工艺技术_导电聚合物固体电解质铝电解电容器简介

导电聚合物固体电解质铝电解电容器 深圳振华富电子有限公司谈斌2010 振华富电子 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 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 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1 滤波 旁路2 储能 3 耦合 4 调谐等 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 电容器 电解电容器 有机介质电容器 无机介质电容器 纸质电容器 薄膜电容器 陶瓷电容器 云母电容器 铝电解电容器 钽电解电容器 铌电解电容器 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 1 铝电解电容器简介 电解电容器分类按阀门金属种类分 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 液态电解电容器和固体电解质电容器 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 引线型 牛角型 焊片型 螺栓型 表面贴状型 V CHIP 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 LOWESR 高频特低阻抗型 耐高纹波型 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特的优势 振华富电子 1 铝电解电容器简介 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外形结构如下 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 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 阀金属氧化膜AL2O3的单向导电特性 铝电解电容器有正负极之分 2 高的电场强度 600Kv mm 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0 01一1um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 3 电解电容器的阴极是电解质 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相接 必须从结构上加一阴极引出板 阴极箔 成为一完整的结构 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 15UR 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1 3倍 电压越高 降幅越大 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 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 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 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 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 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 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 出现漏液或爆裂的现象 如右图 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 爆裂等问题 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TCNQ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OS Con型铝电解电容器 TCNQ的电导率约为1S cm 远高于液体电解质 电导率0 01S cm数量级 因此OS Con具有比液体铝电容器低得多的ESR 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 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好 这些都在一定程度上限值了TCNQ型电容器的发展 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Carlitor公司掌握了导电高分子材料聚吡咯PPY的生产技术 随后日本昭和公司将其应用于铝电解电容器 这就是第二代的导电高分子型固体铝电解电容器 SP CAP PPY的电导率可达10S cm以上 因此SP CAP比OS Con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串联电阻 聚吡咯PPY一般用来做叠层片式铝电解电容器 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PEDT 3 4 聚乙烯二氧噻吩 此后PEDT在铝电解电容器中成功应用 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 可达100S cm以上 且具有更佳的化学稳定性及热稳定性 振华富电子 2005年以来 在Intel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PEDT型固体铝电解电容器是最具发展前景的铝电容器 3 固体电解质铝电解电容器结构及工艺 振华富电子 3 1结构类型 卷绕式 由正负电极箔 电解纸 导针 胶粒 铝壳 电解质构成 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 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 3 3内部结构解剖图 在铝箔微孔内形成附着的固体导电聚合物 PEDT 最新一代固体电解质即导电聚合物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 固体电解质铝电解电容器结构及工艺 振华富电子 3 4基本工艺流程 3 固体电解质铝电解电容器结构及工艺 振华富电子 3 4基本工艺流程 3 固体电解质铝电解电容器结构及工艺 振华富电子 3 4基本工艺流程 3 固体电解质铝电解电容器结构及工艺 振华富电子 3 4基本工艺流程 4 固体电解质铝电解电容器优异特性 振华富电子 10 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 4 1高频低阻抗 振华富电子 固体铝电容器最出色的性能就是它具有近似理想的阻抗频率特性 在100KHz 1MHz的宽频率范围内都具有很低的阻抗值 如图中A曲线 特别适合于作为去耦合电容器来去除电路中的纹波 脉冲 数字 静电以及音频等各种噪音 4 2优良的温度特性 振华富电子 ESR在 55 105 的宽温度范围内几乎可以保持不变 如下图 a 特别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 低于其他电容器 如下图 b 4 3高温长寿命 振华富电子 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20 寿命增加10倍 而液体铝电容器则是工作温度每下降10 使用寿命只增加2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 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 4 4额定纹波电流高 振华富电子 导电聚合物固体铝电解电容器由于本身的ESR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的温升很小 以相同尺寸 10 10mm 的产品比较 钽电容器所允许的纹波电流大约为1900mA 液体铝电容器大约为630mA 而固体铝电解电容器可以达到5500mA 这是因为导电聚合物固体铝电解电容器ESR比其他电容器小得多的缘故 4 5安全高可靠 振华富电子 导电聚合物固体铝电解电容器由于采用固体电解质 不会出现液体铝电容器电解液漏液 干涸 爆浆 等事故 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 可靠性高 5 固体铝电解电容的典型应用 振华富电子 固体铝电容器由于在ESR 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 固体铝电容器因有理想的阻抗 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 静电以及音频等各种噪音 固体铝电容器ESR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压纹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 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 固体铝电容器的ESR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 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 5 2具体应用案例 1 降低纹波电流小型化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 固态电容6 3V100 1个 低阻抗铝电解电容6 3V680 3个 低ESR钽电容6 3V100 2个 表2 25 的环境下比较 固态电容6 3V100 1个 低阻抗铝电解电容6 3V680 7个 低ESR钽电容6 3V100 2个 表3 70 的环境下比较 固态电容6 3V100 1个 低阻抗铝电解电容6 3V680 2个 低ESR钽电容6 3V100 2个 5 2具体应用案例 2 固态电容的高速保护能力在高速大负荷变动的设备中 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的104mV 低阻抗铝电解电容器为548mV 固态的电容的5 3倍 低ESR钽电容器为212mV 约为固态电容的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 因此 当冲击电流过大时应使用保护电路 振华富电子 6 振华富 产品系列及行业状况 振华富电子 6 1型号规格说明 JCDP1 8x11 5 6 3V330M 1 2 3 4 5 6 7 1 J表示军