鉭電容器是體積小、電容大、性能優(yōu)良的產(chǎn)品。它們最初是由美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室于1956年開發(fā)的。它們形狀多樣，制成適合表面貼裝的小型和芯片元件，不僅用于軍事通信、航空航天等領(lǐng)域，還用于工業(yè)控制、影視設(shè)備、通信儀器等產(chǎn)品。

一 引言

鉭電容器的全稱是鉭電解電容器，也是電解電容器的一種。金屬鉭用作電介質(zhì)。與使用電解質(zhì)的普通電解電容器不同，鉭電容器不需要使用鋁涂層電容器紙進(jìn)行燒制。 這里的T在鉭電容器中幾乎沒有電感，這也限制了它的容量。此外，由于其中沒有電解質(zhì)，因此適合在高溫下工作。

鉭電容器的特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、耐高溫、精度高、高頻 濾波和變波性能優(yōu)異。在工作過程中，它們可以 自動(dòng)重新替換或隔離氧化膜中的缺陷，以便氧化膜介質(zhì)可以隨時(shí)加強(qiáng)并恢復(fù)到其適當(dāng)?shù)慕^緣能力，而不會(huì)受到連續(xù)的累積損壞。這種獨(dú)特的自愈性能保證了其長(zhǎng)壽命和可靠性的優(yōu)勢(shì)。此外，它們具有比某些類型的電容器更大的非常高的工作電場(chǎng)強(qiáng)度 ，從而確保其小型化。

二、性能

鉭電容器具有優(yōu)異的性能。它們體積小，電容大，使用非常方便，在電源濾波，交流旁路和其他應(yīng)用中幾乎沒有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

此外，它們還具有存儲(chǔ)電力、充電和放電的能力，主要用于濾波、儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換、旁路標(biāo)記、耦合和去耦以及時(shí)間常數(shù)組件。在應(yīng)用中，注意 鉭電容器的工作環(huán)境和加熱溫度等性能特征，并采取降額等措施。正確使用有助于充分發(fā)揮其功能。而我正確使用會(huì)影響產(chǎn)品的工作壽命。

圖2.RC 時(shí)間常數(shù)計(jì)算器

如果通過R值的電阻向值C的電容器施加電壓，則電容器兩端的電壓緩慢上升。時(shí)間常數(shù)定義為充電至最終電壓值的63.21%所需的時(shí)間。

固態(tài)鉭電容器具有優(yōu)異的電氣性能、寬工作溫度范圍、多種形式和出色的體積效率。

鉭電容器還具有獨(dú)特的特性。鉭電容器的工作介質(zhì) 是在鉭金屬表面形成的非常薄的五氧化二鉭膜。這層氧化膜電介質(zhì)不能獨(dú)立存在，它應(yīng)該與電容器的一端集成在一起。因此，它在單位體積內(nèi)的電容特別大，表明比容量非常高，特別適合小型化。

III 鉭電容器：極性和反極性

1. 如何識(shí)別鉭電容器的極性

電容器體的標(biāo)記（一條水平線）端是正極，另一端是負(fù)極。引線鉭電容器的長(zhǎng)引線為正端，短引線為負(fù)極。在片式鉭電容器上，正極由深色條帶或斜邊標(biāo)識(shí)。當(dāng)然，您可能用純文本描述看不懂，因此收集以下圖片供您區(qū)分鉭電容器的正負(fù)極。

圖3.鉭電容器的極性

2. 反極性引起的問題

根據(jù)其極性，電容器可分為兩種：非極性電容器和極化電容器。非極性電容器通常用于存儲(chǔ)電荷，主要用于耦合和頻率選擇等電路。極化電容器通常用于存儲(chǔ)和釋放電荷，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

在極化鉭電容器的安裝過程中，我們需要注意區(qū)分它們的正極和負(fù)極。誤接線會(huì)導(dǎo)致鉭電容器瞬間失效。在脈沖電路中，兩個(gè)鉭電容器的正極或負(fù)極相互連接

固體鉭電容器具有極性。如果兩極反轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致永久性失效。如果錯(cuò)誤地將反向電壓施加到高阻抗電路上，即使沒有短路，電容器也可能造成損壞。為保護(hù)電路免受過壓和反向電壓的影響，請(qǐng)注意測(cè)試儀的端桿不能接觸電容器。

當(dāng)電路中不可避免地使用反向電壓時(shí)，它必須是額定電壓的10%或85°時(shí)的1V，以及額定電壓的5%或85°時(shí)的0.5 V。建議使用較小的值。如果反向電壓超過240小時(shí)，則應(yīng)在電路中添加最小電阻為33R或更大的電阻。

