高频低esr片式有机钽电解电容器性能参数和其可靠性问题探究

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1、高频低ESR片式有机钽电解电容器性能参数和其可靠性问题探究【摘要】由于无论民用电子还是军用电子都对用电子元器件的质量、性能和可靠性均有较高的要求，所以对于高频低ESR片式有机钽电解电容器，在整个设计过程中可靠性设计是非常重要的环节。【关键词】钽电解电容器；可靠性；自愈能力；介质氧化膜；电容量；绝缘性能0引言高频低ESR片式有机固体钽电解片式固体电解具有容量大，体积小，且具有自愈能力的特点，在电子设备中占有至关重要的地位，在电源滤波，交流旁路等用途上具有其他类型电容器无可比拟的优势。1高频低ESR片式有机组电解电容器性能参数1.1电容量C由两块相互贴近的金属板且中间夹

2、有电介质构成的最小元件单元就是最基本的电容器。其电容量可以用定用下式表示：C=£SS/d式中：es是介质层的介电常数，在钽电解电容器中就是Ta502的介电常数；S是电极板的有效面积，在组电解电容器中是各微细钽粉颗粒烧结后形成的多空烧结体的内外部表面积之和；d是两电极板间的距离，这里指的就是Ta502层的厚度。所以钽电解电容器的电容量主要决定于电容器的结构尺寸和Ta502层的介电常数，并且介电常数的稳定性决定了钽电容器的稳定性。由于这些数据测量在实际中不好操作，一般，人们采用下式表示容量：C=Q/U式中：Q（单位：库仑C）表示两电极板间带有等量异号的电荷，U（单位：伏

3、特V）表示电极板极间的电位差，电容器的电容量（单位：法拉F）就定义为两者之比C。而现实中一般采用120Hz频率测量容量，且容量一般是PF级。1.2损耗角正切tgS在电场的作用下组电解电容器除了能存储电荷外，会在内部产生一定的电流，且自身也有一定的ESR,所以一定会产生热量。其中一部分发散在空气中；另一部分则会使电容器发热。而这些热量是把电容器储存或传递的一部分电能转变而来的，理论是不允许的。我们通常把损失的这一部分能量称为有功功率P，而存储或传递的能量称为无功功率，显然我们需要的是无功功率Q。同样，我们将有功功率于无功功率之比称为损耗角正切，简称损耗，如下式所示：t

4、g8=P/Q式中：tgS为电容器的损耗角正切，％;P为组电容器的有功功率，W;Q为电容器的无功功率，W。若钽电容器传递能量的效率越差则％越大，而损失的能量P越大发热越严重，显然%是越小越好。说明，钽电容器。接触部分损耗、介质部分损耗、金属部分损耗三部分组成了钽电解电容器的损耗。钽电容器的损耗除了与ESR、漏电流大小有关外，若处于在交变电场（电压极低）作用下，还和与周期性的极化建立过程有关，所以钽电解电容器的损耗角正切值可定义为：tg8=oCR式中：角频率«=2nf,f为电解电容器的工作频率，Hz；C为钽电解电容器有效电容量，法拉F;R为电解电容器的ESR，Q，所以高

5、频下的降低损耗的主要方法就是降低ESR值。现实中一般采用120Hz频率进行测量。1.3漏电流1C对于钽电解电容器，绝缘性能是其最主要的性能标准，一般，采用特定电压特定时间下的漏电流10来表示。可定义为在两电极板间加上规定的直流电压，在规定时间后，流经电容器的漏导电流。显然漏电流越小越好，一是漏电流小，损耗减小，电容器效率提高；而是漏电流过大，电容器内部发热剧烈，可能破坏介质层的绝缘性能，造成击穿短路现象。虽然该漏电流没有准确的计算公式，但是根据行业内部约定俗成认定：漏电流10不能超过下式所示：10彡KCU式中：C为钽电解电容器额定容量，法拉pF;U为测试电压，V;K

6、为漏电流常数，uA/uFV；10为钽电容允许最大漏电流，uA。通常片式有机固体钽电容器漏电流的测试电压为其额定电压的1.2倍，K的取值一般是0.1，但随着技术的发展，K的取值不断减小，KEMET已经将K值减小到0.01。1.4等效串联电阻ESR钽电解电容器在电路中所体现出来电阻值就是等效串联电阻ESR值，它由电容器的结构、各部分之间结合情况以及钽电容器所用的材料决定。而片式有机钽电解电容器是属于烧结型电容器，所以它的ESR可以有三部分组成：（l）Rf:组氧化膜及其界面吸附分子的ESR;（2）分布参数电阻R0:钽阳极体烧结体和钽电容阴极的电阻；（3）Rex：各层材料的

7、固有电阻加上外表面各层次间的的接解电阻。组电容器的等效串联电阻R可用等下式表示：R=Rf+R0+Rex式中：Rf在形成工艺结束后基本是不变的，所以R0和Rex的存在是导致钽电容器ESR在高频时值比较大主要原因，因此降低ESR的主要方法就是减小R0和Rex之值。降低Rex,主要就是要降低钽电解电容器的阴极层的ESR,采用PEDOT层代替原来的二氧化锰层，可将ESR降低一个数量级。降低R0则是要降低钽电容器的阳极烧结体内气孔的形状、分布等参数电阻。2提高可靠性的措施通过对片式有机钽电解电容器的可靠性分析，主要从以下几个方面对片式有机钽电解电容器的可靠性进行设计工作: