鋁電解電容基礎(chǔ)介紹

“ 本篇介紹鋁電解電容，分三小節(jié)介紹 ：第一小節(jié)簡單介紹鋁電容的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)加工工藝流程；第二小節(jié)為鋁電容主要性能參數(shù)的變化特點(diǎn)，涉及到如何應(yīng)用等方面；第三小節(jié)介紹鋁電容使用中的物理可靠性問 題需要關(guān)注的地方。”

太長不看版：

1）鋁電容的阻抗頻率幅度曲線，在低頻由1/ ωC 確定，由于電解電容容量可以做得比較大，因此 鋁電容廣泛應(yīng)用于低頻濾波場合；在數(shù)十千赫到數(shù)百千赫下，則由ESR確定，由于鋁電解電容 的ESR較大，其阻抗頻率幅度特性曲線一般為U形，而不像瓷片電容由于ESR小，在諧振頻率點(diǎn)處會有一個明顯的下尖而呈現(xiàn)的V形；而在兆赫下，由ω ? L 確定，普通的鋁電容其ESL是較大的，這大大限制了在高頻下的應(yīng)用。因此ESR值較高和ESL較大限制了鋁電解電容在高頻場合下的應(yīng)用。

2）鋁電解電容作為濾波使用時，其容量不宜選取較小，一方面容量過小，其高溫下壽命較短；另外，電解電容的大容量特性沒有發(fā)揮出來；從與其他電容特性比較，注意溫度、頻率對電容 容量的影響，以及所使用場合的工作電壓、安裝工藝要求等來選擇，但作為濾波使用的話，其容量要求不嚴(yán)格，盡量要求大，這樣可以減小ESR。由于ESL較大的限制以及容量上的考慮， 鋁電容的使用頻率上限不可能很高，一般認(rèn)為在200kHz以上就不宜使用了。目前大多數(shù)電源模 塊開關(guān)頻率都在幾百kHz以上，因此，鋁電容不適宜用于高頻開關(guān)電源的輸出濾波使用。

3）鋁電容的可靠應(yīng)用主要關(guān)注溫度，但從實(shí)際應(yīng)用情況看，揮發(fā)干涸只是對在高溫場合下運(yùn)行的小體積（小容量）鋁電容（電解液少）有影響（在大于75℃的高溫場合，應(yīng)盡量少用小尺寸 的鋁電解電容），而對于一般的大容量鋁電解電容，在大多數(shù)應(yīng)用場合下（除了ESR。紋波電 流過大造成溫升過高，或環(huán)境溫度過高），在10～20年的時間內(nèi)都不會發(fā)生干涸失效。

除了少數(shù)的固體鋁電解電容外，通常所說的鋁電容是在高純鋁箔經(jīng)過電化學(xué)擴(kuò)面刻蝕和陽極氧化形成電介質(zhì)絕緣層后制成的液體電解質(zhì)電容器，其絕緣介質(zhì)厚度為幾百埃到幾千埃（埃- 10^(-10)m），是目前大量應(yīng)用電容中容量和工作電壓做得最高的極性電容器。一般認(rèn)為鋁電容的可靠性不高 ，如低溫性能不好、ESR較大、不適合于中高頻場合、容易干涸造成使用壽命有限、難以片狀化、插裝引腳積累灰塵帶靜電并造成短路等等，但隨著工藝水平的提高，在某些特定應(yīng)用場合下，使用鋁電解電容在性能上可以滿足要求，而且成本和可靠性方面上還要優(yōu)于其它電容，如在承受大的上電 沖擊電流的低阻抗電路中，鋁電容比鉭電容要可靠。

01

鋁電解電容的結(jié)構(gòu)和主要加工環(huán)節(jié)

