? 鋁電解電容器是電子和電氣線路中極為重要的基礎(chǔ)電子元件之一。它在電子線路中除了作為濾波、旁路、耦合和退耦作用外, 還在特殊電路如圖像校正電路、分頻電路、移相電路、脈沖電路、定時電路和儲能等電路中起特殊作用。因此, 它在通訊設(shè)備、移動辦公、視聽系統(tǒng)、家用電器、娛樂電子、工業(yè)電子、醫(yī)用電子、電子儀器儀表、汽車電子、電子對抗以及航空航天等領(lǐng)域得到極其廣泛的應(yīng)用。
廠家價格：
| 價格 | ￥ 0.08~35元 |
| 起批量 | ≥1?PCS |
| 品牌 | RUBYCON | 型號 | 400V4.7uf | 介質(zhì)材料 | 鋁電解 |
| 應(yīng)用范圍 | 濾波 | 外形 | 圓柱形 | 功率特性 | 中功率 |
| 頻率特性 | 高頻 | 調(diào)節(jié)方式 | 固定 | 引線類型 | 同向引出線 |
| 允許偏差 | ±0.5（%） | 耐壓值 | 35（V） | 額定電壓 | 400（V） |
| 溫度系數(shù) | 105 | 標(biāo)稱容量 | 400v | 貨號 | 400V4.7uf |
| 是否跨境貨源 | 否 |
日本紅寶石（?Rubycon）：日本最高品質(zhì)專業(yè)鋁質(zhì)電解電容器制造廠之一，擁有50年專業(yè)制造經(jīng)驗。RUBYCON鋁質(zhì)電解電容品種繁多，用途廣泛。其涉及行業(yè)：醫(yī)療器械、閃光燈、電子節(jié)能燈、電子整流器、電能表、通訊產(chǎn)品、開關(guān)電源、家用電器等諸多行業(yè)。它與日本的同類名牌產(chǎn)品相比，具有低阻抗、高紋波、長壽命等特點，特別適用于可靠性、穩(wěn)定性方面都要求較高的電子線路中。
1 技術(shù)背景
傳統(tǒng)液體電解質(zhì)型鋁電解電容器技術(shù)相對成熟、制造簡單、制造設(shè)備和原材料配套方便, 因此價格便宜、生產(chǎn)量和需求量大。但由于其液體電解質(zhì)屬于弱電解質(zhì)型離子導(dǎo)電, 電導(dǎo)率較低[約為 (10–4~10–1S/cm], 導(dǎo)致電容器串聯(lián)等效電阻較大、損耗較大。另外液體電解質(zhì)還存在隨溫度變化電阻率變化大, 漏液等固有缺陷, 液體電解電容器在高頻低阻抗、高可靠性等應(yīng)用場合難以勝任。
隨著人們生活水平不斷提高, 對各類電子設(shè)備提出了特殊要求, 比如:手機需要加強娛樂、影像和移動辦公等功能, 筆記本電腦需要更長的待機和工作時間等等, 家用汽車需要增加導(dǎo)航、娛樂和安全等功能。這些需求導(dǎo)致電子技術(shù)呈現(xiàn)以下特征:
(1) 移動電子線路供電電源電壓低壓化;由于電子設(shè)備便攜式的要求, 電池供電是唯一選擇, 鋰離子電池工作電壓一般為3.6 V左右 (筆記本電腦用三電池或四電池串聯(lián), 工作電壓10.8~14.4 V) , 堿性電池工作電壓一般為1.5 V左右。
(2) 電子設(shè)備多功能化;電子設(shè)備的功能增加, 導(dǎo)致在不同功能下工作時電子線路中負(fù)荷不均勻。
(3) CPU運行速度更高速、功耗加大;CPU的工作頻率已經(jīng)由MHz發(fā)展到GHz, 存儲器的容量也由MBt發(fā)展到GBt, 導(dǎo)致集成電路的特征尺寸越來越小, 工作電壓越來越低, 1.8 V工作電壓越來越普遍, 同時功耗在增加。
另一方面, 工業(yè)電子、醫(yī)用電子、電子對抗等部分電路卻朝向高工作電壓方向發(fā)展。比如, 高能量脈沖電路、工業(yè)變頻器電路等, 為了減小電路內(nèi)阻, 避免使用電容器串聯(lián), 要求單電容器工作電壓高。
由此可見, 為了適應(yīng)電子技術(shù)各方面的高速發(fā)展需要, 鋁電解電容器的相關(guān)技術(shù)也必須有所突破。
2 技術(shù)對策
為了應(yīng)對上述電子技術(shù)的發(fā)展需求, 鋁電解電容器的性能特征除了傳統(tǒng)的小型化、薄型化、高頻低阻抗、寬溫長壽命、固體化、片式化和高可靠外, 還呈現(xiàn)出工作電壓向高低兩方向延伸等特點。
為了實現(xiàn)鋁電解電容器的上述性能特征, 從技術(shù)角度要求:
