鉭電容的使用迄今已接近60年，它以長(cháng)期可靠性和容值密度而著(zhù)稱(chēng)。鉭電容在軍用和商用航空電子、可植入醫療電子、筆記本電腦、智能手機及工業(yè)自動(dòng)化和控制系統設計中居于中心地位。

鉭電容受歡迎的主要因素是其體積效率產(chǎn)生的高單位體積容值。容值公式如下：C=(kA)/d

其中：

C=容值

k=介電常數

A=表面面積

d=電介質(zhì)厚度

憑借極大的表面面積、高介電常數和相對較薄的電介質(zhì)層，鉭電容可在1μF至2,200μF容值范圍內和最大50 V外加電壓條件提供最佳的容值密度。

高級鉭粉和高效率封裝的結合使鉭電容領(lǐng)先于替代技術(shù)。例如，目前的鉭電容能夠以0402外殼尺寸在4V充電電壓下提供22μF容值。在電壓范圍的另一端，我們可找到采用單個(gè)封裝，在50V充電電壓下提供47μF容值的鉭電容。

傳統鉭電容的陰極系統使用二氧化錳(MnO2)材料。這種半導體材料提供自愈機制(這可帶來(lái)長(cháng)期穩定性)且相對便宜。但其富氧配方在高熱的極端環(huán)境中容易導致起火。自上世紀90年代中期以來(lái)，導電聚合物技術(shù)趨于成熟，從而與MnO2產(chǎn)品形成互補。由于導電率顯著(zhù)高于MnO2，導電聚合物可降低ESR。這一進(jìn)展與消除敏感應用中的起火危險相結合，推動(dòng)了相關(guān)企業(yè)對這種技術(shù)的投資。

鉭電容設計的進(jìn)步

制造商提供種類(lèi)廣泛的鉭電容產(chǎn)品系列，它們針對各種具體特征進(jìn)行優(yōu)化，并瞄準不同的應用和細分市場(chǎng)。這些不同的產(chǎn)品系列提供的優(yōu)化包括更低的ESR、更小的尺寸、高可靠性(面向軍用、汽車(chē)和醫療應用)、更小的直流漏電流、更低的ESL和更高的工作溫度。本文側重其中兩個(gè)領(lǐng)域：更低的ESR和更小的尺寸。

更低的ESR – 為實(shí)現最低ESR而優(yōu)化，這些器件在脈沖或交流應用中提供更高的效率，在高噪聲環(huán)境中提供更出色的濾波性能。

更小的尺寸 – 結合高CV鉭粉的使用和高效率封裝，這些器件以緊湊尺寸提供高容值，適用空間緊張的應用，如智能手機、平板電腦和其他手持式消費電子設備。

低ESR鉭電容

減小ESR一直是鉭電容設計的重要研究領(lǐng)域之一。鉭粉的選擇和生產(chǎn)期間涂敷陰極材料時(shí)所用的工藝對ESR有顯著(zhù)影響。但是，對于給定的額定值(容值、電壓、尺寸)，這些因素主要為設計約束并在目前的最先進(jìn)器件上得到基本解決。使ESR減小的兩個(gè)最主要因素是：陰極材料用導電聚合物替代MnO2，引線(xiàn)框架材料從鐵鎳合金改為銅(Cu)。

傳統鉭電容的ESR主要源于陰極材料MnO2。如圖1所示，MnO2的導電率約為0.1S/cm。相比之下，導電聚合物(如聚3,4-乙烯二氧噻吩)的導電率在100S/cm范圍內。導電率的這一增加直接轉換為ESR的顯著(zhù)減小。

在圖2中，不同額定值下的ESR-頻率曲線(xiàn)顯示了鉭電容器采用聚合物陰極系統的優(yōu)勢。通過(guò)直接比較MnO2和聚合物設計在A(yíng)外殼 6.3 V / 47 μF額定值條件下的ESR-頻率曲線(xiàn)，可以看出在100 kHz頻率下聚合物設計使ESR的減小幅度多達一個(gè)數量級。

引線(xiàn)框架材料是改用導電率更高的材料后可改善ESR的另一個(gè)領(lǐng)域。如圖3中的電容橫截面所示，引線(xiàn)框架提供從內部電容器元件到封裝外部的電連接。

鐵鎳合金(如Alloy 42)一直是引線(xiàn)框架材料傳統選擇。這些合金的優(yōu)點(diǎn)包括低熱膨脹系數、低成本和制造中的易用性。銅引線(xiàn)框架材料加工方面的改進(jìn)使其能夠用于鉭電容設計。由于導電率是Alloy 42的100倍，銅的使用對ESR有重要影響。例如，采用A外殼(EIA 3216)和傳統引線(xiàn)框架的100μF/6.3V T55聚合物鉭電容在100kHz和25°C條件下提供70mΩ的最大ESR。通過(guò)改為銅引線(xiàn)框架，最大ESR可減小到40mΩ。

緊湊鉭電容

改善鉭電容設計體積效率(容值密度)的兩個(gè)主要因素是鉭粉的演變和封裝的改進(jìn)。

電容設計中使用的鉭粉的質(zhì)量因數是：(容值?電壓)/質(zhì)量，簡(jiǎn)寫(xiě)為CV/g。大規模生產(chǎn)中使用的鉭粉的演變如圖4所示。CV/g的這些增加與更小的顆粒尺寸和粉末純度改善有關(guān)。在電容設計中使用這些材料本身就是一個(gè)復雜的研究領(lǐng)域，需要大量研發(fā)投資。


使鉭電容設計尺寸減小的另一個(gè)重要因素是超高效封裝技術(shù)的發(fā)展。業(yè)內使用的最常見(jiàn)封裝技術(shù)是引線(xiàn)框架設計。這種結構具有非常高的制造效率，從而可以降低成本和提高產(chǎn)能。對于不受制于空間的應用，這些器件仍然是可行的解決方案。


但是，在主要設計標準是增加密度的許多電子系統中，能夠減小元件尺寸是一個(gè)重要優(yōu)勢。在此方面，制造商在封裝技術(shù)上已經(jīng)取得了若干進(jìn)展。如圖5所示，與標準引線(xiàn)框架結構相比，無(wú)引線(xiàn)框架設計可改善體積效率。通過(guò)減小提供外部連接所需的機械結構的尺寸，這些器件可利用該額外可用空間來(lái)增加電容元件的尺寸，從而增加容值和/或電壓。

在最新一代封裝技術(shù)中，Vishay擁有專(zhuān)利的多陣列封裝(MAP)結構通過(guò)使用位于封裝末端的金屬化層來(lái)提供外部連接使體積效率進(jìn)一步改善。該結構通過(guò)完全消除內部陽(yáng)極連接使電容元件尺寸在可用體積范圍內實(shí)現最大化。為進(jìn)一步說(shuō)明體積效率的改善，請看圖6。從圖中可以明顯看出電容元件的體積增加了60%以上。這一增加可用于優(yōu)化器件，以增加容值和/或電壓、減小DCL以及提高可靠性。

Vishay MAP結構的另一個(gè)好處是減小ESL。MAP結構可通過(guò)消除環(huán)包的機械引線(xiàn)框架顯著(zhù)減小既有電流回路的尺寸。通過(guò)使電流回路最小化，可顯著(zhù)減小ESL。如圖7所示，與標準引線(xiàn)框架結構相比，這一減小可達到30%之多。ESL的減小對應于自諧振頻率的增加，這可擴大電容的工作頻率范圍。