常用電容器綜述

1、常用電容器綜述摘要電容器在電路中起到濾波、耦合、隔直流、儲(chǔ)能的作用，廣泛應(yīng)用于各種家用電器、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信、汽車電子、智能電網(wǎng)、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域，是電子設(shè)備中不可缺少的主要元件之一。本文主要對電容器進(jìn)行綜述。重點(diǎn)從電容器的分類及應(yīng)用、電容器的結(jié)構(gòu)及制作方法，還有器件的檢測三方面進(jìn)行了描述。關(guān)鍵詞：電容器 MLCC 電解電容器 電解電容 一、 電容器的分類及應(yīng)用根據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，電容器主要有以下幾種分類：按照電容器的容量是否可調(diào)分三大類：固定電容器、可變電容器和微調(diào)電容器。按介質(zhì)的不同可以分為以下幾類：有機(jī)介質(zhì)電容器、無機(jī)介質(zhì)電容器、電解電容器、電熱電容器和空氣介質(zhì)電容器等。有機(jī)介質(zhì)電容器

2、可以分為紙介電容器、塑料電容器和其他有機(jī)介質(zhì)電容器；無機(jī)介質(zhì)電容器可以分為氣體介質(zhì)電容器、云母電容器、玻璃及玻璃釉電容器和瓷介電容器等；電解電容器可以分為鉭電解電容器、鋁電解電容器和鈮電解電容器等。按用途分類還可以分為：高頻旁路、低頻旁路、濾波、調(diào)諧、高頻耦合、低頻耦合、小型電容器。高頻旁路電容器可以分為陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、滌綸電容器、玻璃釉電容器；低頻旁路電容器可以分為紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器等；濾波電容器可以分為鋁電解電容器、紙介電容器、復(fù)合紙介電容器和液體鉭電容器等；調(diào)諧電容器可以分為陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、聚苯乙烯電容器；低耦合電

3、容器可以分為紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器、固體電容器；小型電容器可以分為金屬化紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、聚苯乙烯電容器、固體鉭電容器、玻璃釉電容器、金屬化滌綸電容器、聚丙烯電容器和云母電容器等。近年來，隨著電子信息技術(shù)的日新月異，數(shù)碼電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度越來越快，以平板電視（LCD和PDP）、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品為主的消費(fèi)類電子產(chǎn)品產(chǎn)銷量持續(xù)增長，帶動(dòng)了電容器產(chǎn)業(yè)增長。電容器也逐漸朝著高性能、微型化、片式化、組合化和集成化的方向發(fā)展。在現(xiàn)代電容器中，陶瓷電容器、有機(jī)介質(zhì)電容器和電解電容器扮演者至關(guān)重要的角色。1. 陶瓷電容器陶瓷電容器的產(chǎn)量占總的電容器產(chǎn)

4、量的50%以上，它是用高介電常數(shù)的電容器陶瓷（鈦酸鋇一氧化鈦）擠壓成圓管、圓片或圓盤作為介質(zhì)，并用燒滲法將銀鍍在陶瓷上作為電極制成1。陶瓷電容器也有很多種分類，按介質(zhì)材料可分為高介電常數(shù)電容器和低介電常數(shù)電容器； 按工作頻率可分為高頻瓷介電容器和低頻瓷介電容器，低頻瓷介電容器限于在工作頻率較低的回路中作旁路或隔直流用，或?qū)Ψ€(wěn)定性和損耗要求不高的場合，這種電容器不宜使用在脈沖電路中，因?yàn)樗鼈円子诒幻}沖電壓擊穿；按工作電壓可分為高壓瓷介電容器和低壓瓷介電容器；按外形結(jié)構(gòu)可分為圓片形、管形、穿心式、筒形以及疊片式等。按EIA (Electronic Industries Association)，陶

5、瓷電容器分為三類：類為溫度穩(wěn)定型；類為高介電常數(shù)型；類為半導(dǎo)型陶瓷電容器晶界層電容器。對于I類陶瓷電容器來說，它的介電常數(shù)一般小于100，電氣性能穩(wěn)定，基本上不隨溫度、電壓、時(shí)間的改變而變化，屬超穩(wěn)定、低損耗的電容器介質(zhì)材料，常用于對穩(wěn)定性、可靠性要求較高的高頻、超高頻、甚高頻的場合，例如金紅石陶瓷。對于型陶瓷電容器，它的介電常數(shù)一般大于1000，電氣性能較穩(wěn)定，適用于隔直、耦合、旁路和濾波電路及對可靠性要求較高的中、低頻場合，例如鐵電介質(zhì)陶瓷。而對于型電容器陶瓷來說，它具有很高的介電常數(shù)，廣泛應(yīng)用于對容量穩(wěn)定性和損耗要求不高的場合，例如表面型半導(dǎo)體陶瓷和晶界型半導(dǎo)體陶瓷。在陶瓷電容器中，ML

