最全面專業(yè)的電容器剖析（二）
問：現(xiàn)在我們來了解一下電容的陰極。
答：陰極材料是電容的另一個(gè)極板，陰極也就是電容的電解質(zhì)。電容的陰極目前基本有如下幾種：
1.電解液。電解液是最傳統(tǒng)的電解質(zhì)，電解液是由GAMMA丁內(nèi)酯有機(jī)溶劑加弱酸鹽電容質(zhì)經(jīng)過加熱得到的。我們所見到的普通意義上的鋁電解電容的陰極，都是這種電解液。使用電解液做陰極有不少好處。首先在于液體與介質(zhì)的接觸面積較大，這樣對(duì)提升電容量有幫助。其次是使用電解液制造的電解電容，最高能耐260度的高溫，這樣就可以通過波峰焊(波峰焊是SMT貼片安裝的一道重要工序)，同時(shí)耐壓性也比較強(qiáng)。此外，使用電解液做陰極的電解電容，當(dāng)介質(zhì)被擊穿的后，只要擊穿電流不持續(xù)，那么電容能夠自愈。但電解液也有其不足之處。首先是在高溫環(huán)境下容易揮發(fā)、滲漏，對(duì)壽命和穩(wěn)定性影響很大，在高溫高壓下電解液還有可能瞬間汽化，體積增大引起爆炸(就是我們常說的爆漿);其次是電解液所采用的離子導(dǎo)電法其導(dǎo)電率很低，只有0.01S(電導(dǎo)率，歐姆的倒數(shù))/CM，這造成電容的ESR值(等效串聯(lián)電阻)特別高。
鋁電解液電容爆漿
傳統(tǒng)鋁電解液電容都有防爆槽，這是為了讓壓力容易被釋放，不會(huì)發(fā)生更大的爆炸。但某些產(chǎn)品為了節(jié)約成本省去了防爆槽的工序。
2.二氧化錳。二氧化錳是鉭電容所使用的陰極材料。二氧化錳是固體，傳導(dǎo)方式為電子導(dǎo)電，導(dǎo)電率是電解液離子導(dǎo)電的十倍(0.1S/CM)，所以ESR比電解液低。所以，傳統(tǒng)上大家覺得鉭電容比鋁電容好得多，同時(shí)固體電解質(zhì)也沒有泄露的危險(xiǎn)。此外二氧化錳的耐高溫特性也比較好，能耐的瞬間溫度在500度左右。二氧化錳的缺點(diǎn)在于在極性接反的情況下容易產(chǎn)生高溫，在高溫環(huán)境下釋放出氧氣，同時(shí)五氧化二鉭介質(zhì)層發(fā)生晶質(zhì)變化，變脆產(chǎn)生裂縫，氧氣沿著裂縫和鉭粉混合發(fā)生爆炸。另外這種陰極材料的價(jià)格也比較貴。(和鋁電解液電容相比，雖然都是爆炸，可原理卻不一樣，有多少人能注意到這點(diǎn)呢?)
