电容器的技术与应用

前言：电容器（Capacitor）在现代资讯产业中，可以说扮演着最重要的关键性角色，在过去短短30年之间，电容器的需求量激增了500倍以上，各种家用电器、资讯产品等的生产，都无法脱离电容器。

电容器的应用

所谓电容器（capacitor）就是能够储存电荷的「容器」。只不过这种「容器」是一种特殊的物质—电荷（charge），而且其所储存的正负电荷等量地分布于2块不直接导通的电极上。至此，我们就可以描述电容器的基本结构：2块电极（通常为金属板）中间隔以电介质（dielectric），即构成电容器的基本模型。与电池虽然有几分相似，但不同的是，电池无法在瞬间储电以及放电，在应用上，主要是作为阻绝直流、耦合交流、滤波、调谐、相移、储存能量、作为旁路、耦合电路、喇叭系统的网路等等，甚至也被应用于相机之中的闪光灯等储电放电用途。

近年来资讯产业界的产品发展逐渐走向高速运算架构，因此电子线路也随之往高效率与低功耗的方向前进，而由于半导体制程的发展，CPU或其他IC元件的驱动电压不断往下降，连带产生的电子线路涟波电流可能会高达140Arms以上，为了确保IC元件可以获得纯净的电源供给，进而提高使用寿命以及操作稳定度，关键性的滤波电容器也走向高频低阻抗的趋势。但从这时开始，电容器厂商为了追求低阻抗，因此变更的电容器的原料，但也因此产生了非常严重的问题。

一般来说，电解电容的电气规范是在105度C时具有2,000小时的寿命，当元件周围温度降低10度，则寿命会增加为2倍，但从2001年开始，许多厂商为了追求低ESR，在电解液中使用了非有机溶剂，也就是水来作为电解质中的溶剂，虽说利用水来做为溶剂可以将ESR抑制在有机溶剂的10分之1，但是这些利用水做为溶剂的电容器容易发生电气分解，进而产生气体，虽然可以透过某些添加剂来抑制分解，但终究无法长久维持，一旦发生分解，气体会积蓄在电容器内部，当气体积蓄到一定的程度，压力突破临界点，电容器便会从防爆纹裂开，内容物也会随之溢出。这就是所谓的漏液，也是俗称的爆浆。

                                                  图说：最常见的主机板周边电容（左下角顶部破裂污损即为爆浆）。


电容器种类简介

依据所使用的材料、结构、特性等的不同，电容器的分类也不同。在此，我们主要依据电容器特性原理的不同，将其分为：化学电容器（Chemical Capacitor）与非化学电容器（Non Chemical Capacitor）2大类，其说明如下：

1. 化学电容器（Chemical Capacitor）

化学电容器是指采用电解质作为电容器阴极的一类电容器。广义上讲，电解质包括电解液（Electrolyte）、二氧化锰（MnO2）、有机半导体 TCNQ、导体聚合物（PPy、PEDT）、凝胶电解质PEO等。化学电容器又包含2大类别：电解电容器（Electrolytic Capacitor） 和超高电容器（Super Capacitor）。

•电解电容器是指在铝、钽、鈮、钛等阀金属（ValveMetal）的表面采用阳极氧化法（Anodic Oxidation）生成一薄层氧化物作为电介质，并以电解质作为阴极而构成的电容器。电解电容器的阳极通常采用腐蚀箔或者粉体烧结块结构，其主要特点是单位面积的容量很高，在小型大容量化方面有着其它类电容器无可比拟的优势。目前工业化生产的电解电容器主要以铝电解电容器 （Aluminium Electrolytic Capacitor）和钽电解电容器（Tantalum Electrolytic Capacitor）为主。


                                                               图说：铝电解电容与钽电解电容。

铝电解电容器的中心是由阳极铝箔、电解纸、阴极铝箔、电解纸等4层重叠捲绕而成；核心浸润电解液后，用铝壳和胶盖密闭起来，便构成一个电解电容器，在特性上，其单位体积所具有的电容量特别大。当工作电压越低，这方面的特点愈加突出，因此，特别适应电容器的小型化和大容量化。但是铝电解电容器的缺点也不少，主要就是绝缘性较差，以及较不耐高温，并且容易劣化，且无法长久保存等缺点。一般来说，铝电解电容通常只能保存1、2年左右。

钽电解电容器主要有烧结型固体、箔形捲绕固体、烧结型液体等三种，其中烧结型固体约佔目前生产总量的95％以上，而又以非金属密封型的树脂封装式为主体。小型化、片状化配合SMT技术下方兴未艾，片状烧结钽电解电容器已成为主流。钽电解电容器是阻抗频率特性好，但是对频率特性不好的电容器，当工作频率高时电容量就大幅度下降，损耗也会急遽上升。但固体电解电容器可工作在50kHz以上。钽电容随频率上升，也会出现容量下降现象，但下降幅度较小，有资料指出，工作在10kHz时，钽电解电容容量将下降不到20％，而铝电解电容容量下降幅度可达40％。