(1) 陽極鋁箔比容必須增加;
(2) 陰極鋁箔比容必須大幅度增加;
(3) 電解質(zhì)的電導(dǎo)率必須提高;
(4) 陽極鋁箔的工作電壓應(yīng)該向高低兩方向延伸。
3 技術(shù)瓶頸
陽極、陰極鋁箔的比容決定于腐蝕技術(shù)。近年來, 在技術(shù)人員的不斷努力下, 陽極、陰極鋁箔的比容得到了較大的提高, 然而, 提高的幅度都非常有限, 一般在百分之幾到百分之十幾。如果需要百分之幾十的比容提高, 在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上難于獲得突破, 必須引入新技術(shù)。
同樣, 傳統(tǒng)的電解液, 在新型抗水合劑的幫助下, 電解液的含水量不斷提高, 電解液的電導(dǎo)率相應(yīng)地提高。但是過高的含水量不僅影響電容器的工作溫度, 也影響可靠性, 況且最高的電導(dǎo)率也難于超過0.1S/cm。
4 技術(shù)出路
針對上述技術(shù)瓶頸, 可能的技術(shù)出路有以下方案:
(1) 復(fù)合介質(zhì) 眾所周知傳統(tǒng)的鋁電解電容器的電介質(zhì)是三氧化二鋁, 它的εr一般約為8~10。傳統(tǒng)陽極和陰極鋁箔比容提高的唯一手段就是依賴腐蝕來提高鋁箔比表面積, 從而達(dá)到提高陽極和陰極鋁箔比容的目的。另外, 許多金屬氧化物的εr可以達(dá)到幾百、幾千甚至幾萬。如果將具有高介電常數(shù)的金屬氧化物薄膜引入腐蝕鋁箔表面, 形成復(fù)合介質(zhì), 有可能將陽極鋁箔的比容提高百分之幾十, 甚至比容翻番。
(2) 蒸發(fā)鍍膜 傳統(tǒng)陰極鋁箔的比容主要是利用腐蝕形成的高比表面積的表面與電解液形成的雙電層容量。腐蝕形成的表面粗糙度難與真空蒸發(fā)形成的表面相媲美, 由于真空蒸發(fā)形成的表面大多屬于蒸發(fā)形成的金屬原子疊加而成, 這種方式對提高比表面積非常有利, 但是如果金屬容易氧化或水合, 那么這種鋁箔的抗水合或氧化的能力將較差, 換句話說, 就是無法使用。所以, 金屬種類的選擇是很重要的。
(3) 固體電解質(zhì) 傳統(tǒng)的電解液的電導(dǎo)率較低, 約為 (10–4~10–1) S/cm, 主要原因是由于弱酸性電解液屬于離子導(dǎo)電, 一方面弱酸性電解液的電離度較低, 可移動的離子較少, 另一方面, 離子的遷移率非常低。如果采用電子導(dǎo)電物質(zhì)替代離子導(dǎo)電物質(zhì), 由于電子遷移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子遷移率, 有可能大幅度提高電導(dǎo)率。目前主要是采用具有較高電導(dǎo)率的導(dǎo)電高分子材料, 比如, 聚吡咯或聚3, 4二氧乙烯噻吩, 它們的電導(dǎo)率約為102 S/cm, 比傳統(tǒng)電解液高3個數(shù)量級。
(4) 特殊化成技術(shù) 為了實現(xiàn)超高電壓 (化成電壓高于800 V) 或超低電壓 (化成電壓低于10 V) , 需要開發(fā)特殊化成技術(shù)。
5 技術(shù)難點
5.1 復(fù)合介質(zhì)
為了使高介電常數(shù)的氧化物薄膜復(fù)合到腐蝕鋁箔表面, 并具有高的介電常數(shù), 要解決的第一個難題是氧化物薄膜的結(jié)晶溫度。由于鋁箔的熔點只有660℃, 而一般高介電常數(shù)氧化物的結(jié)晶溫度通常高于700℃, 因此需要通過金屬離子絡(luò)合劑的選擇來降低氧化物的結(jié)晶溫度。第二個難題是腐蝕鋁箔表面具有復(fù)雜的孔洞結(jié)構(gòu), 為了使氧化物先體溶液均勻地涂敷到孔洞表面, 需要合理地控制先體溶液的黏度。
5.2 蒸發(fā)鍍膜
蒸發(fā)鍍膜方式一般情況下主要用于蒸鍍表面均勻致密的薄膜, 而作為電容器陰極使用的鋁箔由于高比容的要求, 必須使蒸鍍的薄膜具有較高的粗糙度, 然而, 粗糙度越高, 薄膜的附著力越差。因此, 要解決的第一個難題是保證足夠的附著力的情況下, 具有高的粗糙度。要解決的第二個難題是在較高的粗糙度情況下, 金屬原子之間的連接很容易受到氧化或水合的作用。一般選用的蒸鍍材料是鈦或者碳。
5.3 固體電解質(zhì)