6、CC（Multi-layer Ceramic Capacitors多層陶瓷片式電容器）重要性不容忽視。MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）是片式多層陶瓷電容器英文縮寫。是由印好電極（內(nèi)電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯(cuò)位的方式疊合起來，經(jīng)過一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極），從而形成一個(gè)類似獨(dú)石的結(jié)構(gòu)體，故也叫獨(dú)石電容器。此電容器是片式電容器中用量最大發(fā)展最快的電容器之一。MLCC的容量范圍大致為1pF100F，其溫度穩(wěn)定性高，可生產(chǎn)耐高壓MLCC產(chǎn)品。同時(shí)由于MLCC的電介質(zhì)是無機(jī)陶瓷材料高溫?zé)仆怆姌O均為金屬材料，經(jīng)燒滲工藝與陶瓷體有極

7、強(qiáng)的附著力。因而MLCC不易受環(huán)境條件的影響，長期使用較其它片式電容器更為可靠。除此之外，MLCC還有較好的可焊性和和較好的耐焊接能力。為適應(yīng)超高頻電路的需要，MLCC還有專門用于微波段的MLCC，在100MHz1GHz下仍有較高的品質(zhì)因數(shù)。2. 電解電容器電解電容器的一個(gè)電極是用固體或液體電解質(zhì)構(gòu)成，電解電容器介質(zhì)材料為具有單向?qū)щ娮饔玫慕饘傺趸?。另一極為陽極金屬。電解電容器的陰極即是固體或液體電解質(zhì)。無極性（雙極性）電解電容器采用雙氧化膜結(jié)構(gòu)，類似于兩只有極性電解電容器將兩個(gè)負(fù)極相連接后構(gòu)成，其兩個(gè)電極分別為兩個(gè)金屬極板（均粘有氧化膜）相連，兩組氧化膜中間為電解質(zhì)。有極性電解電容器通常在

8、電源電路或中頻、低頻電路中起電源濾波，退耦、信號(hào)耦合及時(shí)間常數(shù)設(shè)定、隔直流等作用。無極性電解電容器通常用于音響分頻器電路、電視機(jī)S校正電路及單相電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電路。電解電容器可以有以下幾種分類途徑，按電解質(zhì)形式來分，有固體和液體電解質(zhì)之分；按照介質(zhì)材料性質(zhì)或類別來分類，有鉭、鋁等電解電容器；按照陽極電極形式來分類可分為腐蝕箔電極、多孔性燒結(jié)塊狀電極；按照極性性質(zhì)可以分為有極性和無極性電容器；按照性質(zhì)、用途可以分為普通級(jí)和長壽級(jí)，一般用途和特殊要求，濾波電容和啟動(dòng)電容。電解電容器還有隔直流、去耦、耦合、濾波、溫度補(bǔ)償、計(jì)時(shí)、調(diào)諧、整流和儲(chǔ)能的作用。在隔直流方面，電解電容器的作用是阻止直流通過而讓交

9、流通過；在去耦方面，其為交流電路中某些并聯(lián)的元件提供低阻抗通路；在耦合方面，其作為兩個(gè)電路之間的連接，允許交流信號(hào)通過并傳輸?shù)较乱患?jí)電路；在濾波方面，電解電容器對DIY而言很重要，顯卡上的電容基本都是這個(gè)作用；在溫度補(bǔ)償方面，電解電容器可以針對其它元件對溫度的適應(yīng)性不夠帶來的影響，而進(jìn)行補(bǔ)償，改善電路的穩(wěn)定性；在計(jì)時(shí)功能上，電容器與電阻器配合使用，確定電路的時(shí)間常數(shù)；在調(diào)諧作用上，電解電容器對與頻率相關(guān)的電路進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)諧，比如手機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)；在整流作用上，它可以在預(yù)定的時(shí)間開或者關(guān)半閉導(dǎo)體開關(guān)元件；在儲(chǔ)能方面，它可以儲(chǔ)存電能，用于必須要的時(shí)候釋放，例如相機(jī)閃光燈，加熱設(shè)備等等。3. 有機(jī)

