝电解电容器的发展 传统的液体铝电解电容存在的问题： 1）温度特性差，性能随温度波动大； 2）ESR值大，高频滤波特性差等； 3）电解质为离子传导，高频响应能力差； 4）电解液在长时间的使用过程，会逐渐 干涸，限制长期使用寿命。 5）液体电解质易受热膨胀，出现漏液或受热膨胀，出现漏液或爆裂爆裂的现象（如右图）的现象（如右图） 振华富电子振华富电子 2、铝电解电容器的发展 要解决传统液态铝电解

10、电容存在的问题，改变阴极材料及制取 工艺是有效途径。 用电导率高的固态导电材料取代传统的电解液，极大地提高了 电解电容器的性能及可靠性。 固态电解电容具有高频低ESR（高纹波电流）、长寿命高可靠 等优异特征，解决了传统产品电解液易干涸、漏液、爆裂等问爆裂等问 题。题。 振华富电子振华富电子 2、铝电解电容器的发展 而固体铝电解电容器又经历了三代的发展，主要 体现在固体电解质的改变 (1)、1983年日本三洋电机开发出了有机半导体年日本三洋电机开发出了有机半导体TCNQ型固体铝电解型固体铝电解 电容器，这是真正意义上的第一代固体铝电解电容器，商品名为电容器，这是真正意义上的第一代固体铝电解电容器

11、，商品名为OS- Con型铝电解电容器。型铝电解电容器。 TCNQ的电导率约为的电导率约为1S/cm，远高于液体电解质（电导率，远高于液体电解质（电导率 0.01S/cm数量级），因此数量级），因此OS-Con具有比液体铝电容器低得多的具有比液体铝电容器低得多的ESR， 具有很好的高频特性。具有很好的高频特性。 TCNQ的热加工不好，只能在很窄的温度范围内保持短时间的熔融状态，的热加工不好，只能在很窄的温度范围内保持短时间的熔融状态， 对于制造工艺有非常严格的要求。此外对于制造工艺有非常严格的要求。此外TCNQ的耐焊接热稳定性也不够的耐焊接热稳定性也不够 好，这些都在一定程度上限值了好，这些都

12、在一定程度上限值了TCNQ型电容器的发展。型电容器的发展。 振华富电子振华富电子 2、铝电解电容器的发展 而固体铝电解电容器又经历了三代的发展，主要 体现在固体电解质的改变 (2)、1989年，日本年，日本Carlitor公司掌握了导电高分子材料聚吡咯公司掌握了导电高分子材料聚吡咯PPY的的 生产技术，随后日本昭和公司将其应用于铝电解电容器，这就是第二代生产技术，随后日本昭和公司将其应用于铝电解电容器，这就是第二代 的导电高分子型固体铝电解电容器（的导电高分子型固体铝电解电容器（SP-CAP）。）。 PPY的电导率可达的电导率可达10S/cm以上，因此以上，因此SP-CAP比比OS-Con具有

13、更低的具有更低的 ESR，更好的频率特性，在很宽的温度范围内都可以保持很低的等效，更好的频率特性，在很宽的温度范围内都可以保持很低的等效 串联电阻。串联电阻。 聚吡咯聚吡咯PPY一般用来做叠层片式铝电解电容器。一般用来做叠层片式铝电解电容器。 振华富电子振华富电子 2、铝电解电容器的发展 而固体铝电解电容器又经历了三代的发展，主要 体现在固体电解质的改变 (3)、1988年，德国拜尔公司开发出新一代导电高分子材料年，德国拜尔公司开发出新一代导电高分子材料PEDT （3，4-聚乙烯二氧噻吩），此后聚乙烯二氧噻吩），此后PEDT在铝电解电容器中成功应用，在铝电解电容器中成功应用， 标志着第三代固体

14、铝电解电容器的诞生。标志着第三代固体铝电解电容器的诞生。PEDT具有更高的电导率具有更高的电导率 （可达（可达100S/cm以上），且具有更佳的化学稳定性及热稳定性。以上），且具有更佳的化学稳定性及热稳定性。 振华富电子振华富电子 2005年以来，在年以来，在Intel等公司的推动下，固态电容器市场得到飞速发等公司的推动下，固态电容器市场得到飞速发 展。业界普遍认为展。业界普遍认为PEDT型固体铝电解电容器是最具发展前景的铝型固体铝电解电容器是最具发展前景的铝 电容器。电容器。 3、固体电解质铝电解电容器结构及工艺 振华富电子振华富电子 3.1 结构类型结构类型：卷绕式，由正负电极箔、 电解纸

15、 、导针、胶粒、铝壳、电解质构 成。 产品外形图产品外形图： 3、固体电解质铝电解电容器结构及工艺 光箔通过化学或电化学的方式， 进行腐蚀，在表面形成许多微 孔，使其有效面积极大扩大 （几百到上万倍），因此单位 面积具有极高的容量。 振华富电子振华富电子 3.2 正负电极箔 高压阳极箔 放大率400倍 3、固体电解质铝电解电容器结构及工艺 振华富电子振华富电子 3.3 内部结构解剖图：内部结构解剖图： 最新一代固体电解质即导最新一代固体电解质即导 电聚合物电聚合物PEDT，在导电性、 热稳定性、化 学稳定性方 面均有明显的优势，是目 前可选 用的综合性能最好 的固体电解质 3、固体电解质铝电解