通常所指的鋁電容都是指由一個鋁箔卷繞結(jié)構(gòu)的芯子，浸漬了液態(tài)電解質(zhì)（注意區(qū)分電介質(zhì)和電解質(zhì)），引出兩個端極并包封在密封金屬外殼里。其結(jié)構(gòu)由一個陽極箔，浸透電解質(zhì)的分隔紙和陰極箔層疊卷成，箔通常是高純度的鋁箔， 為了增加與電解質(zhì)接觸的表面積，在光滑的鋁箔表面上用腐蝕方法刻蝕了許多微小的條狀溝道。表面看來容量似乎是由兩個箔極之間決定的，實(shí)際上容量是由陽極箔與電解質(zhì)之間來決定的，正極平面層是陽極箔；電介質(zhì)是陽極箔表面上絕緣的鋁氧化膜；真正的負(fù)極平面應(yīng)是導(dǎo)電的液態(tài)電解質(zhì)， 而陰極箔僅僅是起到連接電解質(zhì)和端頭引線的作用。圖1為一個鋁電容的典型結(jié)構(gòu)圖：

圖1.鋁電容的典型結(jié)構(gòu)圖

鋁電容生產(chǎn)的主要加工環(huán)節(jié)：

a. 刻蝕

陽極和陰極箔通常為高純度的薄鋁箔（0.02～0.1mm厚），為了增加容量，需要增大箔的有效表面積，利用腐蝕的辦法對與電解質(zhì)接觸的鋁箔表面進(jìn)行刻蝕（成千上萬微小條狀）。對于低壓電容，表面面積可以通過刻蝕增大100倍，對高壓則一般為20～25倍，即高壓電容比低壓電容的腐蝕系數(shù)要小，這是由于高壓的氧化膜較厚，部分掩蓋了腐蝕后的微觀起伏，降低了有效表面積的緣故。

b.形成

陽極箔表面附著電容的電介質(zhì)，這個電介質(zhì)是一層薄薄的鋁氧化物（Al2O3）， 它是通過電化 學(xué)方法在陽極箔表面通過“形成Forming”的工藝過程生成。氧化鋁的厚度與形成電壓有關(guān)（1.4～ 1.5nm/V），通常形成電壓與工作電壓有一個比例系數(shù)，鋁電容的比例系數(shù)較小，為1.2～2（固體鉭電容為3～5），因此，如果有一個450V額定電壓的鋁電容，若比例系數(shù)為1.4，則形成電壓為450× 1.4＝600V，這樣其氧化膜的厚度大概為1.5nm×600 = 900nm，這個厚度不到人頭發(fā)直徑的百分之一。形成工藝減小了箔的有效表面積。因?yàn)槲顪系罆谎趸锔采w，溝道刻蝕類型可以通過選擇箔和刻蝕過程來調(diào)整 。這樣，低壓陽極有精細(xì)的溝道類型和薄的氧化物，而高壓陽極有粗糙的溝道類型和厚的氧化膜，陰極箔不用進(jìn)行形成，所以它還保持大的表面面積和深度刻蝕樣貌。

c. 切片

鋁箔以一卷成40～50cm寬的條狀，在經(jīng)過刻蝕和形成工藝后，再根據(jù)最終電容高度規(guī)格要求切成所需的寬度。

d. 芯包卷繞

鋁箔切片后，在卷繞機(jī)上按一層隔離紙、陽極箔、另一層隔離紙、陰極箔合成并卷繞成柱狀芯子結(jié)構(gòu)，并在外面在卷上一個帶狀的壓敏條來防止芯子散開。分隔紙作為陽極箔和陰極箔之間的襯墊層，既可以用以防止兩電極箔接觸而短路，同時作為吸附和蓄存液態(tài)工作電解質(zhì)的載體。在芯包卷繞前或卷繞過程中，鋁墊引出片鉚接到兩個電極箔上，以方便后面引出到電容的端 極 。最好的鉚接方法是采用微處理器控制定位的冷壓焊接，以保證這過程中芯子的寄生電感小于 2nH，較古老的鉚接方法是通過穿透鋁箔，折疊起來的方式，冷壓焊接降低了短路失效的可能性， 而且在高紋波電流應(yīng)用下有較好的特性，而舊的鉚接方式在充放電應(yīng)用場合下常會使個別連接點(diǎn)斷裂失效。

e. 連接引出端

鋁墊引出片的擴(kuò)展就是電容的引出端極。對于軸向引線結(jié)構(gòu)的電容，陰極墊在密封前與金屬外殼焊接在一起。

f. 注入液態(tài)電解質(zhì)