10、薄膜電容器有機(jī)薄膜電容器是用聚丙烯薄膜、聚酯薄膜（PET）、聚苯疏醚薄膜（PPS）、聚碳酸酯薄膜（PC）、聚苯亞甲萘薄膜（PEN）、聚偏二氟乙烯薄膜（PVPF）等作電介質(zhì)材料制造的電容器，是性能優(yōu)、品種多、應(yīng)用面廣的電子元件之一，經(jīng)歷了有感式、無感式、金屬化，疊片式、表面安裝等發(fā)展歷程。薄膜電容器是以有機(jī)塑料薄膜做介質(zhì)，以金屬箔或金屬化薄膜做電極，通過卷繞方式制成（疊片結(jié)構(gòu)除外），其中以聚酯膜介質(zhì)和聚丙烯膜介質(zhì)應(yīng)用最廣。目前國內(nèi)有機(jī)薄膜電容器生產(chǎn)以聚酯薄膜電容器，聚丙烯薄膜電容器等為主，生產(chǎn)企業(yè)百多家，國有、集體、三資企業(yè)并存，三資企業(yè)發(fā)展迅速，生產(chǎn)仍以傳統(tǒng)直線型產(chǎn)品為主，小型，超小型次之，片

11、式產(chǎn)品尚處于研發(fā)階段。有機(jī)薄膜電容器可按介質(zhì)材料分為聚酯膜和聚丙烯膜；按卷繞方式分為有感卷繞和無感卷繞；按電極型式分為有金屬箔式和金屬化薄膜。金屬化薄膜電容器的特點(diǎn)：金屬化薄膜電容即是在聚酯薄膜的表面蒸鍍一層金屬膜代替金屬箔做為電極，因?yàn)榻饘倩拥暮穸冗h(yuǎn)小于金屬箔的厚度，因此卷繞后體積也比金屬箔式電容體積小很多。金屬化膜電容的最大優(yōu)點(diǎn)是“自愈”特性。所謂自愈特性就是假如薄膜介質(zhì)由于在某點(diǎn)存在缺陷以及在過電壓作用下出現(xiàn)擊穿短路，而擊穿點(diǎn)的金屬化層可在電弧作用下瞬間熔化蒸發(fā)而形成一個(gè)很小的無金屬區(qū)，使電容的兩個(gè)極片重新相互絕緣而仍能繼續(xù)工作，因此極大提高了電容器工作的可靠性。金屬化薄膜電容器雖有

12、上述巨大的優(yōu)點(diǎn)，但與金屬箔式電容相比，也有如下兩項(xiàng)缺點(diǎn)：一是容量穩(wěn)定性不如箔式電容器，這是由于金屬化電容在長期工作條件易出現(xiàn)容量丟失以及自愈后均可導(dǎo)致容量減小，因此如在對容量穩(wěn)定度要求很高的振蕩電路使用，應(yīng)選用金屬箔式電容更好。另一主要缺點(diǎn)為耐受大電流能力較差，這是由于金屬化膜層比金屬箔要薄很多，承載大電流能力較弱。二、 電容器的結(jié)構(gòu)及制作方法1. MLCC陶瓷電容器結(jié)構(gòu)與制備MLCC的絕緣介質(zhì)是陶瓷膜片；金屬極板常用金屬（白金、鈀或銀）的漿料印刷在膜片上，經(jīng)疊片(采用交替層疊的形式)、燒結(jié)成一個(gè)整體，根據(jù)容量的需要，少則二層，多則數(shù)十層,甚至上百層。他的端頭為三層結(jié)構(gòu)。介質(zhì)材料由不同組分配制

13、的陶瓷材料組成。由于陶瓷介質(zhì)與內(nèi)電極同時(shí)燒成，形成一個(gè)整體，故MLCC又簡稱為獨(dú)石電容器。如圖1所示圖1 MLCC結(jié)構(gòu) MLCC所用材料目前大量生產(chǎn)中溫（1100）或低溫（1000）燒成的陶瓷材料采用的內(nèi)電極為30Pd70Ag，后者則采用(515)Pd及(8595)Ag或純Ag電極材料。近年來國外有的廠家已研制出以賤金屬內(nèi)電極材料，常用的有鎳(Ni)、鐵(Fe)、銅（Cu)等。以此類電極材料研制的MLCC必須在還原氣氛中燒成。除此在瓷料制備工藝上也進(jìn)行了大量的工作。MLCC制造工序有流延法、印刷法和噴涂法。工藝流程圖2如下：圖2 MLCC工藝流程2.電解電容器結(jié)構(gòu)與制備電解電容器的介質(zhì)：通過電