•超高电容器一般采用活性炭（Active Carbon）、二氧化钌（RuO2）、导体聚合物（Polymer Conductor）等作为阳极，液态电解质作为阴极。超高电容器是一种功能介于二次电池与传统电容器之间的电能储存装置。其构造与电池及传统电容器均十分相似，然而却改进了电池与传统电容器的主要缺点；在放电功率密度的性能上高于二次电池，充放电循环使用寿命也较二次电池长；另外，其能量密度为传统电容器的数千倍。这样的储能元件提供了原来电池与传统电容器都难以达到的性能，以致其应用范围相当广泛。

                                                                 图说：超高电容器的外型。

超高电容器的可储电特性，也可以藉其短时间内供应大量电流的能力，应用于使用电池的移动装置之中，可以作为系统与电池之间的缓冲，让电池不必瞬间大量放电，从而可以有效延长电池的寿命。

但是超高电容器缺点是单体（cell）的耐电压有限，采用水系电解液（Aqueous Electrolyte），耐电压在1V以下，即便是采用非水系电解液（Non Aqueouselectrolyte），其耐电压一般也不超过3V。超高电容器也可以分为两类：第一种是以活性炭为阳极，以电气双层的机制储存电荷，通常被称作电气双层电容器 （Electrical Double Layer Capacitor,EDLC）；第二种则是以二氧化钌或者导体聚合物为阳极，以氧化还原反应的机制储存电荷， 通常被称作电化学电容器（Electrochemical Capacitor；EC）。

2. 非化学电容器（Non Chemical Capacitor）

非化学电容器的种类较多，大都以其所选用的电介质材料命名，如陶瓷电容器、纸介电容器、塑胶薄膜电容器、金属化纸介 ／塑胶薄膜电容器、空气电容器、云母电容器、半导体电容器等等。

•陶瓷电容器采用钛酸钡、钛酸锶等高介电常数的陶瓷材料作为电介质，在电介质的表面印刷电极浆料，经低温烧结制成。陶瓷电容器的外形以片式居多，也有管形、圆片形等形状。陶瓷电容器的损耗因子很小，谐振频率高，其特性接近理想电容器，缺点是单位体积的容量较小。 陶瓷积层电容器（MLCC）其电容值含量与产品表面积大小、陶瓷薄膜堆叠层数成正比。近年来由于陶瓷薄膜堆叠技术越来越进步，电容值含量也越来越高，逐渐可以取代中低电容（如电解电容和钽质电容的市场应用），加上陶瓷基层电容可以透过SMT直接黏着，生产速度比电解电容和钽质电容更快，因此陶瓷基层电容的市场发展越来越受重视，是发展相当快速的电容器产品。


                                                               图说：陶瓷积层电容器（MLCC）。

全球积层陶瓷电容器主要厂商包括Murata、TDK、太阳诱电、国巨、华新科等厂商，全球前五大电容器厂商市佔率约佔全球电容器市场的85％。日系厂商全球市佔率更达55％。在高容MLCC技术上，日系厂商可以说遥遥领先台湾厂商。Murata对于各种规格高低容的MLCC产品最为齐全，为世界第一大领导厂商，全球市佔率近三成；TDK与太阳诱电则是主攻高容值的MLCC产品，台湾MLCC大厂则是以大宗规格的产品为主，但均已朝向高电容质来发展。

由于MLCC堆叠技术的精进，电容质逐渐加大，MLCC被广泛地被使用在3C电子产品，其中以通信电子产品最多，其次为资讯电子产品与消费性电子产品。通信电子产品（33％）、资讯电子产品（25％）与消费性电子（17％）产品等这三大类约佔整体积层陶瓷电容器应用的75％。新一代行动电话3G高频化，桌上型、笔记型电脑的双核心CPU，并带动周边晶片组与显示卡的高效能化，消费电子的游戏机、数字相机，高画质薄型数位电视持续大幅成长，都将引发对MLCC的大幅需求。国巨、华新科、禾伸堂2007年在高容产品方面，预料都有2∼3成以上的增产计画。

•以往的纸介电容器、塑胶薄膜电容器多用板状或条状的铝箔作为电极，现在，大多採用真空蒸镀的方式在电容器纸、有机薄膜等表面涂佈金属薄层作为电极。由于金属化形式的出现，该类电容器在小型化和片式化方面有了长足的发展，对电解电容器构成一定的挑战和威胁。

•云母电容器採用云母作为电介质，其特点是电容器的可靠性高、容量的温度变化率很小，常被用来制作标准电容器。


                                                                      图说：云母电容器。
•半导体电容器大概分为2类：1类是由2块相接触的N型和P型半导体构成。众所周知，当N型半导体接正馈电、P型半导体接负馈电时，电流不易流过PN结，电荷即在PN结的两侧聚集，此时便形成电容器的功效。并且PN结的耗尽层会因外加电压的大小变化而改变其厚度，也即正负电荷层的间距会发生变化，故而表现出容量随外加电压的变化而变化的特性：外加电压增大、容量减小。