由于固體電解質(zhì)是作為電容器的陰極, 因此, 固體電解質(zhì)必須與陽極表面緊密接觸, 而陽極表面具有復(fù)雜的孔洞結(jié)構(gòu), 在這種特殊表面上原位生長導(dǎo)電高分子材料具有較高的難度。比較方便的方法是采用化學(xué)聚合法, 然而, 一般情況下, 化學(xué)聚合方法制備的導(dǎo)電高分子材料的電導(dǎo)率較低。為了解決這個問題通常選用具有高電導(dǎo)率的導(dǎo)電高分子材料, 比如, 聚3, 4二氧乙烯噻吩。同時需要解決復(fù)雜的孔洞結(jié)構(gòu)表面導(dǎo)電高分子材料的均勻覆蓋問題。
另一種方法是采用電化學(xué)方法聚合。由于電化學(xué)方法聚合比化學(xué)聚合方法制備的導(dǎo)電高分子材料具有更規(guī)整的結(jié)構(gòu)和更高的電導(dǎo)率。這樣導(dǎo)電高分子材料的單體可以選擇較為廉價的材料, 比如, 吡咯單體。但是電化學(xué)方法需要使用輔助電極和電源設(shè)備。
5.4 特殊化成技術(shù)
特殊化成主要指超高電壓化成和超低電壓化成。有人可能認(rèn)為超低電壓化成沒有什么難度, 其實不然?；呻妷禾蜁r, 往往化成箔的穩(wěn)定性和耐水合性難于解決。由于這類化成箔比容非常高, 處理不好會使比容大幅度下降。
相比之下, 超高電壓化成難度更大些。首先要解決的是閃火問題。解決閃火問題需要采用非水化成液。另外要解決的是化成箔發(fā)脆問題。因為, 化成電壓高, 形成的氧化膜厚度大, 氧化膜的結(jié)構(gòu)控制顯得非常重要。
6 技術(shù)指標(biāo)
6.1 復(fù)合介質(zhì)
低壓復(fù)合介質(zhì)化成箔實驗室比容增幅約為50%以上, 上線實驗比容增幅約為30%;采用復(fù)合介質(zhì)化成箔制作的電容器通過了105℃2 500 h壽命試驗。高壓箔實驗室比容增幅約為10%以上, 目前尚未上線實驗。
6.2 蒸發(fā)鍍膜
蒸鍍材料采用鈦時實驗室結(jié)果陰極比容達(dá)到4×10–9 F/cm2以上, 上線實驗比容達(dá)到1.5×10–9 F/cm2以上。采用蒸鍍陰極箔制作的電容器通過了105℃1 500 h壽命試驗。
6.3 固體電解質(zhì)
采用聚吡咯作為固體電解質(zhì)的疊層片式電容器主要指標(biāo):電壓為2~16 V, 容量為10~330μF, tanδ約為1%, 100 k Hz Res可達(dá)5 m?。
與薄膜電容器、鉭電容器、陶瓷電容器等其他電容器相比，鋁電解電容器具有容量大、耐電壓高、性價比高的優(yōu)點，成為不可替代的被動電子元器件。到2018 年全球鋁電解電容器的市場需求量將達(dá)到48.93 億元。
鋁電解電容器是由經(jīng)過腐蝕和形成氧化膜的陽極鋁箔、經(jīng)過腐蝕的陰極鋁箔、中間隔著電解質(zhì)卷繞后，再浸漬工作電解液，然后密封在鋁殼中而制成的。陽極鋁箔和陰極鋁箔可以通過腐蝕使其表面增加幾倍到幾百倍，因而，電解電容器的單位體積電容量比其他電容器大幾倍到幾十倍。因此，高壓電解容器的電容量從μF 級到萬μF 級；低壓電解電容器最大可以做到F 級。
鋁電解電容器基本結(jié)構(gòu)
鋁電解電容器基本結(jié)構(gòu)
鋁電解電容器的陽極箔和陰極箔以及載有電解質(zhì)糊體的紙張的界面展開示意圖和其等效電路圖。陽極箔表面有一層致密無孔的氧化鋁薄膜，是由電子鋁箔經(jīng)過腐燭過程和化成工藝生成的。這層氧化鋁薄膜在電容器中作為電介質(zhì)，起著耐電壓的作用，它的性質(zhì)決定了鋁電解電容器的電容和壽命。陰極鋁箔只是經(jīng)過了腐蝕過程，沒有經(jīng)過化成工藝，因此其表面只有天然氧化層。陽極鋁箔和陰極鋁箔之間夾著載有電解質(zhì)糊體的襯墊紙。在整個鋁電解電容器中，襯墊紙載有的電解質(zhì)糊體滲透到陽極鋁箔和陰極鋁箔的腐蝕孔中，形成陽極箔/陽極氧化膜/電解液糊體、陰極箔/陰極氧化膜/電解液糊體兩個分電容體系，分別相當(dāng)于圖中等效電路所示的Ca 與Cc。
