1引言
电容器是使用最广,用量最大,且不可取代的电子元件,其产量约占电子元件的40%,而铝电解电容器又占三大类电容器(电解电容器、陶瓷电容器、有机薄膜电容器)产量的36.8%.电解电容器是10年来我国发展速度最快的元件之一,目前,国内电解电容器的年生产总量接近250亿只,年平均增长率高达28%,占全球电解电容器产量的1/3.在发展过程中,铝电解电容器也有来自集成电路、整机电路的改进和在高压、高频、长寿命、小容量应用领域中其它电容器(如多层独石陶瓷电容器、金属化薄膜电容器、钽电解电容器等)的相互渗透.铝电解电容器自身也在不断改进、完善和创新.尤其是随着科学技术的发展,社会需求的提高,环境的改善,新型整机的诞生,使小型化、片式化和中高压大容量铝电解电容器的应用领域不断拓宽,需求量越来越大.因此,铝电解电容器不仅不会萎缩,而且还具有更强的生命力和更广阔的发展空间,会有更快的增长速度.
2铝电解电容器的结构与性能特点
铝电解电容器是由经过腐蚀和形成氧化膜的阳极铝箔、经过腐蚀的阴极铝箔、中间隔着电解纸卷绕后,再浸渍工作电解液,然后密封在铝壳中而制成的.其性能特点如下所述.
2．1单位体积电容量非常大
电容器的电容量C=ε0εrS/d,
其中,ε0是真空电容率(常数),εr是介质材料的相对介电常数,S是电极的有效面积,d是介质材料的厚度.对于铝电解电容器,εr=8~10.阳极铝箔和阴极铝箔可以通过腐蚀使其表面积增加几十倍到几百倍.d=αVf,α≈1.4nm/V,Vf=10V~600V,则d约为0.014μm~0.9μm,比其它电容器小几倍到几百倍.因而,电解电容器的单位体积电容量比其它电容器大几倍到几十倍.
22额定容量非常大
由于电解电容器采用卷绕结构,很容易扩大体积,因此,可以很容易地做到几万微法甚至几十万微法的额定电容量.
23具有自愈作用
由于电容器内部有电解液,因此,在工作中,电容器阳极铝箔上的电介质一旦发生局部性破坏,电解液中的O2-或OH-或酸根离子在电场力的作用下迅速到达破坏位置,将破坏位置堵塞住,并将破坏的氧化膜修复,使电容器恢复正常状态.
24工作电场强度高
由于阳极氧化膜在形成过程中每伏特生长大约1.4nm,即阳极氧化膜生长时的电场强度约为7×107V/cm,其工作状态下的电场强度约为5×107V/cm,这个值远远大于陶瓷电容器和薄膜电容器的工作电场强度.
25价格优势
由于制造铝电解电容器所使用的主要原材料都是普通工业材料,所用设备属于一般工业设备,自动化程度也较高,因此制造成本相对较低,尤其是单位容量的制造成本比其它类型的电容器具有压倒性优势.
3铝电解电容器存在的缺点
31有极性和有漏液的可能性
由于电解电容器存在极性,在使用时必须注意正负极的正确接法,否则不仅电容器发挥不了作用,而且漏电流很大,短时间内电容器内部就会发热,破坏氧化膜,随即损坏.
铝电解电容器用铝壳和橡胶塞密封,当工作电解液受热汽化后,容易从引线的根部渗出.电容器长期工作后,导致电解液干涸,使电容器失效.这是铝电解电容器的主要失效模式之一.
32损耗角正切值较大,温度、频率特性相对较差
工作电解液在铝电解电容器中起着阴极的作用,由于工作电解液是离子导体,而离子的运动速度比电子的运动速度慢得多,导致工作电解液的电导率比电子导体的电导率低.再浸电解纸后其电导率进一步下降,因此,工作电解液所引起的等效串联电阻比其它电容器的金属电极所引起的等效串联电阻大,从而导致铝电解电容器的损耗角正切值较大,且频率特性相对较差.另外,由于液体材料的电导率受温度的影响较大,所以,铝电解电容器的温度特性也相对较差.
