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电子线路板上最多却最不起眼的器件--电容,你了解多少?
2024-06-05 来源:贤集网
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关键词: 电容器 电子设备

区分电容的方法很多,可以从容值进行区分,可以从电介质进行区分,但不论如何分类,这类基础的被动元器件,总的来看其作用无外乎是滤波、吸收和谐振。而正是这些基础功能,在电子电路中发挥着重要作用。

为了不断提高电容的性能,电容的两极材料一直都在创新改进,无机电容、有机电容还有电解电容各有特色,阴极材料像电解液、二氧化锰、有机半导体、高分子聚合物也有独特的性能。


电解电容的聚合物阴极改进

电解电容是耳熟能详的电容类别,在所有的电容品类里有着接近40%的占比,因其容量大而备受关注。电解电容即用铝、钽、铌、钛等金属表面采用阳极氧化法生成一层氧化物作为介质层,以电解质作为阴极构成的电容器,当前常见的以铝电解电容和钽电解电容为主。

铝电解电容主打低成本高容量,产量大可应用范围广,目前我国铝电解电容器生产企业年产量过亿只的生产厂商大约有70多家,绝对的世界第一。钽电解电容产量小成本高,但容值大性能好,在高端应用领域用得很固定。

电解电容这么多年一直也在进行技术升级来解决一些应用困扰,如铝材料因为其物理特性容易出现受热膨胀,进而易引发电容漏液等危险现象,而钽材料作为一种资源性材料,产量小成本又高。为了解决这些限制,聚合物电解电容被开发了出来。

聚合物电容以高分子导电固体聚合物材料取代了传统电解电容的电解液,阴极材料的改变,给电解电容带来了很多性能上的改变。这些阴极材料被称为PEDT,是具有导电性的一类聚合材料,可以是本身具有导电功能或掺杂其他材料后也具有导电功能的一种聚合物材料,也可以通过填充复合材料,表面混合或层压普通聚合物材料和各种导电材料获得导电性。

不同于液态电解质是离子导电,聚合物是电子导电模式,电子可以在分子上快速移动,传导性指数远高于液体电解质。聚合物的导电性、热稳定性以及化学稳定性方面均有明显的优势,可以说是目前可选用的综合性能最好的固体电解质。

尤其在现在电路板向小型化发展的趋势下,聚合物电容的替代可以在不增加电容数量的前提下保证容值,解决了不少板上空间问题。


电容的工作原理

电容是电子学中一个非常基本且重要的元件,它可以存储电荷,并在需要时释放电荷。电容在各种电子设备中,如电视、电脑和手机等设备中,都有广泛的应用

电容是一种由两个金属板组成的电子元件,这两个金属板被称为极板。当在两个极板之间施加电压时,电荷会分布在极板的表面。这是因为电荷会从高电压极板流向低电压极板。当没有电压时,两个极板之间没有电荷分布。因此,可以说电容是一个可以存储电荷的元件。当电压施加在电容上时,电荷的吸引力导致极板上的电荷数量增加。随着电荷的增加,电场强度也增加,直到达到一个平衡状态。此时,电容被充电了。当需要放电时,电荷会从高电压极板流向低电压极板,直到两个极板之间的电压为零。

电容根据其结构可以大致分为两种类型:平板电容和圆柱电容。平板电容是最常见的一种电容,它的两个极板是平行的,而圆柱电容的两个极板则围绕着一个圆柱体。除了结构上的差异外,电容还有其他一些分类方式,如按材料分、按封装方式分等。封装方式的不同也会影响电容的性能和应用。


电容的发展历程

电容的发展可以追溯到19世纪初,当时法拉第首先发现了电容器这一电子元件。在之后的几十年中,科学家们对电容进行了广泛的研究和改进,以适应不同领域的需求。1900年左右,人们开始研究如何制造更加可靠和高效的电容,以用于无线电、电视和电话等新兴领域。随着电子工业的快速发展,电容在20世纪中期开始广泛应用于各种电子产品中。

进入21世纪后,随着纳米技术、生物技术和新能源等领域的迅猛发展,对电容的要求也越来越高。因此,研究者们不断探索新型的电容材料和制造工艺,以提高电容的性能和稳定性。例如,采用碳纳米管、石墨烯等新型材料制造的电容具有更高的电荷存储密度和更快的充放电速度。此外,随着封装技术的进步,小型化、集成化的电容也得到了广泛应用。


固态电容的兴起

2002年,一家主板企业突然爆出大量产品电容破裂,导致主板故障。这个问题随后迅速发酵,即使在互联网不太发达的时代,这个消息也迅速传播开来。越来越多的用户发现自己的主板漏水,点不亮,涉及18个主板。

消息如雨后春笋般飞向事件中心——主板厂,事实证明其这批主板的电解电容有大面积的漏液问题,随后这一现象也被称为爆浆。电容器在工作时会产生高温,如果电容质量不好,达不到额定值,就有可能出现电解液受热至沸腾,最终导致电容壳体破裂。

