“ 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，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，但從實際應(yīng)用情況看，揮發(fā)干涸只是對在高溫場合下運行的小體積（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。因為微帶狀溝道會被氧化物覆蓋，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斷裂失效。

e. 連接引出端

鋁墊引出片的擴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的刻蝕管道中。注入過程是將芯子浸漬在電解液中并進行加熱（或不加熱）的真空－強壓循環(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；諧振頻率點 ，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是諧振頻率，實際應(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來進行限制是不妥當(dāng)?shù)模恢C振點可作為一個參考，實際應(yīng)用的截止頻率肯定要比該點高（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)，因為其便于考核產(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是因為箔的兩面均起作用。減小 ρ 可以減小r解，但不能過分 追求減小 ρ ，因為 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越小；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（因為A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)折頻率點后，ESR就趨向于一個穩(wěn)定的值；該轉(zhuǎn)折頻率點與容量成反比，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

鋁電解電容的可靠應(yīng)用主要是關(guān)注溫度，因為鋁電容的電解質(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，因為器件內(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。從實際應(yīng)用情況看，揮發(fā)干涸只是對在高溫場合下運行的小體積（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、運輸過程中，需要注意 不要碰、擠壓、扎傷電容。