傳統(tǒng)上認(rèn)為鉭電容比鋁電容性能好主要是由于鉭加上二氧化錳陰極助威后才有明顯好于鋁電解液電容的表現(xiàn)。如果把鋁電解液電容的陰極更換為二氧化錳，那么它的性能其實(shí)也能提升不少。
3.接下來我們就要引出一種革命性的陰極--TCNQ。TCNQ是一種有機(jī)半導(dǎo)體，是一種絡(luò)合鹽。TCNQ在電容方面的應(yīng)用，是在90年代中后期才出現(xiàn)的，它的出現(xiàn)代表著電解電容技術(shù)革命的開始。TCNQ是一種有機(jī)半導(dǎo)體，因此使用TCNQ的電容也叫做有機(jī)半導(dǎo)體電容，例如早期的三洋OSCON產(chǎn)品。TCNQ的出現(xiàn)，使電解電容的性能可以直接挑戰(zhàn)傳統(tǒng)陶瓷電容霸占的很多領(lǐng)域，使電解電容的工作頻率由以前的20KHZ直接上升到了1MHZ。TCNQ的出現(xiàn)，使過去按照陽極劃分電解電容性能的方法也過時(shí)了。因?yàn)榧词故顷枠O為鋁的鋁電解電容，如果使用了TCNQ作為陰極材質(zhì)的話，其性能照樣比傳統(tǒng)鉭電容(鉭+二氧化錳)好得多。TCNQ的導(dǎo)電方式也是電子導(dǎo)電，其導(dǎo)電率為1S/CM，是電解液的100倍，二氧化錳的10倍。
紫色為TCNQ電容(SANYO)
使用TCNQ作為陰極的有機(jī)半導(dǎo)體電容，其性能非常穩(wěn)定，也比較廉價(jià)。不過它的熱阻性能不好，其熔解溫度只有230-240攝氏度，所以有機(jī)半導(dǎo)體電容一般很少用SMT貼片工藝制造，因?yàn)闊o法通過波峰焊工藝，所以我們看到的有機(jī)半導(dǎo)體電容基本都是插件式安裝的。TCNQ還有一個(gè)不足之處就是對(duì)環(huán)境的污染。由于TCNQ是一種氰化物，在高溫時(shí)容易揮發(fā)出劇毒的氰氣，因此在生產(chǎn)和使用中會(huì)有限制。
4.如果說TCNQ是電解電容革命的開始的話，那么真正的革命的主角當(dāng)屬PPY(聚吡咯)以及PEDT這類固體聚合物導(dǎo)體。
著名的SANYOOSCONSVP系列鋁固體聚合物導(dǎo)體電容
70年代末人們發(fā)現(xiàn)，使用攙雜法可以獲得優(yōu)良的導(dǎo)電聚合物材料，從而引發(fā)了一場(chǎng)聚合物導(dǎo)體的技術(shù)革命。1985年，小日本首次開發(fā)了聚吡咯膜，如果使用復(fù)合法的話，可以使其導(dǎo)電率達(dá)到銅和銀的水平，但它又不是金屬而相當(dāng)于工程塑料，附著性比金屬好，同時(shí)價(jià)格也比銅和銀低很多，此外，在受力情況下，其導(dǎo)電率還會(huì)產(chǎn)生變化(其特性很像人的神經(jīng)系統(tǒng))。這無疑是電容研發(fā)者夢(mèng)寐以求的陰極材質(zhì)。2000年，美國人因?yàn)榘l(fā)明了大規(guī)模制造PPY聚吡咯膜的方法，而獲得了當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，其重要性可見一斑。聚吡咯的用途非常廣泛，從隱形戰(zhàn)斗機(jī)到人工手，以及顯示器和電池、電容等等。
聚吡咯的研發(fā)實(shí)力，可以反映出一個(gè)國家的化學(xué)水平，而我國的西安交通大學(xué)和成都電子科技大學(xué)在這方面比較突出。
三洋CVEX固體聚合物導(dǎo)體+電解液混合電容注意防爆槽
使用PPY聚吡咯和PEDT做為陰極材料的電容，叫做固體聚合物導(dǎo)體電容。其電導(dǎo)率可以達(dá)到100S/CM，這是TCNQ鹽的100倍，是電解液的10000倍，同時(shí)也沒有污染。固體聚合物導(dǎo)體電容的溫度特性也比較好，可以忍耐300度以上的高溫，因此可以使用SMT貼片工藝安裝，也適合大規(guī)模生產(chǎn)。固體聚合物導(dǎo)體電容的安全性較好，當(dāng)遇到高溫的時(shí)候，電解質(zhì)只是熔化而不會(huì)產(chǎn)生爆炸，因此它不像普通鋁電解液電容那樣開有防爆槽(三洋有一種CVEX電容，陰極為固體聚合物導(dǎo)體加電解液的混合型，因此也有防爆槽)。固體聚合物導(dǎo)體電容的缺陷在于其價(jià)格相對(duì)偏高，同時(shí)耐電壓性能不強(qiáng)。
GF6800U使用的CHEMICONPS/16V電容無防爆槽
最新銳的GF6800Ultra顯卡，在NVIDIA公版上就使用了CHEMICONPS/16V固體聚合物導(dǎo)體電容。我看到有些"高手"對(duì)此不屑一顧，說16V算什么?確實(shí)，和使用電解液為陰極的電容相比，16V確實(shí)不算什么。但是在16伏特電壓下，它的ESR性能不是一般的電解液電容所能達(dá)到的，因此才被應(yīng)用到GF6800Ultra這樣的頂級(jí)顯卡上。
問：使用不同的陽極和陰極材料可以組合成多種規(guī)格的電解電容，是嗎?