在芯子里注滿了工作電解液讓分隔紙充分吸收并滲透至毛細(xì)的刻蝕管道中。注入過程是將芯子浸漬在電解液中并進(jìn)行加熱（或不加熱）的真空－強(qiáng)壓循環(huán)處理，對于小容量電容，僅僅只是浸漬吸收就可以。電解液由不同化學(xué)成分混合而成，根據(jù)不同的電壓和應(yīng)用環(huán)境溫度范圍，其組成成分也不同。水在電解液成分中占據(jù)一個主要角色，它增加了電解液可導(dǎo)性從而減小了電容的ESR，但同時降低了沸點(diǎn)影響了在高溫下的性能，降低了貯藏時間。當(dāng)漏電流流過，水分子分解成氫氣和氧 氣，氧氣在漏電流處與陽極箔金屬生成新的氧化膜（自愈），氫氣則通過電容的橡膠塞逸出。因此 為了維持氧化膜的自愈特性，是需要有一定比例成分的水。

g. 密封

電容芯子密封在金屬外殼罐里，大多數(shù)金屬外殼為鋁。為了釋放產(chǎn)生的氫氣，并不是絕對的密封，當(dāng)內(nèi)外壓力差值超過某一值時，氫氣可單向透過橡膠逸出，消除爆破的危險。總的來說，封得太密，會導(dǎo)致過強(qiáng)的壓力，太松，則會使電解液揮發(fā)干涸失效。

h.老化

老化是電容生產(chǎn)的最后一步，在這個過程中，會施加一個大于額定電壓但小于形成電壓的直流電壓，一般會在電容的額定溫度下進(jìn)行（也可能在其它溫度甚至室溫下），這個過程可以修復(fù)氧化膜的缺陷，老化是篩選早期失效的電容的一個很好手段，低的初始漏電流是有效老化的一個標(biāo)志。

02

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影響鋁電解濾波效果的模型參數(shù)

由于寄生參數(shù)和電容材料結(jié)構(gòu)自身因素，實(shí)際電容器的等效電路可以用下面圖的RLC串聯(lián)圖 來表示：

圖2.電容等效電路圖及鋁電解電容典型阻抗幅度特性

對于鋁電容的阻抗頻率幅度曲線，在低頻由 1/ωC 確定，由于電解電容容量可以做得比較大，因此鋁電容廣泛應(yīng)用于低頻濾波場合；在數(shù)十千赫到數(shù)百千赫下，則由ESR確定，由于鋁電解電容的ESR 較大，其阻抗頻率幅度特性曲線一般為U形，而不像瓷片電容由于ESR小，在諧振頻率點(diǎn)處會有一 個明顯的下尖而呈現(xiàn)的V形；而在兆赫下，由ω ? L 確定，普通的鋁電容其ESL是較大的，這大大限制了在高頻下的應(yīng)用。因此ESR值較高和ESL較大限制了鋁電解電容在高頻場合下的應(yīng)用。

下面針對鋁電容等效電路里的各項(xiàng)參數(shù)（C、ESR和ESL）來分析頻率阻抗特性，從而了解其在電源濾波電路中的應(yīng)用。

2.1 電容量

容量是選擇應(yīng)用電容首要考慮的第一個因素。目前，鋁電解電容的電容量范圍業(yè)界可做到 0.1uF～3F ，工作電壓從5V～500V。電容每一量級一般分6 個數(shù)值：1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8 。

用于濾波場合時，從阻抗角度看（ Z ＝1/ ωc ），電容容量越大，阻抗越小，因此容量越大濾波效果越好；但由于電容的非理想性，其自身構(gòu)造帶來的寄生參數(shù)限制，使得應(yīng)用頻率 一般不應(yīng)超過自身諧振頻率點(diǎn)；諧振頻率點(diǎn) ，不僅與ESL有關(guān)，還與電容C有關(guān)，從鋁電容的ESL和C的分布范圍，可以推算諧振頻率從11kHz（Lmax＝30nH；Cmax＝6.8mF）到2.5MHz（Lmin ＝10nH；Cmin＝0.47uF ），實(shí)際上從上面的阻抗幅度頻率特性圖看到，由于鋁電容的ESR比較大， 呈現(xiàn)“U“型特性，這樣并不能很好的定位那一點(diǎn)是諧振頻率，實(shí)際應(yīng)用時，這一平坦的區(qū)域同樣有助于濾波（當(dāng)然前提是小于目標(biāo)阻抗），因此完全按照諧振頻率點(diǎn)來進(jìn)行限制是不妥當(dāng)?shù)?；諧振點(diǎn)可作為一個參考，實(shí)際應(yīng)用的截止頻率肯定要比該點(diǎn)高（一般不超過幾百kHz，由ESR/ESL和目 標(biāo)阻抗共同決定）。濾波應(yīng)用時，小容量鋁電容（<10uF電容）不具有優(yōu)勢，寄生參數(shù)大，而且容量小，在高溫時壽命短，主要還是大容量的電解電容應(yīng)用于低頻的濾波場合。

