鉭電容器為高密度、高性能電子電路的設計人員提供了性能穩定的可靠高電容解決方案。鉭電容器歷來深受設計工程師的喜愛，廣泛用于大容量儲能、濾波和去耦等應用。鉭電容器技術的進步包括聚合物陰極系統的成熟，這帶來了更低的有效串聯電阻 （ESR）、封裝密度的顯著提高以及有效串聯電感 （ESL） 的降低。在這里，我們將研究這些發展對績效的影響。
背景
鉭電容器已經使用了將近 60 年。鉭電容器以其長期可靠性和電容密度而著稱，在軍用和商業航空電子設備、植入式醫療電子設備、筆記本電腦、智能手機以及工業自動化和控制系統的設計中一直處于核心地位。
它們受歡迎的核心是它們的體積效率，每單位體積產生高電容。
鉭電容器具有極大的表面積、高介電常數和相對薄的電介質，可在高達 50V 的工作電壓下提供 1?F 至 2,200?F 范圍內的最佳電容密度。
將先進的鉭粉和高效封裝相結合，使鉭電容器領先于替代技術的進步一步。例如，今天的鉭電容器能夠在 0402 外殼尺寸中提供高達 22?F 的 4V 電流。在電壓范圍的另一端，可以在單個封裝中找到 50V 時高達 47?F 的鉭電容器，在通孔封裝中甚至更高。
傳統的鉭電容器使用二氧化錳 （MnO 2 ） 作為陰極系統。這種半導體材料提供了一種自愈機制，可實現長期可靠性并且相對便宜。然而，其富含氧氣的配方在涉及高溫的極端情況下可能會導致著火。自 1990 年代中期以來，該行業一直致力于使導電聚合物成熟，以補充 MnO 2產品。導電性聚合物的電導率明顯高于 MnO 2，有助于降低 ESR。這一進步，加上消除敏感應用中的點火風險，有助于推動對這項技術的投資。
鉭電容設計的進步
制造商提供各種不同系列的固體鉭電容器，這些電容器針對特定特性進行了優化，并針對不同的應用和細分市場。這些不同的產品系列包括優化，例如更低的 ESR、減小的尺寸、高可靠性（例如，軍用、汽車和醫療）、減小的直流電流泄漏、更低的 ESL 和更高的溫度。本文重點關注其中兩個關注領域：降低 ESR 和減小尺寸。
· 更低的 ESR——這些器件針對最低 ESR 進行了優化，在脈沖或交流應用中提供更高的效率，并在高噪聲環境中提供更好的過濾。
· 減小尺寸——這些器件結合使用高 CV 鉭粉和高效封裝，以緊湊的尺寸提供高電容。它們用于空間受限的應用，例如智能手機、平板電腦和其他手持消費電子產品。
低 ESR 鉭電容
降低鉭電容器的 ESR 一直是其設計中的一個重要研究領域。鉭粉的選擇和生產過程中陰極材料應用的工藝對 ESR 有顯著影響。然而，對于給定的額定值（電容、電壓、尺寸），這些因素主要是設計約束，并且在當今最先進的設備中大多是固定的。ESR 最顯著的降低有兩個來源：用導電聚合物代替 MnO 2作為陰極，以及從鐵鎳合金轉換為銅作為引線框架材料。
傳統鉭電容器中 ESR 的主要貢獻者是使用 MnO 2作為陰極材料。MnO 2的電導率約為 0.1 S/cm。相比之下，導電聚合物，例如聚 [3,4-乙烯二氧噻吩] （PEDT），其電導率在 100 S/cm 范圍內。這種電導率的增加直接轉化為 ESR 的顯著降低。
幾個額定值的 ESR 與頻率圖突出了鉭電容器中聚合物陰極系統的優勢。通過直接比較 MnO 2和聚合物中的 A-case 6.3V/47?F 額定值，可以看到在 100kHz 時聚合物設計的 ESR 降低了多達一個數量級。
引線框架材料是另一個改用導電性更高的材料可以提高 ESR 的領域。
鐵鎳合金（例如合金 42）一直是引線框架材料的傳統選擇。這些合金的優點包括低熱膨脹系數 （CTE）、低成本和易于制造。銅作為引線框架材料的處理取得了重大進展，使其能夠用于鉭電容器設計。其導電性是合金 42 的 100 倍，其使用對 ESR 有可衡量的影響。舉例來說，采用傳統引線框架的 A 外殼 （EIA 3216） 中 Vishay 的 100?F/6.3V T55 聚合物鉭電容器在 100kHz 和 25°C 時的最大 ESR 規格為 70mΩ。通過切換到銅引線框架，最大 ESR 規格可以降低到 40mΩ。
緊湊型鉭電容器
在鉭電容器設計中提高體積效率（電容密度）的兩個主要因素是鉭粉的演變和封裝的改進。
用于電容器設計的鉭粉的品質因數等于 C×V/質量 （CV/g）。顯示了用于大規模生產的鉭粉的演變過程。CV/g 的這些增加與較小的顆粒尺寸和提高的粉末純度有關。在電容器設計中利用這些本身就是一個復雜的研究領域，需要大量的研發投資。
另一個對減少鉭電容器設計尺寸的重大貢獻是開發了超高效封裝技術。整個行業中最常用的封裝技術是引線框架設計。這種結構在制造中非常有效，提供低成本和高產量。對于不受空間限制的應用，這些設備繼續提供可行的解決方案。
然而，在許多以增加密度為主要設計標準的電子系統中，減小元件尺寸的能力是一個關鍵優勢。為響應這一需求，制造商在封裝技術方面取得了多項進展。與標準引線框架結構相比，無引線框架設計提高了體積效率。通過減小進行外部連接所需的機械結構的尺寸，這些設備可以利用這個額外的可用空間來增加電容器元件的尺寸，從而增加電容和/或電壓。
在最新一代封裝技術中，Vishay 獲得專利的多陣列封裝 （MAP） 結構通過在封裝末端使用金屬化層進行外部連接，進一步提高了體積效率。通過完全消除內部陽極連接，電容器元件的尺寸可以在可用體積內最大化。為了進一步說明體積效率的改進。這里電容器元件的體積明顯增加了 60% 以上。這種增加可用于優化器件以增加電容和/或電壓、減少 DCL（直流泄漏）和增加可靠性。
Vishay MAP 結構的另一個好處是降低了 ESL。通過消除包絡機械引線框架，MAP 結構顯著減小了已建立電流回路的尺寸。通過最小化電流環路，可以顯著降低 ESL。如圖 7 所示，與標準引線框架結構相比，這種減少可以達到 30% 的量級。ESL 的降低對應于自諧振頻率的增加，從而擴展了電容器的有用頻率范圍。
結論
鉭電容器的進步導致更低的 ESR、更低的 ESL 和更小的尺寸。導電聚合物陰極系統中使用的工藝和材料的成熟導致了穩定、可重復的性能。這激發了超出鉭傳統用途范圍的重大設計活動。封裝技術的改進導致更高的電容密度和 ESL 的降低。
結合起來，這兩項進步為設計工程師提供了顯著改善的電氣性能、低寄生效應和更高的封裝密度。
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