鉭電容器正負(fù)極的反向連接不僅會(huì)導(dǎo)致故障，而且會(huì)給需求量大的客戶或企業(yè)帶來不必要的費(fèi)用和損失。因此，準(zhǔn)確識(shí)別正極和負(fù)極至關(guān)重要。

IV 鉭電容器應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

由于鉭電容器有爆炸的危險(xiǎn)，因此我們?cè)谑褂盟鼈儠r(shí)必須特別注意。

1.鉭電容器是具有極性的電解電容器（帶符號(hào)“+”的端子為正極）。不要將極性反接，否則會(huì)增加漏電或可能導(dǎo)致短路、冒煙甚至爆炸。

2.不能應(yīng)用的電路如下：高阻抗電壓保持電路;耦合電路;時(shí)間常數(shù)電路;有漏電流效應(yīng)的電路;串聯(lián)增加耐壓的電路。

圖6.用于說明RL時(shí)間常數(shù)的電路

3.請(qǐng)勿在額定電壓以上使用，否則可能會(huì)導(dǎo)致短路。

4.限制快速充電或放電。建議在充放電電路中增加限流電阻，使脈沖電流小于20A。

5.在設(shè)計(jì)過程中，為電容器的容量，耐壓和阻抗留出一定的余量，以使程序更加安全可靠。

6.確保使用的溫度范圍在電容器的工作溫度范圍內(nèi)。電源電流不超過允許的紋波電流，否則電容器內(nèi)部的熱量會(huì)增加并降低使用壽命。

7.電容器施加的電壓建議為額定電壓的90%。如果額定電壓大于10V，則施加額定電壓的80%;如果直流電壓加上交流電壓，則峰值電壓不能超過額定電壓;如果直流電壓加上負(fù)峰值交流電壓，則不允許出現(xiàn)負(fù)電壓。

V 鉭電容器設(shè)計(jì)的改進(jìn)

制造商提供廣泛的鉭電容器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品針對(duì)特定特性進(jìn)行了優(yōu)化，并針對(duì)不同的應(yīng)用和細(xì)分市場(chǎng)。這些不同的產(chǎn)品系列提供優(yōu)化，包括更低的 ESR（等效串聯(lián)電阻）、更小的尺寸、更高的可靠性（用于軍事、汽車和醫(yī)療應(yīng)用）、更小的直流漏電流、更低的 ESL（等效串聯(lián)電感）和更高的工作溫度。以下重點(diǎn)介紹其中兩個(gè)方面：更低的 ESR 和更小的尺寸。

1. 低ESR鉭電容器

降低ESR一直是鉭電容器設(shè)計(jì)的重要研究領(lǐng)域之一。鉭粉的選擇和生產(chǎn)過程中用于涂覆陰極材料的工藝對(duì)ESR有重大影響。然而，對(duì)于給定的額定值（電容、電壓、尺寸），這些因素主要是設(shè)計(jì)約束，在當(dāng)今最先進(jìn)的器件上基本得到解決。降低ESR的兩個(gè)最重要的因素是用導(dǎo)電聚合物代替MnO2作為正極材料，以及引線框架材料從鐵鎳合金變?yōu)殂~（Cu）。

圖7.ESR測(cè)量的簡(jiǎn)單模型

（1） 二氧化錳正極材料

傳統(tǒng)鉭電容器的ESR主要來源于正極材料MnO2。如圖8所示，MnO2的電導(dǎo)率約為0.1S/cm。相比之下，導(dǎo)電聚合物（如聚3，4-乙烯二氧噻吩）的電導(dǎo)率在100S/cm的范圍內(nèi)。電導(dǎo)率的這種增加直接導(dǎo)致ESR的顯著降低。

圖8.不同材料的電導(dǎo)率

在圖9中，不同額定值下的ESR頻率曲線顯示了使用聚合物陰極系統(tǒng)制造鉭電容器的優(yōu)勢(shì)。通過直接比較MnO2中A外殼的ESR頻率曲線和額定值為6.3 V / 47 μF的聚合物設(shè)計(jì)，可以看出聚合物設(shè)計(jì)在100 kHz時(shí)將ESR降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖9.不同額定值下的ESR頻率曲線

（2） 銅引線框架材料

當(dāng)我們使用導(dǎo)電性較多材料的引線框架材料時(shí)，ESR可以得到改善。如圖10中的電容橫截面所示，引線框架提供內(nèi)部電容元件和封裝外部的電氣連接。