33易老化
工作电解液尽管采用的是弱酸/弱碱盐作为电解质,水和有机溶剂作溶剂,但仍然具有一定的腐蚀性,对电容器的阳极氧化膜和橡胶塞有一定的侵蚀作用.另外,电解质盐与溶剂之间随着时间的推移也会发生一定的化学反应.这些现象都将导致电容器的电性能劣化.
总之,尽管铝电解电容器具有一定的缺点,限制了它在某些场合的应用,但是由于它的高容量和价格优势等显著的优点,使它在同陶瓷电容器、薄膜电容器、钽电解电容器的竞争中牢牢地占据着30%以上的份额.且随着汽车电子、变频技术等电力电子技术的发展,其所占比率将有大幅度上升的趋势.
4铝电解电容器的生命力
随着科学技术的发展,尤其是集成电路(IC)和超大规模集成电路(VLSI)的发展,整个电容器行业能否持续发展,甚至还有没有生存空间受到人们的怀疑,然而,从1987年以来,全球电容器的生产量每年以20%以上的速度增长,使这种怀疑不攻自破.实践证明铝电解电容器具有极强的生命力.
41IC的发展无法取代铝电解电容器
一方面,由于IC的出现使部分小容量的电容器被集成到电路内部;另一方面,IC的发展使电路系统的工作频率大大提高,导致铝电解电容器在部分电路中被别的电容器所取代.但是,IC电路中的电源部分却始终离不开电解电容器.另外,铝电解电容器自身性能的提高也向其它电容器的应用领域扩展.
42整机电路的变化只改变了铝电解电容器的型号
开关电源的体积不断缩小,能量转换效率不断提高,使得开关电源的工作频率不断提高(从20kHz到500kHz,甚至达到1MHz以上),导致其输出部分的高频噪声加大,为了有效滤波,必须使用超低高频阻抗或低等效串联电阻(ESR)的电容器.
43其它电容器与铝电解电容器的相互补充
——多层独石陶瓷电容器使用的陶瓷介质的不断开发,介电常数不断提高,再加上其高频性能好以及片式化等有利条件,使其在低压小容量的应用场合具有一定优势.
——金属化薄膜的制备技术不断提高,使薄膜的耐压性大大提高,另外,薄膜电容器具有可靠性高、ESR小等优点,使薄膜电容器在中高压小容量的使用中有一定特长.
——钽电解电容器不仅具有优良的温度和频率特性,而且又具有片式化的优势,在低压中小容量的应用领域有一定的增长.
——双电层电容器的材料及制备技术不断进步,大大降低了其ESR,使其在低压大容量的应用领域具有竞争性.
由此可见,中高压大容量铝电解电容器并没有受到其它电容器的冲击,具有其独特的优势.另外,在低压小容量方面虽然存在一定的竞争,其出路在于加快相关技术的研究开发,加强和继续扩大铝电解电容器现有优势,克服其自身的缺点.特别是近几年来,铝电解电容器已在多方面取得了长足的突破性进展,实现了质的飞跃.不仅其市场份额没有缩小,相反,其应用领域不断扩宽,呈现出高速增长,迎来了许多前所未有的发展机遇.
5铝电解电容器迎来难得的机遇
信息时代的到来,知识经济的出现,不仅给全球经济带来了福音,也给电子工业带来前所未有的繁荣,同样,铝电解电容器也得到空前的发展.
51市场方面的机遇
511通信市场爆发式增长
信息时代的到来,使得各种通信手段、网络技术得到蓬勃发展,程控交换机、电话机、手机、无绳电话机、呼机、台式计算机、笔记本电脑、掌上计算机、显示器、复印机、传真机、打印机、扫描仪、充电器等等,得到迅速普及,在其电源部分大量使用铝电解电容器.从低压到高压、从小容量到大容量,种类繁多,需求量巨大.
512汽车电子来势汹涌
传统汽车电子化涉及十大电子系统,其中有电子仪表盘、电子喷油系统、汽车音响系统、发动机管理系统、全球定位系统、刹车防抱死系统、安全气囊系统、自动驾驶系统、自动窗系统、自动锁系统等.这些系统中全都或多或少地要使用铝电解电容器.而未来的电动汽车更是铝电解电容器新的增长点,每部电动汽车至少需要4只高压大容量铝电解电容器用在电池充电、电压转换、逆变器等电路中.