電極箔是生產(chǎn)鋁電解電容器的關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料，用于承載電荷，占鋁電解電容器生產(chǎn)成本的 30%-60%。電極箔是鋁電解電容器的專用材料，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展高度依賴于鋁電解電容器行業(yè)。電極箔的性能在很大程度上決定著鋁電解電容器的容 量、漏電流、損耗、壽命、可靠性、體積大小等多項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，亦是鋁電解電容器產(chǎn)業(yè)鏈中最具價值及最需要技術(shù)含量的部分之一。鋁電解電容器未來的發(fā)展趨勢直接影響電極箔產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和分布。電極箔與鋁電解電容器的關(guān)系如下：
鋁電解電容器基本結(jié)構(gòu)
近年電子元器件集成化與高速處理化技術(shù)高速發(fā)展，通信產(chǎn)品高頻化技術(shù)及移動產(chǎn)品小型化、高性能化技術(shù)的不斷革新，全球市場對電容產(chǎn)品技術(shù)性能提出更高要求。特別是對應(yīng)用于電子節(jié)能燈、電子電源電路、和運載工具等領(lǐng)域的鋁電解電容器提出了苛刻的要求?！靶〕叽?、大容量、長壽命、耐高溫、低阻抗”是鋁電解電容器的發(fā)展趨勢。
工作電解液是電容器工作過程中的實際陰極，對電容器的使用溫度范圍、工作壽命、可靠性、漏電流、損耗、容量變化等起著決定作用，成為高性能高壓、超高壓鋁電解電容器研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。
鋁電解電容器的化發(fā)展趨勢
電容器根據(jù)電介質(zhì)的不同主要分為鋁電解電容器、鉭電解電容器、陶瓷電容器和薄膜電容器四大類，其中鋁電解電容器具有單位體積 CV 值高和性價比高等顯著優(yōu)點，占據(jù)了34%以上的電容器市場份額，并且隨著新能源及新能源汽車、變頻技術(shù)等新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其所占比例有上升的趨勢。
各類電容器主要性能及主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ惹闆r
作為三大基礎(chǔ)被動電子元器件（電阻、電容及電感器）之一的電容器在電子元器件產(chǎn)業(yè)中占有重要的地位，是電子線路中必不可少的元器件之一，約占全球被動電子元器件市場的 56% 。電容器是一種由兩片接近并相互絕緣的導(dǎo)體制成的儲存電荷的元器件，在電路中主要用于調(diào)諧、濾波、耦合、旁路和能量轉(zhuǎn)換等。
集成電路等半導(dǎo)體器件是電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，大量需要交流-直流 （AC-DC）、直流-直流（DC-DC）電路提供穩(wěn)定的直流電壓，鋁電解電容器在此電路中扮演著重要角色。作為驅(qū)動電源前級濾波、輸出濾波有著明顯優(yōu)勢的鋁電解電容器，是不可替代的元器件。同時，與薄膜電容器、鉭電容器、陶瓷電容器等其他電容器相比，鋁電解電容器具有容量大、耐電壓高、性價比高的優(yōu)點。電子類產(chǎn)品發(fā)展迅速，使小型化、片式化和中高壓大容量鋁電解電容器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，鋁電解電容器將具有更強的生命力和更廣闊的發(fā)展空間，特別是高壓、大容量鋁電解電容器有著無法替代的地位。
7 結(jié)論
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展, 對鋁電解電容器提出了新的要求。為了適應(yīng)形勢的發(fā)展, 鋁電解電容器的技術(shù)也在不斷取得進(jìn)步。尤其是高介復(fù)合氧化膜技術(shù)、真空蒸發(fā)鍍膜陰極技術(shù)和固體片式電解電容器技術(shù)方面均取得了實質(zhì)性進(jìn)步, 已經(jīng)開始或即將開始大批量生產(chǎn)應(yīng)用。這些新技術(shù)的普及, 必將對鋁電解電容器的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生革命性的影響。