電容量隨著溫度變化而變化：通常，從25℃到高溫極限，容量增加不超過10%；對于－40℃極限的電容，在－40℃時，低壓電容的容量會下降20％，高壓電容則下降有40％之多；在－20℃到－ 40℃溫度區(qū)間時，容量下降最快；對于－55℃極限的電容，在－40℃時，下降通常不超過10％；在 －55℃時，不超過20％。 

    由于ESR、ESL寄生參數(shù)影響，鋁電容的電容量隨著頻率的升高而減小。

2.2 RSR值

通用鋁電解電容，其ESR值一般在幾十毫歐～2.5 歐(100kHz/25℃）。從業(yè)界資料上了解到通用鋁電解電容的ESR范圍在10m?～10Ω。對于Low ESR鋁電解電容，其ESR值在手冊中有給出，一般 幾十m?（100kHz/20℃）。

鋁電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)及與ESR的關(guān)系分析如下，ESR值由三個部分所組成：

1） 氧化膜介質(zhì)損耗所代表的等效串聯(lián)電阻（r介）

2 ) 電解質(zhì)所代表的等效串聯(lián)電阻（r解）

3） 板極歐姆電阻、導(dǎo)電層的歐姆電阻，以及其間的接觸電阻（r金 ）

ESR＝r 介 ＋r 解 ＋r 金=tgδ/wc,  這里的 tgδ ，即電容器的損耗角正切值或損耗因子(Dissipation Factor)DF，定義為DF＝ tgδ ＝ω ?C? ESR 。電解電容用于脈動電路時，衡量其交流特性的參數(shù)指標(biāo)用電容量及 tgδ ，有時則用阻抗和ESR，一般來說，廠家喜歡用 tgδ 指標(biāo)，因?yàn)槠浔阌诳己?a  target="_blank">產(chǎn)品 的質(zhì)量；而對于應(yīng)用來說，ESR則更為容易理解。如果工藝上不出差錯而且工作頻率較低時，r金是 可以忽略掉的（當(dāng)工作頻率較高時，出現(xiàn)趨膚效應(yīng)，這時r金影響就較大）；另外，氧化膜介質(zhì)的 tgδ 介值在電解電容器的工作頻率范圍內(nèi)，可近似地認(rèn)為是一個常值，與頻率無關(guān)，所以最后可以簡化為 tgδ = tgδ 介 ＋ω ?C?r解

     r解又叫做浸漬紙電阻，指以易浸潤的分隔紙（襯墊紙）或其它多孔性纖維材料浸透了工作電解液后的電阻，有時也稱為襯墊物電阻，r解＝ 2A d ? ? ρ ? ，? －襯墊材料的滲透系數(shù)，與其多孔性結(jié)構(gòu)有關(guān)；ρ －電解液的電阻率（Ω ? cm ）；d－襯墊材料的厚度（cm）；A－陽極箔的外觀幾何尺寸表面積（非襯墊材料的 2 cm ）；A乘以2是因?yàn)椴膬擅婢鹱饔?。減小 ρ 可以減小r解，但不能過分 追求減小 ρ ，因?yàn)?ρ 太小會帶來可靠性問題；而且 ρ 隨溫度增加而減小，在高溫下如85℃時，這時差別也不大。