14、化學(xué)方法在閥金屬表面生成的氧化膜薄層，厚度為0.011.5m；該氧化膜介質(zhì)具有單向?qū)щ娦?，反向連接時(shí)，由于電導(dǎo)率大大增加使流過電容器的電流過大而損壞元件，所以電解電容器具有極性；電解電容器通常是由金屬箔（鋁/鉭）作為正電極，金屬箔的絕緣氧化層（氧化鋁/鉭五氧化物）作為電介質(zhì)，電解電容器以其正電極的不同分為鋁電解電容器和鉭電解電容器。結(jié)構(gòu)如圖3所示。鋁電解電容器的負(fù)電極由浸過電解質(zhì)液（液態(tài)電解質(zhì)）的薄紙/薄膜或電解質(zhì)聚合物構(gòu)成；鉭電解電容器的負(fù)電極通常采用二氧化錳。由于均以電解質(zhì)作為負(fù)電極（注意和電介質(zhì)區(qū)分），電解電容器因而得名。圖3 電解電容器結(jié)構(gòu)鋁電解電容器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)多樣化，除了上述液體鋁電

15、解電容器外還有固體鋁電解電容器。其結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，一種是箔式卷繞形的，另一種是鋁粉燒結(jié)多孔塊狀的，所用的固體電解質(zhì)主要是MnO2。鋁電解電容器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)多樣化，如雙陽極結(jié)構(gòu)、對陰極結(jié)構(gòu)、書本式結(jié)構(gòu)、三角式結(jié)構(gòu)、片式結(jié)構(gòu)。其中片式鋁電解電容器的出現(xiàn)是鋁電解電容器的又進(jìn)步。因?yàn)槿绻麤]有高比容的鋁箔、耐高溫的電解液、優(yōu)異的密封結(jié)構(gòu)和精細(xì)的加工技術(shù)，是很難制出合乎要求的片式鋁電解電容器的，目的，其片式化率還處于比較低的水平。另一種電解電容器是鉭電解電容器，其結(jié)構(gòu)有兩種形式：箔式鉭電解電容器和鉭粉燒結(jié)式電解電容器。 箔式鉭電解電容器內(nèi)部采用卷繞芯子，負(fù)極為液體電解質(zhì)，介質(zhì)為氧化鉭。 鉭粉燒結(jié)式電解電

16、容器陽極為高純度的鉭金屬粉末，與粘合劑混合后，加壓成型、經(jīng)燒結(jié)形成多性的燒結(jié)體；絕緣介質(zhì)為陽極表面生成的氧化鉭；陰極為絕緣介質(zhì)表面被覆二氧化錳層。片式鉭電解電容器采用高純度的鉭粉末與黏合劑混合，埋入鉭引腳后，在18002000的真空爐中燒結(jié)成多孔性的燒結(jié)體作為陽極；用硝酸錳熱解反應(yīng)，在燒結(jié)體表面形成固體電解質(zhì)的二氧化錳作為陰極，經(jīng)石墨層、導(dǎo)電涂料層涂敷后，進(jìn)行陰、陽極引出線的連接，然后用模塑封裝成型。圓柱形鉭電容器由陽極、固體半導(dǎo)體陰極組成，采用環(huán)氧樹脂封裝。將作為陽極引腳的鉭金屬線放入鉭金屬粉末中，加壓成型，然后在16502000的高溫真空爐中燒結(jié)成陽極芯片，將芯片放入磷酸等賦能電解液中進(jìn)行

17、陽極氧化，形成介質(zhì)膜，通過鉭金屬線與非磁性陽極端子連接后作為陽極。然后浸入硝酸錳等溶液中，在200400的氣浴爐中進(jìn)行熱分解，形成二氧化錳固體電解質(zhì)膜并作為陰極，成膜后，在二氧化錳層上沉積層石墨，再涂銀漿，均環(huán)氧樹脂封裝，最后打上標(biāo)志。3.有機(jī)薄膜電容器結(jié)構(gòu)與制備有機(jī)薄膜電容器的制造有兩種結(jié)構(gòu)。一種結(jié)構(gòu)是用兩層7m厚的鋁箔作極板，再用兩層有機(jī)薄膜為介質(zhì)，采用卷繞工藝制成四層結(jié)構(gòu)的電容器，如下圖4所示。這種結(jié)構(gòu)電容器的有機(jī)薄膜和鋁箔可分離，稱為箔式電容器。圖4 箔式電容器結(jié)構(gòu)另一種結(jié)構(gòu)是以有機(jī)薄膜為介質(zhì)，直接在它的單面制一層20nm厚的金屬膜作為極板。有機(jī)薄膜的主要成分是共價(jià)鍵的炭氫化合物，所以