圖 10.電容器橫截面

鐵鎳合金（如合金42）一直是引線框架材料的傳統(tǒng)選擇。這些合金的優(yōu)點(diǎn)包括低熱膨脹系數(shù) （CTE）， 低成本， 和易于制造。銅引線框架材料加工的改進(jìn)使其能夠用于鉭電容器設(shè)計(jì)。由于電導(dǎo)率是合金42的100倍，因此銅的使用對(duì)ESR有重大影響。例如，Vishay 的 100μF / 6.3V T55 聚合物鉭電容器帶有外殼 （EIA 3216） 和傳統(tǒng)引線框架，在 100kHz、25° C 時(shí)可提供 70mΩ 的最大 ESR。但是，通過將傳統(tǒng)的引線框架改為銅引線框架，可以將最大ESR降低到40mΩ。

2. 緊湊型鉭電容器

提高鉭電容器設(shè)計(jì)的體積效率（電容密度）的兩個(gè)主要因素是鉭粉的發(fā)展和封裝的改進(jìn)。

（1）鉭粉的開發(fā)

電容器設(shè)計(jì)中使用的鉭粉的品質(zhì)因數(shù)為：（電容電壓）/質(zhì)量，簡(jiǎn)稱CV/g。大規(guī)模生產(chǎn)中使用的鉭粉的演變?nèi)鐖D11所示。CV / g的這些增加與更小的粒徑和更高的粉末純度有關(guān)。在電容器設(shè)計(jì)中使用這些材料是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，需要大量的研發(fā)投資。

圖 11.開發(fā)用于批量生產(chǎn)的鉭粉

（2） 包裝的改進(jìn)

減小鉭電容器尺寸的另一個(gè)重要因素是超高效封裝技術(shù)的發(fā)展。業(yè)界最常用的封裝技術(shù)是引線框架設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)具有非常高的制造效率，可以降低成本并提高生產(chǎn)率。對(duì)于不受空間限制的應(yīng)用，這些設(shè)備仍然是可行的解決方案。

然而，在許多主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是增加密度的電子系統(tǒng)中，減小元件尺寸的能力是一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。在這方面，制造商在包裝技術(shù)方面取得了一些進(jìn)步。如圖12所示，與標(biāo)準(zhǔn)引腳框架結(jié)構(gòu)相比，無引腳框架設(shè)計(jì)可以提高體積效率。在我們減小外部連接所需的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸后，這些器件可以利用這一額外的可用空間來增加容量電池的尺寸，從而增加電容或電壓。

圖 12.不同包裝技術(shù)的體積效率

在最新一代封裝技術(shù)中，Vishay 獲得專利的多陣列封裝 （MAP） 結(jié)構(gòu)通過在封裝末端使用金屬化層提供外部連接，進(jìn)一步提高了體積效率。這種結(jié)構(gòu)通過完全消除內(nèi)部陽極連接，最大限度地提高了可用體積內(nèi)電容元件的尺寸。圖13進(jìn)一步說明了容積效率的提高?？梢郧宄乜吹剑娙菰捏w積增加了60%以上，這使得它們能夠用于優(yōu)化器件，以增加電容和電壓，降低DCL，并提高可靠性。

圖 13.Vishay 獲得專利的多陣列封裝結(jié)構(gòu)

Vishay MAP架構(gòu)的另一個(gè)好處是減少了ESL。MAP結(jié)構(gòu)通過消除環(huán)路封裝的機(jī)械引線框架，可以顯著減小現(xiàn)有電流環(huán)路的尺寸。通過最小化電流環(huán)路，可以顯著降低ESL。如圖14所示，與標(biāo)準(zhǔn)引腳框架結(jié)構(gòu)相比，這種減少幅度可高達(dá)30%。ESL的降低對(duì)應(yīng)于自諧振頻率的增加，這可以擴(kuò)大電容器的工作頻率范圍。

圖 14.Vishay MAP結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)引線框架結(jié)構(gòu)相比的性能

鉭電容器技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了更低的 ESR、更低的 ESL 和更小的尺寸。導(dǎo)電聚合物陰極系統(tǒng)中使用的工藝和材料的成熟為我們帶來了穩(wěn)定和可重復(fù)的性能。封裝技術(shù)的改進(jìn)帶來了更高的電容密度和更低的ESL。所有這些使得鉭電容器不再局限于傳統(tǒng)用途，而是用于更多的設(shè)計(jì)。