a） 電容容值和額定電壓值

一般ESR與容值和額定電壓成反比，如相同額定電壓，容量越大，ESR越??；相同容量，額定電壓越高，ESR越小。這主要是通過r解與A的成反比關(guān)系來確定的，當(dāng)容量增大、額定電壓增高時， 相應(yīng)的鋁箔尺寸面積也要增大，所以r解減小，由此可以理解相同系列，相同耐壓，同一尺寸，同一 量級范圍內(nèi)的電容其ESR差別是不大的（因?yàn)锳變化不大）。

b） 尺寸大小

在同一尺寸面積下，ESR與鋁箔尺寸呈線性關(guān)系(Ω/inch),鋁箔越長（即直徑越大），ESR越大；鋁箔越寬（即電容越高），ESR越小。這主要是通過對r介的影響導(dǎo)致的。一般徑向的鋁電解電容給 出的規(guī)格尺寸是以ΦD× H 的方式表示，其中D表示鋁箔卷起后的直徑，也就表示了其長度；H為電 容的高度，即鋁箔的寬度。對于軸向電解電容，也是以ΦD× H 的方式表示，但要根據(jù)其內(nèi)部引出線的方式來決定。

c） 頻率和溫度

ESR值在低頻段時隨著f 的增大而減小，并最終趨于一個較穩(wěn)定的值；ESR值隨著溫度的變化而變化，一般從25℃到高溫極限，ESR會下降大約35％～50％；而從25℃到低溫極限，ESR會增大 10到100倍。從圖3可以形象的看到ESR隨頻率和溫度變化而變化的趨勢和比例。

圖3. 鋁電容的ESR隨溫度和頻率變化

用液體電解質(zhì)（或凝膠電解質(zhì)）r解與溫度的關(guān)系是顯而易見的（電解液的電阻率 ρ 隨溫度變 化）；而由前面 tgδ = tgδ 介 ＋ω ?C?r解 及 tgδ ＝ω ?C? ESR ，也可以知道ESR= tgδ 介 ωC＋r解 , 而 tgδ 介 值在轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)以下可近似地認(rèn)為是一個常值，所以在低頻段時，頻率增大ESR減小，到轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)后，ESR就趨向于一個穩(wěn)定的值；該轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)與容量成反比，一般在10kHz以下。由 于大容量鋁電解電容的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)低，所以其ESR隨頻率變化的特性不明顯，特性曲線較為平坦。ESR由于聯(lián)系到電容的結(jié)構(gòu)和工藝，實(shí)際上就是考查了形成鋁箔的質(zhì)量、電解液配方的合適度、刺鉚引出條的位置和鉚接質(zhì)量，以及減少電容器芯子的自感的措施是否適當(dāng)?shù)壬a(chǎn)措施。隨之也就相 應(yīng)引出了合適的脈動電路用的紋波電流和工作頻率上限范圍。廠家主要通過 tgδ 來考察其ESR指 標(biāo)。ESR的應(yīng)用影響主要是紋波電流流過產(chǎn)生的損耗發(fā)熱及壓降影響（紋波電壓），見下面可靠應(yīng) 用關(guān)注點(diǎn)分析。

2.3 ESL值

鋁電解電容的寄生串聯(lián)電感值ESL，其值較為穩(wěn)定，并不隨頻率和溫度變化，對于通用鋁電解電容，ESL不會超過100nH ,如SMT封裝，其值在2nH8nH范圍內(nèi)；徑向插裝:10nH30nH ;螺旋式 （screw-terminal）：20nH~50nH ;而軸向插裝的結(jié)構(gòu)，其值則可以達(dá)到200nH。

一般，鋁電解電容的ESL有三個部分組成：

1）芯子的電感，主要指極箔的電感，包括接觸用引出箔的電感和多個芯子間的內(nèi)部連接線的 電感；

2）引出線的電感，可以用 或按照20nH/inch（1 inch＝2.54cm）來粗略估算電容引線的電感；

3）金屬外殼的電感，如外殼與芯子的引出端不連接，則外殼對電容器的電感根本無影響；但如利用金屬外殼作為其引出端之一并接地時，將會使電感量加大。

此外，由于電容連接到PCB板上，必要時也需要考慮電容在板上布局的好壞帶來的走線電感（相 對與其自身電感要小得多）。通常，若插裝電解電容兩個引線不是直接連接到電源平面上，而是通過走線過去的話，我們需要考慮這走線的電感，一般按10nH/inch來計算。PCB走線（兩層板）的 電感可以用 ，uo＝4π nH/cm來計算。