16、电容器结构及工艺 振华富电子振华富电子 固态电 容流程 工序目的液态电 容流程 工序目的 裁切将铝箔或电解纸裁切成设 计宽度 裁切同 刺铆卷绕将导针铆接到铝箔上，并 将铝箔与电解纸卷绕成芯 子 刺铆卷 绕 同 点焊组架将芯子熔接在工艺条上， 并组装在载架上 无 芯子预 形成 修补铝箔切口边缘及加工 过程中损伤的介质层 无 3、固体电解质铝电解电容器结构及工艺 振华富电子振华富电子 固态电 容流程 工序目的液态电 容流程 工序目的 芯子热 处理 使电解纸碳化，降低纸的 损耗及提高对电解质的吸 附力 无 聚合在芯子内部形成导电聚合 物 含浸吸附工作电解液 装配将芯子放在铝壳内，并通 过胶粒封口，保

17、持芯子 装配同 清洗清洗外壳及导针油污等清洗同 3、固体电解质铝电解电容器结构及工艺 振华富电子振华富电子 固态电 容流程 工序目的液态电 容流程 工序目的 老练稳定产品性能；剔除早期 失效品 老练同 电性能 测试 对产品的常规电参数进行 测试筛选 电性能 测试 同 标识将型号规格印在外壳上标识同 外观检查外观检查 3、固体电解质铝电解电容器结构及工艺 振华富电子振华富电子 固态电 容流程 工序目的液态电 容流程 工序目的 成品检查成品检查 包装包装 入库入库 4、固体电解质铝电解电容器优异特性 振华富电子振华富电子 10 固体电解质固体电解质是导电性高分子聚合物， 为电子导电模式，而液态电解

18、质为 离子导电模式。导电性高分子拥有 比液态电解质更为优秀的传导性指 数，导电性高分子电导率比液态电 解质高3个数量级！ 因此，固体铝电容器有极低的极低的 ESR，其高频阻抗特性、温度 稳定性、寿命、耐纹波电流等 方面均有优异表现。 固体电解质与液态电解质比较：固体电解质与液态电解质比较： 4-1高频低阻抗 振华富电子振华富电子 固体铝电容器最出色的固体铝电容器最出色的 性能就是它具有近似理想的性能就是它具有近似理想的 阻抗频率特性。阻抗频率特性。 在在100KHz1MHz的宽频的宽频 率范围内都具有很低的阻抗率范围内都具有很低的阻抗 值（值（如图中如图中A曲线曲线），特别），特别 适合于作为

19、去耦合电容器来适合于作为去耦合电容器来 去除电路中的纹波、脉冲、去除电路中的纹波、脉冲、 数字、静电以及音频等各种数字、静电以及音频等各种 噪音。噪音。 4-2优良的温度特性 振华富电子振华富电子 ESR在在-55105的宽温度范围内的宽温度范围内几乎几乎可以保持不变，如下图可以保持不变，如下图(a),特别特别 适合应用于长期工作在低温恶劣条件下的电子设备。适合应用于长期工作在低温恶劣条件下的电子设备。 电容量随温度变化略高于钽电解电容器电容量随温度变化略高于钽电解电容器 ，低于其他电容器，如下图，低于其他电容器，如下图(b). 4-3高温长寿命 振华富电子振华富电子 固体电解质因没有液态电解

20、液易挥发现象，使用寿命很长，产品的寿命固体电解质因没有液态电解液易挥发现象，使用寿命很长，产品的寿命 一般情况下遵循工作温度每下降一般情况下遵循工作温度每下降20、寿命增加、寿命增加10倍；而液体铝电容器则倍；而液体铝电容器则 是工作温度每下降是工作温度每下降10、使用寿命只增加、使用寿命只增加2倍。下表是两种电容器的寿命估倍。下表是两种电容器的寿命估 算，可见固体铝电容器的实际使用寿命要远远长于液体铝电容器。算，可见固体铝电容器的实际使用寿命要远远长于液体铝电容器。 寿命估算：左边为固态铝电解电容器，右边为液态铝电解电容器寿命估算：左边为固态铝电解电容器，右边为液态铝电解电容器 Solid

21、Al.E. capacitor Wet Al.E.capacitor 105 2,000h 105 2,000h 95 6,300h 95 4,000h 85 20,000h 85 8,000h 75 63,000h 75 16,000h 4-4额定纹波电流高 振华富电子振华富电子 导电聚合物固体铝电解电容器由于本身的导电聚合物固体铝电解电容器由于本身的ESR很低，因此，很低，因此， 允许在某瞬间通过很大的纹波电流，而因此产生的焦尔热所引起允许在某瞬间通过很大的纹波电流，而因此产生的焦尔热所引起 的温升很小。的温升很小。 以相同尺寸（以相同尺寸（1010mm）的产品比较：钽电容器所允许）的产品

