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龙8中国唯一官方网站KNSCHA:薄膜电容器 金属膜电容器 金属化的结构和工艺介绍

作者:小编    发布时间:2024-05-12 00:33:31    浏览量:

  根据电容公式,电容量的大小除了与电容的尺寸有关,与电介质的介电常数(Permittivity)有关。电介质的性能影响着电容的性能,不同的介质适用于不同的制造工艺。

  Film Capacitor在国内通常翻译为薄膜电容,但和Thin Film工艺是不一样的。为了区分,个人认为直接翻译为膜电容好点。

  薄膜电容是通过将两片带有金属电极的塑料膜卷绕成一个圆柱形,最后封装成型;由于其介质通常是塑料材料,也称为塑料薄膜电容;其内部结构大致如下图所示:

  金属箔薄膜电容,直接在塑料膜上加一层薄金属箔,通常是铝箔,作为电极;这种工艺较为简单,电极方便引出,可以应用于大电流场合。

  金属化薄膜电容,通过真空沉积(Vacuum Deposited)工艺直接在塑料膜的表面形成一个很薄的金属表面,作为电极;由于电极厚度很薄,可以绕制成更大容量的电容;但由于电极厚度薄,只适用于小电流场合。

  金属化薄膜电容就是具有自我修复的功能,即假如电容内部有击穿损坏点,会在损坏处产生雪崩效应,气化金属在损坏处将形成一个气化集合面,短路消失,损坏点被修复;因此,金属化薄膜电容可靠性非常高,不存在短路失效;

  薄膜电容有两种卷绕方法:有感绕法在卷绕前,引线就已经和内部电极连在一起;无感绕法在绕制后,会采用镀金等工艺,将两个端面的内部电极连成一个面,这样可以获得较小的ESL,应该高频性能较高;此外,还有一种叠层型的无感电容,结构与MLCC类似,性能较好,便于做成SMD封装。

  最早的薄膜电容的介质材料是用纸浸注在油或石蜡中,英国人D斐茨杰拉德于1876年发明的;工作电压很高。现在多用塑料材料,也就是高分子聚合物,根据其介质材料的不同,主要有以下几种:

  应用最多的薄膜电容是聚酯薄膜电容,比较便宜,由于其介电常数较高,尺寸可以做的较小;其次就是聚丙烯薄膜电容。其他材料还有聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等等。

  电解电容是用金属作为阳极(Anode),并在表面形成一层金属氧化膜作为介质;然后湿式或固态的电解质和金属作为阴极(Cathode)。电解电容大都是有极性的,如果阴极侧的金属,也有一层氧化膜,就是无极性的电解电容。

  ·首先,铝箔会通过电蚀刻(Etching)的方式,形成一个非常粗糙的表面,这样增大了电极的表面积,可以增大电容量;

  铝电解电容也有使用二氧化锰、导电高分子聚合物等固态材料做电解质;聚合物铝电解电容的结构大致如下图所示:

  聚合物铝电解电容的ESR较小,容值更稳定,瞬态响应好;由于是固态,抗冲击振动能力比湿式的要好;可以做出较小的SMD封装。当然,湿式的铝电解电容也可以做SMD封装,不过大都是长这样:

  钽(拼音tǎn)电解电容应用最多的应该是利用二氧化锰做固态电解质,主要长这样:

  钽电容与铝电解电容比,在于钽氧化物(五氧化二钽)的介电常数比铝氧化物(三氧化二铝)的高不少,这样相同的体积,钽电容容量要比铝电解电容的要大。钽电容寿命较长,电性能更加稳定。

  钽电容也有利用导电高分子聚合物(Conductive Polymer)做电解质,结构与上图二氧化锰钽电容类似,就是将二氧化锰换成导电聚合物;导电聚合物的电导率比二氧化锰高,这样ESR就会更低。

  另外还有湿式的钽电容,特点就是超大容量、高耐压、低直流漏电流,主要用于军事和航天领域。

  铌电解电容与钽电解电容类似,就是铌及其氧化物代替钽;铌氧化物(五氧化二铌)的介电常数比钽氧化物(五氧化二钽)更高;铌电容的性能更加稳定,可靠性更高。

  AVX有铌电容系列产品,二氧化锰钽电容外观是黄色,而铌电容外观是橙红色,大致长这样:

  陶瓷电容是以陶瓷材料作为介质材料,陶瓷材料有很多种,介电常数、稳定性都有不同,适用于不同的场合。

  瓷片电容的主要优点就是可以耐高压,通常用作安规电容,可以耐250V交流电压。其外观和结构如下图所示:

  多层陶瓷电容,也就是MLCC,片状(Chip)的多层陶瓷电容是目前世界上使用量最大的电容类型,其标准化封装,尺寸小,适用于自动化高密度贴片生产。

  由于多层陶瓷需要烧结瓷化,形成一体化结构,所以引线(Lead)封装的多层陶瓷电容,也叫独石(Monolithic)电容。

  Class I:具有温度补偿特性的陶瓷介质,其介电常数大都较低,不超过200。通常都是顺电性介质(Paraelectric),温度、频率以及偏置电压下,介电常数比较稳定,变化较小。损耗也很低,耗散因数小于0.01。

  由于介电常数低,C0G电容的容值较小,最大可以做到0.1uF,0402封装通常最大只有1000pF。

  Class II,III:其中,温度特性A-S属于Class II,介电常数几千左右。温度特性T-V属于Class III,介电常数最高可以到20000,可以看出Class III的性能更加不稳定。根据IEC的分类,Class II和III都属于第二类,高介电常数介质。像X5R和X7R都是Class II电容,在电源去耦中应用较多,而Y5V属于Class III电容,性能不太稳定,个人觉得现在应用不多了。

  由于Class II和III电容的容值最高可以做到几百uF,但由于高介电常数介质,大都是铁电性介质(Ferroelectric),温度稳定性差。此外,铁电性介质,在直流偏置电压下介电常数会下降。

  在谈谈电感一文中,介绍了铁磁性介质存在磁滞现象,当内部磁场超过一定值时,会发生磁饱和现象,导致磁导率下降;同样的,对于铁电性介质存在电滞现象,当内部电场超过一定值时,会发生电饱和现象,导致介电常数下降。

  因此,当Class II和III电容的直流偏置电压超过一定值时,电容会明显下降,如下图所示:

  Class IV:制作工艺和通常的陶瓷材料不一样,内部陶瓷颗粒都是外面一层很薄的氧化层,而核心是导体。这种类型的电容容量很大,但击穿电压很小。由于此类电容的性能不稳定,损耗高,现在已经基本被淘汰了。

  还有一类超级电容,就是容量特别大,可以替代电池作为供电设备,也可以和电池配合使用。超级电容充电速度快,可以完全地充放电,而且可以充到任何想要的电压,只要不超过额定电压。现在应用也比较多,国内很多城市都有超级电容电动公交车;还有些电子产品上也有应用,例如一些行车记录仪上,可以持续供电几天。

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