另一类被称为半导体陶瓷电容器。由掺杂金属La的N型半导体陶瓷—钛酸钡的两个侧面涂布银电极，并銲接 上端子而构成。银电极和半导体陶瓷的界面呈现整流特性：从银电极到半导体陶瓷，电流容易流通，反之则电流几乎不能流通。因而，当给两端子上外加电压时，电荷会在某一界面的两侧聚集，表现出电容器的特点。

为解决可靠性问题　固态电容崛起

固态电容的崛起主要是为解决传统铝电解电容器遇高热出现爆浆的问题，在下游应用端如：高阶主机板、高阶STB、通讯基地台、高阶电源供应器、LCD TV、伺服器、VGA卡、游戏机等，在效能及品质提升的趋势下，固态电容将逐步取代传统式的液态铝质电解电容器，故成长性十分看好。


                                                                图说：Sanyo OSCON 固态电容。

固态电容和传统液态铝电容的差异，主要在于採用了不同的介电材料、液态铝电容介电材料、电解液，而固态电容的介电材料则为导电性高分子（Polymer）材料PEDT。铝电容中电解液沸点仅摄氏120度，遇高温容易出现爆浆现象，电解液四散造成电路板中电路短路，为了安全上的考量，开发出固态电容，因PEDT材料为固体，耐热度超过摄氏350度，故没有传统铝电容之高温爆浆的问题。


                                                         图说：固态与液态铝电解电容器的特性比较。

固态电容分为钽阴极和铝阴极这2大类。钽阴极电容就是常说的固态钽电解电容，其实它还有一种类型叫钽聚合物固态电容，铝阴极电解电容也分2大类，分别是有机半导体固态电容和铝聚合物固态电容。有机半导体是以四氰基对二甲烷（TCNQ，一种复合盐）作为介质。导电方式也是电子导电，其导电率为1S/CM，是电解液的100倍，二氧化锰的10倍。

铝质固态电容器採用具有高导电率(1∼500S/cm)、热稳定性好的导电聚合物PEDT（聚3，4-乙烯二氧化锰）做阴极材料，具有比有机半导体(TCNQ)固体电容更低的阻抗。一般来说，涟波电流会比TCNQ小，不过比较不耐高压。同时要注意的是，TCNQ电容绝对不可拆卸，这是由于此类电容使用了氰基聚合物，在一定条件下会转化为剧毒的氰化物，这是需要加以注意的一点。

固态电容器介电材料PEDT，目前全球专利为德国拜耳公司所拥有，目前专利期限仍要等到2007年底，所以虽然日系厂商在技术上已经有所突破，并且具备自行生产PEDT的能力，碍于专利权仍无法自行生产，故全球所有生产固态电容厂商，不论日系还是台系，都要向德国拜耳买PEDT。

目前PEDT约佔固态电容器生产成本40％~60％，生产主要材料成本降不下来，产品售价自然无法大幅下降。固态电容同规格产品单价较一般铝电容高出8~10倍，故下游产品实际使用上因成本考量，尚不能完全取代铝电容。固态电容器主要用于高阶产品中温度较高的地方，例如主机板CPU週边、LCD TV背灯灯管附近、伺服器、VGA卡、游戏机等。Intel的775系列主机板，每片平均用10颗、伺服器每台平均用30颗、LCD TV（中阶用6颗、高阶用40颗）、VGA卡平均用5~8颗。

虽然台湾在固态电容的技术上逐渐赶上日本，但是差距仍然存在，在固态电容的最大宗应用—主机板上，一线大厂仍以日系固态电容作为宣传主打，台系的固态电容大多供台湾二线板卡厂商或大陆板卡厂商使用。不过以固态电容如此高昂的成本，要应用在板卡这类更新週期非常短的产品上，其实不是那么的划算，而由于固态电容的极佳稳定性，在特定关键性应用上要更为适合，比如说汽车电子、伺服器元件等等。

高压MLCC与固态电容是台厂未来的方向

在陶瓷电容器的部分，单层、圆板、安规上因技术跟规格较标准化，所以现阶段都已经移往大陆生产，至于在积层MLCC方面，技术层次较高的产品类型有高容以及高压这两部分，高容MLCC由日系厂商独佔鳌头，台湾方面的话，针对高压MLCC以及固态铝质电容器这两方面来发展较有机会。高压MLCC主要是因应瞬间启动所需电压之需求，在应用市场上主要是在LCD相关产品上。而固态铝质电容器的优点有涟波电流承受力是传统的10倍、低阻抗且使用寿命长、热安全性佳、适用于重视稳定性的产品上，并且能够轻易的导入制程。而更重要的一点是，即将在2007年底到期的专利PEDT材料，若改以自行生产的话，将可望大幅减少成本的支出，进而提升固态电容的普及度。