背景

鉭電容的使用迄今已接近60年，它以長(zhǎng)期可靠性和容值密度而著稱。鉭電容在軍用和商用航空電子、可植入醫(yī)療電子、筆記本電腦、智能手機(jī)及工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中居于中心地位。

鉭電容受歡迎的主要因素是其體積效率產(chǎn)生的高單位體積容值。容值公式如下：

C=(kA)/d

其中：

C=容值

k=介電常數(shù)

A=表面面積

d=電介質(zhì)厚度

憑借極大的表面面積、高介電常數(shù)和相對(duì)較薄的電介質(zhì)層，鉭電容可在1μF至2,200μF容值范圍內(nèi)和最大50 V外加電壓條件提供最佳的容值密度。

高級(jí)鉭粉和高效率封裝的結(jié)合使鉭電容領(lǐng)先于替代技術(shù)。例如，目前的鉭電容能夠以0402外殼尺寸在4V充電電壓下提供22μF容值。在電壓范圍的另一端，我們可找到采用單個(gè)封裝，在50V充電電壓下提供47μF容值的鉭電容。

傳統(tǒng)鉭電容的陰極系統(tǒng)使用二氧化錳(MnO2)材料。這種半導(dǎo)體材料提供自愈機(jī)制(這可帶來(lái)長(zhǎng)期穩(wěn)定性)且相對(duì)便宜。但其富氧配方在高熱的極端環(huán)境中容易導(dǎo)致起火。自上世紀(jì)90年代中期以來(lái)，導(dǎo)電聚合物技術(shù)趨于成熟，從而與MnO2產(chǎn)品形成互補(bǔ)。由于導(dǎo)電率顯著高于MnO2，導(dǎo)電聚合物可降低ESR。這一進(jìn)展與消除敏感應(yīng)用中的起火危險(xiǎn)相結(jié)合，推動(dòng)了相關(guān)企業(yè)對(duì)這種技術(shù)的投資。

鉭電容設(shè)計(jì)的進(jìn)步

制造商提供種類廣泛的鉭電容產(chǎn)品系列，它們針對(duì)各種具體特征進(jìn)行優(yōu)化，并瞄準(zhǔn)不同的應(yīng)用和細(xì)分市場(chǎng)。這些不同的產(chǎn)品系列提供的優(yōu)化包括更低的ESR、更小的尺寸、高可靠性(面向軍用、汽車和醫(yī)療應(yīng)用)、更小的直流漏電流、更低的ESL和更高的工作溫度。本文側(cè)重其中兩個(gè)領(lǐng)域：更低的ESR和更小的尺寸。

更低的ESR – 為實(shí)現(xiàn)最低ESR而優(yōu)化，這些器件在脈沖或交流應(yīng)用中提供更高的效率，在高噪聲環(huán)境中提供更出色的濾波性能。

更小的尺寸 – 結(jié)合高CV鉭粉的使用和高效率封裝，這些器件以緊湊尺寸提供高容值，適用空間緊張的應(yīng)用，如智能手機(jī)、平板電腦和其他手持式消費(fèi)電子設(shè)備。

低ESR鉭電容

減小ESR一直是鉭電容設(shè)計(jì)的重要研究領(lǐng)域之一。鉭粉的選擇和生產(chǎn)期間涂敷陰極材料時(shí)所用的工藝對(duì)ESR有顯著影響。但是，對(duì)于給定的額定值(容值、電壓、尺寸)，這些因素主要為設(shè)計(jì)約束并在目前的最先進(jìn)器件上得到基本解決。使ESR減小的兩個(gè)最主要因素是：陰極材料用導(dǎo)電聚合物替代MnO2，引線框架材料從鐵鎳合金改為銅(Cu)。

傳統(tǒng)鉭電容的ESR主要源于陰極材料MnO2。如圖1所示，MnO2的導(dǎo)電率約為0.1S/cm。相比之下，導(dǎo)電聚合物(如聚3,4-乙烯二氧噻吩)的導(dǎo)電率在100S/cm范圍內(nèi)。導(dǎo)電率的這一增加直接轉(zhuǎn)換為ESR的顯著減小。

在圖2中，不同額定值下的ESR-頻率曲線顯示了鉭電容器采用聚合物陰極系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)直接比較MnO2和聚合物設(shè)計(jì)在A外殼 6.3 V / 47 μF額定值條件下的ESR-頻率曲線，可以看出在100 kHz頻率下聚合物設(shè)計(jì)使ESR的減小幅度多達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1：不同材料的導(dǎo)電率。