18、介電常數(shù)很小，即使采用復(fù)合材料的方法也在20以下。為提高電容器的比容，主要采用降低薄膜的最小厚度的方法。端頭內(nèi)層銅鋅合金，外層錫鉛合金。如下圖5所示。圖5 薄膜電容器結(jié)構(gòu)制取金屬膜的方法有多種：可用物理或化學(xué)的方法取得金屬液，然后均勻地噴在有機(jī)薄膜上成為金屬膜極板；可采用鍍金工藝，在有機(jī)薄膜單面均勻地鍍一層金屬膜，同樣可制得極板；可用蒸發(fā)工藝將金屬蒸鍍到有機(jī)薄膜單面形成極板。三、 電容器性能檢測1. MLCC多層陶瓷電容器性能檢測電性能測試分選是通過專門的電性能測試分選設(shè)備對MLCC的容量、損耗角正切、絕緣電阻、耐電壓等電性能作出判斷。利用四參數(shù)測試機(jī)，可同時(shí)檢測容量、損耗角正切、絕緣電阻、耐

19、電壓四個(gè)參數(shù)，適用于測試各種不同尺寸、不同種類的MLCC產(chǎn)品。另一種測試設(shè)備為六軌電容測試機(jī)，具備四參數(shù)測試機(jī)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還具有檢測更精確、效率更高等有點(diǎn)，并且可以對各項(xiàng)電性能進(jìn)行處理分析。測試MLCC時(shí)應(yīng)控制溫度，要求在2326之間，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致電容容值的不穩(wěn)定，會(huì)影響測試后電容的性能。還要控制濕度，要求在65%以下，濕度若太高會(huì)導(dǎo)致測試機(jī)開路漏電流過高，影響測量的準(zhǔn)確度。測試針的清潔控制，測試針在使用一段時(shí)間后會(huì)在尖端處產(chǎn)生磨損或污垢，這種磨損或污垢的狀況會(huì)導(dǎo)致電容測量誤差，影響準(zhǔn)確度（必須經(jīng)常清潔測試針，以確保測量的準(zhǔn)確度）。電容在測試時(shí)都需要對其漏電流進(jìn)行設(shè)置，漏電流的設(shè)置要根據(jù)電容

20、的性能進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置過小會(huì)影響電容測試的入料率，過大會(huì)影響電容測試的準(zhǔn)確度，會(huì)把不合格的電容誤判為合格的電容。2. 電解電容器性能檢測正、負(fù)極性的判別：有極性鋁電解電容器外殼上的塑料封套上，通常都標(biāo)有+(正極)或-負(fù)極。未剪腳的電解電容器，長引腳為正極，短引腳為負(fù)極。對于標(biāo)志不清的電解電容器，可以根據(jù)電解電容器反向漏電流比正向漏電流大這一特性，通過用萬用表的RX10K檔測量電容器兩端的正、反向電阻值來判別。當(dāng)表針穩(wěn)定時(shí)，比較兩次所測電阻值讀數(shù)的大小。在阻值較大的一次測量中，黑表筆所接的是電容器的正極，紅表筆接的是電容器的負(fù)極。電容量和漏電電阻的測量：電容器最好使用電感電容表或具有電容測量功能的

21、數(shù)字萬用表測量。若無此類儀表，也可用指針式萬用表來估測其電容量。用萬用表測量電解電容器時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測電容器的電容量選擇適當(dāng)?shù)牧砍獭Ｍǔ＃?uF與2.2uF的電解電容器用RX10K檔，4.7-22uF的電解電容器用RX1K檔，47-220uF的電解電容器用RX100檔，470-4700uF的電解電容器用RX10檔，大于4700uF的電解電容器用RX1檔。利用萬用表內(nèi)部電池給電容器進(jìn)行正、反向充電，通過觀察萬用表指針向右擺動(dòng)幅度的大小，即可估測出電容器的容量。 將萬用表置于適當(dāng)?shù)牧砍?。將其兩表筆短接后調(diào)零。黑表筆接電解電容器的正極，紅表筆接其負(fù)極時(shí)，電容器開始充電，所以萬用表指針緩慢向右擺動(dòng)，擺動(dòng)至某一角度后（充電結(jié)束后）又會(huì)慢慢向左返回（表針通常不能返回8的位置）