513家用电器的普及
彩色电视机、音响、照相机、VCD、DVD、磁带录像机、激光唱机、变频空调、变频冰箱、洗衣机、微波炉、电饭锅、吸尘器、节能灯以及未来数字电视、机顶盒和数码相机等都是铝电解电容器的使用大户.一台数字电视机中铝电解电容器的需求量是普通电视机的3倍.
514工业领域
随着计算机集成制造系统(CIMS)、数字加工中心、自动装配机等各种自动化技术的日益广泛,促进了变频技术的发展,工业领域大量使用开关电源、不间断电源(UPS)、逆变器、监视器、变频电机、数控设备,其中大量使用铝电解电容器.另外,激光加工、逆变焊机、电梯、石油勘探、第三代和第四代IGBT的开发、甚至发达国家高速公路的太阳能照明系统等等也需要使用大量的铝电解电容器.
515军事及航空航天领域
近几年,军队作战已逐步变成电子对抗,电子装备水平的高低直接预示着战场的胜负.航空航天领域更是大量使用先进的电子设备.在这些电子设备中同样大量使用铝电解电容器.
总之,只要是使用电子设备的地方,基本上都离不开铝电解电容器.有了这些机遇,铝电解电容器保持每年以20%以上的速度增长是不会存在问题的.
52技术方面的机遇
521新型电容器的诞生
近年来,由于材料科学的突飞猛进,使铝电解电容器的技术得以飞速发展.最具代表性的是以有机半导体材料如TCNQ(1S/cm)和导电聚合物如聚吡咯(120S/cm)等作为阴极材料研制出固体片式铝电解电容器.由于新型阴极材料具有比传统电解液(10-2S/cm以下)高得多的电导率,使新型铝电解电容器不仅实现了片式化,而且克服了传统铝电解电容器温度和频率特性差的缺点,达到近乎理想电容器的阻抗频率特性.使铝电解电容器的电性能和可靠性发生了质的飞跃,大大拓宽了铝电解电容器的应用领域.
522传统电容器制造技术的改进
高纯度、高性能铝箔材料的采用使材料的腐蚀性能大大改善,同时形成的介质氧化膜的漏电流大大降低;先进腐蚀和形成工艺的开发,使阴、阳极铝箔的比容量进一步增加,阳极箔的漏电流进一步下降;化学性稳定的电解质和溶剂,尤其是特种添加剂的应用,减小了对电容器原辅材料的侵蚀,减小了电解液的泄漏;加上新型密封材料的采用,大大提高了电容器的使用寿命和搁置寿命(达到105℃、3000h~5000h);新型电解纸的开发,大大提高了离子的穿透速度,使电容器的ESR降低5倍~7倍,使同样容量的电容器在高频下相当于5只~7只普通电容器.这些材料和工艺技术的改进使传统的铝电解电容器的工作温度范围、可靠性、使用寿命、外形尺寸等的综合性能得到了大大提高.另外,液体立式片型铝电解电容器(V-chip)的开发成功,不仅缩小了电容器的体积,提高了电容器的性能,而且适应了表面贴装技术的发展潮流,进一步拓展了电解电容器的生存空间.
523纳米复合材料的应用
铁电材料如钛酸钡、钛酸锶等具有几百到几千的介电常数.纳米级铁电薄膜材料的制备与性能研究已经比较成熟.若能将纳米级铁电材料复合于阳极氧化膜上,形成复合氧化膜,必将大大提高阳极箔的比容,使铝电解电容器的体积显著缩小,可大大拓展其应用领域.
6结束语
铝电解电容器一直处于不断克服自身缺点,发挥本征优点的创新与发展过程中.新材料、新技术、新工艺不断涌现,新市场、新领域不断召唤与挑战,极大地促进了铝电解电容器的水平提高与性能改进,反过来又刺激了对铝电解电容器的需求和发展.随着铝电解电容器的新材料、新技术、新工艺不断的实用化,必将推动铝电解电容器进入一个新时代.