答：是這樣的?；旧纤薪M合都可以。例如鉭電解電容也可以使用固體聚合物導(dǎo)體做為陰極，而鋁電解電容既可以使用電解液，也可以使用TCNQ、PPY和PEDT等等?，F(xiàn)在新型的鉭電容也采用了PPY和PEDT這類固體聚合物導(dǎo)體做陰極，因此性能進(jìn)步很多，也沒有以往二氧化錳陰極易爆炸的危險(xiǎn)。如今最好的鉭聚合物電容的ESR可以達(dá)到5毫歐姆。這類性能高、體積小的鉭聚合物電容一般使用手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等一些對(duì)體積要求較高的設(shè)備上。
問：你剛才提到了有些電容不適合SMT貼片工藝，請(qǐng)問是否使用SMT，對(duì)性能會(huì)帶來什么影響?
答：無論是插件還是貼片式的安裝工藝，電容本身都是直立于PCB的，根本的區(qū)別方式是SMT貼片工藝安裝的電容，有黑色的橡膠底座。SMT的好處主要在于生產(chǎn)方面，其自動(dòng)化程度高，精度也高，在運(yùn)輸途中不像插件式那樣容易受損。但是SMT貼片工藝安裝，需要波峰焊工藝處理，電容經(jīng)過高溫之后可能會(huì)影響性能，尤其是陰極采用電解液的電容，經(jīng)過高溫后電解液可能會(huì)干枯。插件工藝的安裝成本低，因此在同樣成本下，電容本身的性能可以更好一些。由于歐美工廠的機(jī)械成本低而人工比較貴，所以大部分傾向于SMT貼片制造。而國內(nèi)工廠的人工較便宜，所以廠商更愿意使用插件式安裝。
在性能方面，插件式電容對(duì)頻率的適應(yīng)性差一些，不過不到500MHz以上的頻率是很難體現(xiàn)出差異的。使用插件式安裝的電容中也有很好的產(chǎn)品，例如CHEMICON的PS系列有一部分就是使用插件式的。
主板上的電容大多有"皮"
問：有塑料外皮的電容和沒有外皮的鋁殼電容，性質(zhì)上有什么區(qū)別嗎?為什么主板上大都使用前者?
新款主板開始使用鋁聚合物高檔電容
答：所有的直立式電容都是鋁殼電容。
只不過有一部分電容外面包了PVC薄膜，這樣對(duì)溫度的適應(yīng)性會(huì)好一點(diǎn)，但是這樣做會(huì)污染環(huán)境，所以現(xiàn)在的電容都很少使用了。從成本上將，有塑料外皮的電容對(duì)鋁殼要求低，成本會(huì)低一些。主板產(chǎn)品因?yàn)槊娣e大，可以用穩(wěn)壓電源，這樣開關(guān)頻率相對(duì)較低，所以沒必要太好的電容，而顯卡因?yàn)槊娣e小，對(duì)電容要求就高。不過現(xiàn)在很多新款主板也開始用比較高檔的電容了。
電解電容陰極材質(zhì)性能特性對(duì)比
陰極材質(zhì)電解液二氧化錳TCNQ固體聚合物導(dǎo)體(PPY/PEDT)固體聚合物導(dǎo)體+電解液(CVEX混合型)
導(dǎo)電率0.01S/CM0.1S/CM1S/CM100S/CM100S+0.01S/CM
導(dǎo)電方式離子導(dǎo)電電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電電子+離子導(dǎo)電
熱阻性能260度500度230度(不適合SMT貼片)300度260度
優(yōu)點(diǎn)價(jià)格最便宜，耐壓性優(yōu)良，有自愈特性性能穩(wěn)定價(jià)格相對(duì)便宜，導(dǎo)電率高，綜合性能較好無污染，不會(huì)爆炸，良好的溫度特性，LOWESR值具備固體聚合物導(dǎo)體電容和電解液電容的一切優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