圖2：不同額定值下的ESR-頻率曲線。

引線框架材料是改用導(dǎo)電率更高的材料后可改善ESR的另一個(gè)領(lǐng)域。如圖3中的電容橫截面所示，引線框架提供從內(nèi)部電容器元件到封裝外部的電連接。

圖3：電容橫截面。

鐵鎳合金(如Alloy 42)一直是引線框架材料傳統(tǒng)選擇。這些合金的優(yōu)點(diǎn)包括低熱膨脹系數(shù)(CTE)、低成本和制造中的易用性。銅引線框架材料加工方面的改進(jìn)使其能夠用于鉭電容設(shè)計(jì)。由于導(dǎo)電率是Alloy 42的100倍，銅的使用對(duì)ESR有重要影響。例如，采用A外殼(EIA 3216)和傳統(tǒng)引線框架的Vishay 100μF/6.3V T55聚合物鉭電容在100kHz和25°C條件下提供70mΩ的最大ESR。通過(guò)改為銅引線框架，最大ESR可減小到40mΩ。

緊湊鉭電容

改善鉭電容設(shè)計(jì)體積效率(容值密度)的兩個(gè)主要因素是鉭粉的演變和封裝的改進(jìn)。

電容設(shè)計(jì)中使用的鉭粉的質(zhì)量因數(shù)是：(容值?電壓)/質(zhì)量，簡(jiǎn)寫(xiě)為CV/g。大規(guī)模生產(chǎn)中使用的鉭粉的演變?nèi)鐖D4所示。CV/g的這些增加與更小的顆粒尺寸和粉末純度改善有關(guān)。在電容設(shè)計(jì)中使用這些材料本身就是一個(gè)復(fù)雜的研究領(lǐng)域，需要大量研發(fā)投資。

圖 4：大規(guī)模生產(chǎn)中使用的鉭粉的演變。

使鉭電容設(shè)計(jì)尺寸減小的另一個(gè)重要因素是超高效封裝技術(shù)的發(fā)展。業(yè)內(nèi)使用的最常見(jiàn)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，從而可以降低成本和提高產(chǎn)能。對(duì)于不受制于空間的應(yīng)用，這些器件仍然是可行的解決方案。

圖5：不同封裝技術(shù)的體積效率。

但是，在主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是增加密度的許多電子系統(tǒng)中，能夠減小元件尺寸是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。在此方面，制造商在封裝技術(shù)上已經(jīng)取得了若干進(jìn)展。如圖5所示，與標(biāo)準(zhǔn)引線框架結(jié)構(gòu)相比，無(wú)引線框架設(shè)計(jì)可改善體積效率。通過(guò)減小提供外部連接所需的機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸，這些器件可利用該額外可用空間來(lái)增加電容元件的尺寸，從而增加容值和/或電壓。

在最新一代封裝技術(shù)中，Vishay擁有專利的多陣列封裝(MAP)結(jié)構(gòu)通過(guò)使用位于封裝末端的金屬化層來(lái)提供外部連接使體積效率進(jìn)一步改善。該結(jié)構(gòu)通過(guò)完全消除內(nèi)部陽(yáng)極連接使電容元件尺寸在可用體積范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大化。為進(jìn)一步說(shuō)明體積效率的改善，請(qǐng)看圖6。從圖中可以明顯看出電容元件的體積增加了60%以上。這一增加可用于優(yōu)化器件，以增加容值和/或電壓、減小DCL以及提高可靠性。

圖6：Vishay擁有專利的多陣列封裝結(jié)構(gòu)。

Vishay MAP結(jié)構(gòu)的另一個(gè)好處是減小ESL。MAP結(jié)構(gòu)可通過(guò)消除環(huán)包的機(jī)械引線框架顯著減小既有電流回路的尺寸。通過(guò)使電流回路最小化，可顯著減小ESL。如圖7所示，與標(biāo)準(zhǔn)引線框架結(jié)構(gòu)相比，這一減小可達(dá)到30%之多。ESL的減小對(duì)應(yīng)于自諧振頻率的增加，這可擴(kuò)大電容的工作頻率范圍。

圖7：Vishay的MAP結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)引線框架結(jié)構(gòu)性能對(duì)比。

結(jié)束語(yǔ)

鉭電容技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)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)所用工藝和材料的成熟帶來(lái)了穩(wěn)定、可再現(xiàn)的性能。封裝技術(shù)的改進(jìn)帶來(lái)了更高的容值密度和ESL下降。這一切使鉭電容不再局限于傳統(tǒng)用途而被用于更多的設(shè)計(jì)。

這些改進(jìn)結(jié)合起來(lái)使設(shè)計(jì)工程師能夠在低寄生效應(yīng)和更高封裝密度下獲得極大改善的電氣性能。