22、比较：钽电容器所允许 的纹波电流大约为的纹波电流大约为1900mA，液体铝电容器大约为，液体铝电容器大约为630mA，而，而 固体铝电解电容器可以达到固体铝电解电容器可以达到5500 mA。这是因为导电聚合物固。这是因为导电聚合物固 体铝电解电容器体铝电解电容器ESR比其他电容器小得多的缘故。比其他电容器小得多的缘故。 4-5 安全高可靠 振华富电子振华富电子 导电聚合物固体铝电解电容器由于采用导电聚合物固体铝电解电容器由于采用固体固体电解质，电解质， 不会出现液体铝电容器电解液漏液、干涸、不会出现液体铝电容器电解液漏液、干涸、“爆浆爆浆” 等事故，可安全使用；且由于固体电解质能将产品内等事故

23、，可安全使用；且由于固体电解质能将产品内 部结构凝聚固定，在使用过程中产品的抗震性能良好，部结构凝聚固定，在使用过程中产品的抗震性能良好， 可靠性高。可靠性高。 5、固体铝电解电容的典型应用 振华富电子振华富电子 固体铝电容器由于在固体铝电容器由于在ESR、高频低阻抗、温度稳、高频低阻抗、温度稳 定性、耐纹波电流、长寿命、高可靠性等方面大大优定性、耐纹波电流、长寿命、高可靠性等方面大大优 于传统的液体铝电电容器，在多媒体设备、开关电源、于传统的液体铝电电容器，在多媒体设备、开关电源、 DC-DC转化器、电子计算机、程控交换设备等高性转化器、电子计算机、程控交换设备等高性 能民用或军用数字化产品

24、领域得到迅速广泛的应用。能民用或军用数字化产品领域得到迅速广泛的应用。 5-1典型应用领域 振华富电子振华富电子 固体铝电容器因有理想的阻抗固体铝电容器因有理想的阻抗-频率曲线，特别适合用作频率曲线，特别适合用作 滤波电容器，去除电路中的纹波、数字脉冲、静电以及音频滤波电容器，去除电路中的纹波、数字脉冲、静电以及音频 等各种噪音；等各种噪音； 固体铝电容器固体铝电容器ESR很小，允许通过纹波电流大，因此可用很小，允许通过纹波电流大，因此可用 于开关电源、计算机等数字滤波电路，可大幅度降低输出电于开关电源、计算机等数字滤波电路，可大幅度降低输出电 压纹波并减少电容器的使用数量，使电路小型化；压纹

25、波并减少电容器的使用数量，使电路小型化； 5-1典型应用领域 振华富电子振华富电子 固体铝电容器可以快速放电，可用于需急速放电电路中，固体铝电容器可以快速放电，可用于需急速放电电路中， 也可作为消耗大电流的高速电路中的备份电容器；也可作为消耗大电流的高速电路中的备份电容器； 固体铝电容器的固体铝电容器的ESR值几乎不随温度发生改变，因此，可值几乎不随温度发生改变，因此，可 以在低温环境中长期使用；以在低温环境中长期使用； 固体铝电容器具有超长寿命，适合应用于那些长时间使用固体铝电容器具有超长寿命，适合应用于那些长时间使用 的工业设备。的工业设备。 5-2 具体应用案例 1、降低纹波电流 小型化

26、是开关电源的发展方向，但是电容是线路板上占有 面积很大的元件之一。而且一般的电容的特性还会随着使用温 度的波动而发生很大的变化，因此需要考虑使用温度范围来选 择电容。 下列实验显示固态电容可以在宽广的温度范围内，在高频 率下有降低纹波电压的能力。 5-2 具体应用案例 1、降低纹波电流 在环境温度分别设定为25，-25，70，要达到相同的 输出纹波电压，分别需使用的固态电容、低阻抗铝电解电容、 低ESR钽电容的规格及数量 图1：实验电路图 表1:25的环境下比较 表2:-25的环境下比较 表3:70的环境下比较 5-2 具体应用案例 2、固态电容固态电容的高速保护能力 在高速大负荷变动的设备中

27、，如CPU、GPU，负载电流的 急剧变化，会带来电源线路的电压变动，而直接引起处理器误 动作。用于高速负荷变动时，需要低ESR的大容量电容器。 2、固态电容固态电容的高速保护能力 下面，对比固态电容、低阻抗铝电解电容、低ESR钽电容的应 用效果 同等规格产品，电源线路的电压下降相对于固态电容固态电容的104mV，低阻 抗铝电解电容器为548mV(固态的电容固态的电容的5.3倍)，低ESR钽电容器为 212mV(约为固态电容固态电容的2倍)。 5-3使用注意事项 聚合物固体铝电解电容器具有极性，使用中不要接错，否则会 产生很大的漏电流并缩短产品的使用寿命。 使用中需确认应用环境适合于规格所给的应用范围，如额定电 压和额定温度范围，直流电压和纹波电压峰值之和不应超过额定电 压。 使用中降低环境温度、工作电压或纹波电流都可提高产品的可 靠性 急速充放电产生的过大冲击电流会损伤产品，因