缺點(diǎn)受溫度影響巨大，ESR高，安全性不高容易污染，安全性不高，價(jià)格也比較貴不耐高溫，有污染，耐電壓值低價(jià)格昂貴沒有自愈特性，耐電壓值低
在以上表格當(dāng)中，紅線代表鋁聚合物導(dǎo)體電容，綠色虛線表示普通鋁電解液電容，藍(lán)色虛線表示鉭二氧化錳電容，黃色虛線表示超大容量(1000μF)、超大體積(后面的"Φ"符號(hào)代表了各自的體積)的鋁電解液電容。表格的X軸線表示頻率，Y軸線表示阻抗，Y軸的阻抗數(shù)值越低，ESR值就越低，性能就越好。
這個(gè)表格體現(xiàn)的是在頻率逐步提升的情況下，不同種類電容的性能變化?？梢钥闯?，當(dāng)頻率達(dá)到10KHz以上的時(shí)候鋁聚合物導(dǎo)體電容的ESR值繼續(xù)保持在較低的水平，當(dāng)達(dá)到100KHz的時(shí)候，其ESR值低于其它所有類型的電容，包括鉭電容和容量為1000μF的鋁電解液電容(注意：兩者的體積比例為300：5000)，而該電容的容量?jī)H為47μF。到了1MHZ，鋁聚合物導(dǎo)體電容優(yōu)勢(shì)更明顯。
以上這4個(gè)表格代表的是陶瓷電容(左邊兩個(gè)表格)和TCNQ有機(jī)半導(dǎo)體電容(右邊兩個(gè)表格)，在施加電壓為0V(上表)和20V(下表)的兩種情況下，其ESR值的波動(dòng)。可以看出，陶瓷電容在20V電壓，頻率接近100KHz的時(shí)候ESR出現(xiàn)了劇烈的波動(dòng)。而TCNQ電容的ESR值則保持平滑的曲線。新電解材料的使用使電解電容在某些方面比電容的王者陶瓷電容更有優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)極性接反并施加2倍額定電壓和20A電流時(shí)不同陰極鉭電容的反映：如上圖，使用二氧化錳為陰極的鉭二氧化錳電容全部爆炸，而使用PPY為陰極的鉭固體聚合物電容雖然全部報(bào)廢，但表面無損。這反映了二氧化錳陰極電容和聚合物電容在安全性上的差異。
答：技術(shù)的發(fā)展是日新月益的，前幾年我還在為電解電容能否工作在音頻(20KHZ)上和人爭(zhēng)執(zhí)，轉(zhuǎn)眼現(xiàn)在新電解電容都在挑戰(zhàn)20MHZ了。
這幾年我遇到無數(shù)設(shè)計(jì)上因?yàn)殡娙葸x擇錯(cuò)誤而導(dǎo)致惡性后果的事件(比如耕宇4200顯卡花屏退貨，XX廠主板電容爆漿)，也看到不少廠商和所謂"高手"在電容上誤導(dǎo)消費(fèi)者。
最令人擔(dān)心的是現(xiàn)在很多電子設(shè)計(jì)人員都沒能注意到電容的地位越來越舉足輕重，技術(shù)的發(fā)展已使電容脫胎換骨了，忽視對(duì)它們的研究是很危險(xiǎn)的。還好我們國家還是有不少真正的人才在關(guān)注(比如西安交大和電子科大)。為了讓我們?cè)诨A(chǔ)電子領(lǐng)域不落后先進(jìn)國家太遠(yuǎn)，筆者斗膽寫點(diǎn)科普的東西(真正的研究人員往往不屑做)。
在搜集了兩年資料以及利用筆者可以參考內(nèi)部資料的特權(quán)(基本上很多電容廠對(duì)配方和材質(zhì)都是保密的，小日本尤其如此)后寫就此文，希望讀者特別是年輕讀者能抓緊時(shí)間投入到基礎(chǔ)研究中去，特別感謝PCPOP小地和李想以及我的朋友谷毅等人的大力協(xié)助，沒有他們的幫忙我不可能那么勤奮地準(zhǔn)備文章，僅以此文獻(xiàn)給廣大讀者和那些為我國基礎(chǔ)電子產(chǎn)業(yè)默默奉獻(xiàn)的棟梁。
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