所有這些改進(jìn)使設(shè)計(jì)工程師能夠以低寄生效應(yīng)和更高的封裝密度顯著提高電氣性能。

六、鉭電容器失效、爆炸、燒壞和損壞的原因

許多客戶經(jīng)常討論鉭電容爆炸的問題，鉭電容器的燃燒或爆炸是研發(fā)技術(shù)人員最難解決的問題，特別是在開關(guān)電源、LED電源等行業(yè)。由于鉭電容器失效模式的危險(xiǎn)，許多研發(fā)技術(shù)人員不敢再使用它們了。

事實(shí)上，如果我們能充分了解鉭電容器的特性并找出故障原因（以燒毀或爆炸的形式），鉭電容器就沒有那么可怕了。畢竟，鉭電容器的好處是顯而易見的。

鉭電容器失效的原因可分為兩類：鉭電容器的質(zhì)量和電路設(shè)計(jì)問題。這次我們將分析電路設(shè)計(jì)問題。

電路設(shè)計(jì)和產(chǎn)品選擇要求鉭電容器的性能和參數(shù)滿足電路信號(hào)的特性。但是，我們通常不能保證上述兩項(xiàng)任務(wù)都做好。因此，在使用過程中難免會(huì)出現(xiàn)故障問題，簡(jiǎn)單總結(jié)如下：

1. 低阻抗電路中的過電壓

只有兩種類型的電路使用鉭電容器：由電阻保護(hù)的電路和沒有電阻保護(hù)的低阻抗電路。

對(duì)于帶電阻的電路，由于電阻會(huì)降低電壓并抑制大電流，因此工作電壓可以達(dá)到鉭電容器額定電壓的60%。

有兩種類型的電路沒有電阻器進(jìn)行保護(hù)：

（1）前電平輸入經(jīng)過整流濾波，輸出穩(wěn)定的充放電電路。在這種類型的電路中，電容器用作放電電源。由于輸入?yún)?shù)穩(wěn)定，沒有浪涌，即使是低阻抗電路，電壓仍然可以達(dá)到額定電壓的50%，可以保證相當(dāng)?shù)目煽啃浴?/p>

圖 15.充放電電路原理圖

（2）電子機(jī)器的電源。電容器在此類電路中并聯(lián)使用。除了要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波外，放電還要求在一定的頻率和功率下。由于是電源電路，因此此類電路的環(huán)路阻抗非常低，以確保電源的輸出功率密度足夠。

圖 16.電源電路中的兩個(gè)電容器并聯(lián)

在這種類型的開關(guān)電源電路（也稱為DC-DC電路）中，在上電和斷電的每個(gè)瞬間，電路中都會(huì)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間小于1微秒的高強(qiáng)度尖峰脈沖。脈沖電壓值至少可以達(dá)到穩(wěn)定輸入值的三倍，電流可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的十倍以上。由于持續(xù)時(shí)間極短，單位時(shí)間的能量密度非常高。如果電容器的工作電壓過高，此時(shí)實(shí)際施加到產(chǎn)品的脈沖電壓將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過產(chǎn)品的額定值，電容器將被擊穿。

因此，此類電路中使用的鉭電解電容器的允許工作電壓不能超過額定值的1/3。如果不考慮電路阻抗的類型，將電壓降低50%，一旦通電，電路阻抗最低的DC-DC電路就可能發(fā)生短路或爆炸。要找出此類電路中使用的電容器應(yīng)該減去多少，必須考慮電路阻抗的大小和輸入輸出功率的大小以及電路中的交流紋波，因?yàn)殡娐纷杩箍梢詻Q定開關(guān)瞬時(shí)浪涌的大小。內(nèi)阻越低，電路的降額值就越大。降額的幅度不能一概而論，而應(yīng)通過精確的可靠性計(jì)算來確定。

2. 電路峰值輸出電流大

鉭電容器在工作期間可以安全承受的最大直流電流沖擊I與產(chǎn)品的等效串聯(lián)電阻ESR和額定電壓UR具有以下數(shù)學(xué)關(guān)系：

