钽电容的优点和缺点，钽电容的优点和最新发展

很多朋友对钽电容的优点和缺点，钽电容的优点和最新发展不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

背景钽电容器已有近60年的使用历史，以长期可靠性和电容密度著称。钽电容在军用和商用航空电子设备、植入式医疗电子设备、笔记本电脑、智能手机以及工业自动化和控制系统的设计中发挥着核心作用。钽电容器受欢迎的主要原因是由于其体积效率而具有高的单位体积容量。电容的公式如下：C=(kA)/d其中：C=电容k=介电常数A=表面积d=电介质厚度。

凭借其巨大的表面积、高介电常数和相对较薄的介电层，钽电容器可以在1 F至2，200 F的电容范围内提供最佳的电容密度，最大施加电压为50 V。先进钽粉和高效封装的结合使钽电容器领先于替代技术。例如，当前的钽电容在0402的外壳尺寸中，在4V的充电电压下可以提供22 F的容量。在电压范围的另一端，我们可以找到一种单封装钽电容，在50V充电电压下提供47 F的电容。

传统钽电容器的阴极系统使用二氧化锰(MnO2)材料。这种半导体材料提供了一种自我修复机制(可以带来长期的稳定性)，并且相对便宜。但其富氧配方在高热的极端环境下容易引起火灾。自20世纪90年代中期以来，导电聚合物技术已经成熟，从而补充了二氧化锰产品。由于导电性明显高于MnO2，导电聚合物可以降低ESR。这一进步，加上敏感应用中火灾危险的消除，促进了相关企业对该技术的投资。

先进的钽电容器设计制造商提供各种各样的钽电容器产品，这些产品针对各种特定特性进行了优化，并针对不同的应用和细分市场。这些不同产品系列提供的优化包括更低的ESR、更小的尺寸、高可靠性(用于军事、汽车和医疗应用)、更小的DC漏电流、更低的ESL和更高的工作温度。本文主要关注两个方面：更低的ESR和更小的尺寸。

更低的ESR这些器件针对最低ESR进行了优化，在脉冲或交流应用中提供更高的效率，在高噪声环境中提供更好的滤波性能。尺寸更小——结合使用高CV钽粉和高效封装，这些器件以紧凑的尺寸提供高电容，适合空间受限的应用，如智能手机、平板电脑和其他手持消费电子设备。低ESR钽电容器

降低等效串联电阻一直是钽电容器设计的重要研究领域之一。钽粉的选择和生产过程中用于涂覆阴极材料的工艺对ESR有显著影响。但对于给定的额定值(电容、电压、尺寸)，这些因素主要是设计约束，在目前最先进的器件上已经基本解决。降低ESR的两个主要因素是用导电聚合物代替二氧化锰作为阴极材料，引线框架材料由铁镍合金改为铜。

传统钽电容器的ESR主要来源于正极材料MnO2。如图1所示，MnO2的电导率约为0.1S/cm。相反，导电聚合物(例如聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)的电导率在100S/cm的范围内。电导率的增加直接转化为ESR的显著降低。

在图2中，不同额定值下的ESR-频率曲线显示了钽电容器使用聚合物阴极系统的优势。通过直接比较在外壳的6.3 V/47 F额定值条件下MnO2和聚合物设计的ESR-频率曲线，可以看出聚合物设计在100 kHz频率下将ESR降低了多达一个数量级。图1:不同材料的电导率。图2:不同额定值下的ESR-频率曲线。

引线框架材料是另一个可以通过改用更高电导率的材料来提高ESR的领域。如图3中的电容器横截面所示，引线框提供了从内部电容器元件到封装外部的电连接。图3:电容器横截面。

铁镍合金(如42合金)一直是引线框架材料的传统选择。这些合金的优点包括低热膨胀系数(CTE)、低成本和易于制造。铜引线框架材料加工工艺的改进使其能够用于钽电容器设计。因为电导率是合金42的100倍，所以铜的使用对ESR有重要影响。例如，Vishay 100F/6.3V T55聚合物钽电容采用外壳(EIA 3216)和传统引脚框架，在100kHz和25c时最大ESR为70 m。

通过改为铜引线框架，最大ESR可降至40 m。

钽粉的演变和封装的改进是提高紧凑型钽电容器设计体积效率(电容密度)的两个主要因素。电容器设计中使用的钽粉的品质因数为：(电容电压)/质量，简写为CV/g，批量生产中使用的钽粉的演变如图4所示。CV/g的增加与更小的颗粒尺寸和提高的粉末纯度有关。在电容器设计中使用这些材料本身是一个复杂的研究领域，需要大量的R&D投资。

图4:大规模生产中使用的钽粉的演变。减小钽电容器设计尺寸的另一个重要因素是超高效封装技术的发展。业内最常用的封装技术是引线框架设计。这种结构具有非常高的制造效率，从而可以降低成本并提高生产率。对于不受空间限制的应用，这些设备仍然是可行的解决方案。图5:不同封装技术的体积效率。

然而，在许多主要设计标准是增加密度的电子系统中，能够减小元件尺寸是一个重要的优点。在这方面，制造商在封装技术方面取得了一些进展。如图5所示，与标准引线框架结构相比，无铅框架设计可以提高体积效率。通过减小提供外部连接所需的机械结构的尺寸，这些设备可以使用这个额外的可用空间来增加电容元件的尺寸，从而增加电容和/或电压。

在最新一代封装技术中，Vishay的专利多阵列封装(MAP)结构通过使用封装末端的金属化层来提供外部连接，进一步提高了体积效率。这种结构通过完全消除内部阳极连接，在可用体积范围内最大化了电容元件的尺寸。为了进一步说明容积效率的提高，请参考图6。从图中可以明显看出，电容元件的体积增加了60%以上。

这种增加可用于优化器件，以增加电容和/或电压，降低DCL并提高可靠性。

图6: Vishay拥有专利的多阵列封装结构。Vishay映射结构的另一个好处是减少ESL。MAP结构可以通过消除回路的机械引线框架来显著减小现有电流回路的尺寸。通过最小化电流环路，可以显著降低ESL。如图7所示，与标准引线框架结构相比，这种减少可以达到30%之多。ESL的降低对应着自谐振频率的提高，可以扩大电容器的工作频率范围。图7:7:Vishay的MAP结构与标准引线框架结构的性能比较。

结论钽电容器技术的进步带来了更低的ESR、更低的ESL和更小的尺寸。导电聚合物阴极系统中使用的技术和材料的成熟带来了稳定和可再现的性能。封装技术的提高带来了更高的电容密度和ESL下降。这些都使得钽电容器不仅仅局限于传统用途，而是用在更多的设计中。这些改进相结合，使设计工程师能够在降低寄生效应和提高封装密度的同时，大幅提高电气性能。

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