當(dāng)鋁電解電容應(yīng)用于脈沖高頻電路時，這時就要考慮ESL的影響：

a） 作為使用頻率上限范圍限制的參考：

一般認(rèn)為，當(dāng)頻率高于電容的自身諧振頻率點(diǎn)時（ ），寄生電感ESL的感抗大于容抗， 電容已不能看作是一個電容使用，因此ESL和電容容值決定了其使用的頻率上限，由于鋁電解電容的容值和ESL均較大，自身諧振頻率點(diǎn)都較低，因此限制了其在高頻場合的使用。從阻抗角度看， 該上限由所需目標(biāo)阻抗和ESR/.ESL來共同決定，一般為幾百kHz。（ESR較大，并不等效于擴(kuò)寬了使用范圍，主要還是由目標(biāo)阻抗決定。如果ESR小，但是目標(biāo)阻抗不需要提供太小阻抗，使用頻率范圍同樣較大，不過在不同頻率效果有所差別而已，但仍然符合要求）。

b） ESL值大，ESR也較大：

為了獲得較大的電容量，相應(yīng)地必須增加陽極箔的使用面積。按一般的卷繞式結(jié)構(gòu)，金屬箔的電感將隨陽極箔的面積增大而增大（如箔的寬度不變，A增大，l必大，L也增大，金屬箔電阻也增 大）。在所有結(jié)構(gòu)中，卷繞式結(jié)構(gòu)電感量最大，ESR最大；而疊箔式特殊結(jié)構(gòu)，不僅L最小，ESR也 最小。

2.4 可靠應(yīng)用關(guān)注點(diǎn)

鋁電解電容的可靠應(yīng)用主要是關(guān)注溫度，因?yàn)殇X電容的電解質(zhì)為液態(tài)，芯子發(fā)熱將導(dǎo)致電解液揮發(fā)，長期下去最終干涸失效。

鋁電容內(nèi)部芯子的溫升主要是由于ESR、Rp電阻的損耗發(fā)熱導(dǎo)致（有些資料將Rp變換看成是 ESR的一部分），相對來說，Rp的損耗遠(yuǎn)小于ESR的損耗，因此可忽略Rp而主要考慮ESR的影響。當(dāng)電容應(yīng)用在脈沖交流電路中時，如工頻的整流平滑濾波、開關(guān)電源輸入輸出濾波等，紋波電流流 經(jīng)ESR產(chǎn)生的損耗發(fā)熱將嚴(yán)重影響了器件的使用壽命，因?yàn)槠骷?nèi)部溫度的上升，工作電解液蒸發(fā) 量增加，使電容容量減小， tgδ 增大，長期下去導(dǎo)致電容干涸失效。因此器件手冊給出的紋波電流 值實(shí)際是由ESR決定的，ESR大，必然允許紋波電流要小。

     一般，電解液損失40％時，容量下降20％；損失90％，容量下降40％，此時，芯子已基本干涸， 不能再使用了。從實(shí)際應(yīng)用情況看，揮發(fā)干涸只是對在高溫場合下運(yùn)行的小體積（小容量，< 10uF） 鋁電容（電解液少）有影響（在大于75℃的高溫場合，應(yīng)盡量少用小尺寸的鋁電解電容），而對于 一般的大容量鋁電解電容，在大多數(shù)應(yīng)用場合下，在10～20年的時間內(nèi)都不會發(fā)生干涸失效（大多 數(shù)應(yīng)用場合指：紋波電流不超過額定值時，芯子溫度不高過環(huán)境溫度5℃；環(huán)境溫度在45℃～55℃， 此外仍需注意高溫及紋波電流過大或ESR過大造成內(nèi)部芯子溫升的情況）。 

     由于鋁電容ESR和ESL都較大，在運(yùn)用不當(dāng)時，將會對電路功能可靠性造成影響，紋波電流流 過ESR和ESL而產(chǎn)生大的紋波電壓。此外，由于鋁電容尺寸較大，在安裝、運(yùn)輸過程中，需要注意 不要碰、擠壓、扎傷電容。