那时候,爆炸电容的问题几乎都是来自台系 GSC、 OST、 Jackcon等电容品牌,所以业界很快就开始对台系电容感兴趣。该工厂更是以5亿7千万元为代价,并从此陷入困境。

在同一时期内,计算机行业又发生了一次严重的电容事故,一家显卡品牌为追求超频性能,选择了一种低延时高速显存颗粒,该显存在更大的超频容量,但却是一款高性能的显卡。驱动显卡时,厂家用普通的电解电容没问题,但是随着温度的下降,电容 ESR开始急剧增加,显卡大面积花屏。

而且厂商技术人员一直没有把原因搞清楚,只是简单地认为 ESR还不够低,并选择高价 CVEX混合电容,结果也没有最终解决问题,直到阴差阳错地用了固态电容。

为了让主板和显卡更加稳定、寿命更长 ,固态电容开始逐渐普及。而固态电容,顾名思义就是采用了高分子固态材料的作为介电材料,而固态材料自然也就不会有受热膨胀导致爆浆的情况,而且耐温高达260℃以上,稳定性和使用寿命大幅增加,而且还具备环保、低阻抗、高低温稳定、耐高纹波及高信赖度等优越特性,适用于低电压、高电流的应用,所以近年来被电脑板卡产品广泛使用,而电解电容往往用在主板上负荷较小的区域,例如网卡和声卡的部分。

当然,电解电容和固态电容的区分也非常简单,电解电容通常有花花绿绿的塑料外皮,上面标识有各种参数,而固态电容往往就是直接铝壳裸露,没有塑料外皮。不过有些电解电容也是没有塑料外皮的直接裸露铝壳的,所以最直接的判断方式就是,电解电容器外壳的顶部设计有十字或者K字的凹槽或者凸起,这主要是为了让高温高压电解液能从这里将外壳顶破流出,最大限度避免电容爆炸,而固态电容顶部是没有任何的开槽设计,整个外壳就是个整体。


陶瓷电容才是大哥大

陶瓷电容在整个全球电容器市场中规模最大,占比最高。2019年全球陶瓷电容、铝电解电容、钽电解电容 和薄膜电容的市场规模分别将达到114亿美元、72亿美元、16亿美元和18亿美元。陶瓷电容市场规模占比 达52%,为电子行业市场空间最大、最主要的电容元器件。

1900年意大利L.隆巴迪发明陶瓷介质电容器。30年代末人们发现在陶瓷中添加钛酸盐可使介电常数成倍增长,因而制造出较便宜的瓷介质电容器。

1940年前后人们发现了现在的陶瓷电容器的主要原材料BaTiO3(钛酸钡)具有绝缘性后,开始将陶瓷电容器使用于对既小型、精度要求又极高的军事用电子设备当中。

而陶瓷叠片电容器于1960年左右作为商品开始开发。到了1970年,随着混合IC、计算机、以及便携电子设备的进步也随之迅速的发展起来,成为电子设备中不可缺少的零部件。现在的陶瓷介质电容器的全部数量约占电容器市场的70%左右。

陶瓷介质电容器的绝缘体材料主要使用陶瓷,其基本构造是将陶瓷和内部电极交相重叠。

陶瓷材料有几个种类,自从考虑电子产品无害化特别是无铅化后,高介电系数的PB(铅)退出陶瓷电容器领域,现在主要使用TiO2(二氧化钛)、BaTiO3,CaZrO3(锆酸钙)等。和其它的电容器相比具有体积小、容量大、耐热性好、适合批量生产、价格低等优点。

由于原材料丰富,结构简单,价格低廉,而且电容量范围较宽(一般有几个PF到上百μF),损耗较小,电容量温度系数可根据要求在很大范围内调整。

陶瓷电容器品种繁多,外形尺寸相差甚大从0402(约1×0.5mm)封装的贴片电容器到大型的功率陶瓷电容器。

按使用的介质材料特性可分为Ⅰ型、Ⅱ型和半导体陶瓷电容器;按无功功率大小可分为低功率、高功率陶瓷电容器;按工作电压可分为低压和高压陶瓷电容器;按结构形状可分为圆片形、管型、鼓形、瓶形、筒形、板形、叠片、独石、块状、支柱式、穿心式等。

随着消费电子产品的小型化,陶瓷电容市场规模占电容市场整体规模的比重从2006年不到40%上升至2017年的50%,市场规模达107亿美元,占比超50%。其中,陶瓷电容可分为单层陶瓷电容、多层陶瓷电容器。因为多层陶瓷电容器具有耐高压、高温,体积小,容量范围宽等优点,所以应用较单层陶瓷电容广,占据了陶瓷电容器93%的市场规模。

随着科技时代的到来,PC行业的稳步发展,是对多层陶瓷电容器用量最大的时候。在2013年以前,智能手机等消费电子产品的普及,对 器的需求快速增长。到2013年之后,消费电子发展成熟,对多层陶瓷电容器的需求有所缓解。数据显示,2016年,手机、PC和视音频设备的多层陶瓷电容器需求分别占到整体需求的24%、18%和28%,占比达到70%。



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