I = UR / 1 + ESR。

如果在峰值輸出電流較大的電路中使用低容量鉭電容器，則可能會(huì)因電流過載而燒毀本產(chǎn)品。

圖 17.設(shè)備打開時(shí)的穩(wěn)態(tài)、浪涌和峰值電流

3. 電路中的高ESR和交流紋波

在交流紋波過高的濾波電路中使用ESR過高的鉭電容器時(shí)，即使使用的電壓遠(yuǎn)低于降額范圍，有時(shí)在通電的那一刻仍然會(huì)發(fā)生突然擊穿。造成這種問題的主要原因是電容器的ESR和電路中的交流紋波嚴(yán)重不匹配。電容器是交流紋波通過時(shí)會(huì)發(fā)熱的極性元件，不同外殼尺寸的產(chǎn)品可以保持不同允許的熱平衡發(fā)熱。由于不同容量產(chǎn)品的ESR值差異很大，因此不同規(guī)格的鉭電容器可以安全承受的交流紋波值也有很大差異。因此，如果電路中的交流紋波超過電容器可以安全承受的交流紋波值，則會(huì)導(dǎo)致熱擊穿。同樣，如果電路中的交流紋波是恒定的，并且所選鉭電容器的實(shí)際ESR值過高，也會(huì)出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。

一般來說，在濾波和大功率充放電電路中，必須使用ESR值盡可能低的鉭電容器。對(duì)于電路中高交流紋波引起的電路故障，許多電路設(shè)計(jì)人員忽略了它的危害性或?qū)λ鼪]有足夠的了解，他們中的許多人只是簡(jiǎn)單地確定電容器的質(zhì)量存在問題。

4.漏電流大導(dǎo)致實(shí)際耐壓不足

出現(xiàn)此問題通常是因?yàn)殂g電容器的實(shí)際耐壓不夠。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)電容器施加一定的場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，如果介電層的絕緣電阻較低，此時(shí)產(chǎn)品的實(shí)際漏電流會(huì)很大。對(duì)于電流較大的產(chǎn)品，實(shí)際耐壓會(huì)降低。

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圖 18.電路中漏電流的流動(dòng)

造成這個(gè)問題的另一個(gè)原因是鉭電容器的漏電流標(biāo)準(zhǔn)過于寬松，這導(dǎo)致一些不具備鉭電解電容器生產(chǎn)能力的公司生產(chǎn)劣質(zhì)鉭電容器。如果產(chǎn)品在室溫下的漏電流過大，其漏電流在較高溫度下會(huì)呈指數(shù)級(jí)增加，因此高溫下的實(shí)際耐壓會(huì)大大降低。當(dāng)溫度高時(shí)，很容易發(fā)生擊穿。

高溫下漏電流的微小變化是所有電容器制造商最重要的目標(biāo)之一。因此，該指標(biāo)對(duì)可靠性具有決定性影響。

如果您選擇使用的鉭電容器的漏電流太大，它實(shí)際上是廢物，因此不可避免地會(huì)出現(xiàn)問題。

5. 生產(chǎn)工藝因素

許多用戶往往只關(guān)注鉭電容器性能的選擇和設(shè)計(jì)，而忽略了片狀鉭電容器安裝和使用時(shí)容易出現(xiàn)的問題，例如：

（1）采用自動(dòng)安裝代替手工焊接。不預(yù)熱產(chǎn)品，使用溫度高于300度的電烙鐵長(zhǎng)時(shí)間加熱電容器，導(dǎo)致電容器的性能受到過度溫度沖擊的影響而擊穿。

（2）如果預(yù)熱臺(tái)未加熱手工焊接，則在發(fā)生冷焊和虛擬焊接時(shí)用烙鐵反復(fù)加熱產(chǎn)品。

（3）烙鐵頭溫度達(dá)到500度。這樣可以快速焊接，但很容易導(dǎo)致芯片組件的故障。

片式鉭電容在實(shí)際使用中的可靠性實(shí)際上可以通過計(jì)算得到，而我們的許多用戶在使用過程中設(shè)計(jì)裕量不足，魯棒性很差。雖然這些鉭電容器通過了小批量實(shí)驗(yàn)，但在批量生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)一致性和質(zhì)量問題。此時(shí)，問題的原因往往歸咎于電容器制造商，而忽略了設(shè)計(jì)可靠性。

對(duì)于許多用戶來說，MTBF（平均故障間隔時(shí)間）仍然是一個(gè)奇怪的概念。他們對(duì)可靠性工程沒有深入的了解，過于注重實(shí)驗(yàn)而忽略了數(shù)學(xué)計(jì)算。結(jié)果，子電路設(shè)計(jì)的可靠性低于整機(jī)的可靠性。因此，在大規(guī)模生產(chǎn)中不斷出現(xiàn)問題。事實(shí)上，使用鉭電容器時(shí)容易導(dǎo)致故障的原因和現(xiàn)象很多，無法一一討論。如果在使用過程中出現(xiàn)新的問題，您可以及時(shí)與我們溝通。
審核編輯：陳陳