作者：Rick Wiens，首席應用工程師

發布者：DigiKey

介紹

截至撰寫本文時，保守估計顯示 DigiKey 的庫存電容器有超過 37,000 個唯一制造商部件號，如果包括包裝變型則為 114k。僅僅維護這種 SKU 數量就需要大量的文書工作、大量的叉車里程以及大量與實物庫存相關的現金。能夠在收到訂單后短短 15 分鐘內對這些產品進行重新包裝并將其送至裝貨碼頭準備裝運，這堪稱現代工業的一個小奇跡。為什么要在簡單的兩端元件上花費如此多的精力？電壓和電流額定值的組合當然是一個因素，但更微妙的原因是電容器并不是那么簡單。我們用來表示它們的示意性符號是為了方便而省略的，以及一些模糊的細節，這些細節通常a）相當重要，b）在學術界沒有得到很好的對待。有些類型在故障或誤用時往往會劇烈燃燒或釋放有毒蒸氣。其他類型會因廢棄而減弱，并且在其額定極限內的壓力下可能會失效。有些類型隨著環境和應用變量的變化表現出廣泛的參數變化，而其他類型則或多或少被忽視。做出明智的設計選擇需要意識到并考慮這些不同的品質。該資源的目的是為讀者提供易于吞咽膠囊中的電容器技術指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。其他類型會因廢棄而減弱，并且在其額定極限內的壓力下可能會失效。有些類型隨著環境和應用變量的變化表現出廣泛的參數變化，而其他類型則或多或少被忽視。做出明智的設計選擇需要意識到并考慮這些不同的品質。該資源的目的是為讀者提供易于吞咽膠囊中的電容器技術指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。其他類型會因廢棄而減弱，并且在其額定極限內的壓力下可能會失效。有些類型隨著環境和應用變量的變化表現出廣泛的參數變化，而其他類型則或多或少被忽視。做出明智的設計選擇需要意識到并考慮這些不同的品質。該資源的目的是為讀者提供易于吞咽膠囊中的電容器技術指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。該資源的目的是為讀者提供易于吞咽膠囊中的電容器技術指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。該資源的目的是為讀者提供易于吞咽膠囊中的電容器技術指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。

什么是電容器？

[電容器]是以電場形式存儲電能的設備。該過程與機械彈簧以彈性材料變形的形式存儲能量的方式非常相似，除了所使用的變量之外，描述兩者的數學也非常相似。事實上，這種相似性可能是電氣或機械工程專業的學生經常發現其他人的研究晦澀難懂的部分原因。 “v”對于電氣工程師 (EE) 來說意味著“電壓”，但對于機械工程師 (ME) 來說意味著“速度”，他們對彈簧的表示對于 EE 來說可能看起來很像電感器等。平行板電容器的概念是通常用作解釋大多數實用電容器結構的起點。它由兩個彼此平行放置并由絕緣體隔開的導電電極組成，絕緣體通常是幾種聚合物、陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或有時是真空中的一種。當極板之間的間隔距離相對于其面積較小時，這種電容器的值（對于具有機械思維的人來說，本質上是“彈簧常數”）可通過圖 1 中的公式進行近似。然而，應該注意的是，按照慣例，機械彈簧常數和電容器值用尺寸倒數表示；機械彈簧常數通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫侖每伏特）來表示。陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或偶爾為真空。當極板之間的間隔距離相對于其面積較小時，這種電容器的值（本質上是機械愛好者的“彈簧常數”）可通過圖 1 中的公式進行近似。然而，應該注意的是，按照慣例，機械彈簧常數和電容器值用尺寸倒數表示；機械彈簧常數通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫侖每伏特）來表示。陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或偶爾為真空。當極板之間的間隔距離相對于其面積較小時，這種電容器的值（本質上是機械愛好者的“彈簧常數”）可通過圖 1 中的公式進行近似。然而，應該注意的是，按照慣例，機械彈簧常數和電容器值用尺寸倒數表示；機械彈簧常數通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫侖每伏特）來表示。當板之間的間隔距離相對于其面積較小時，可通過圖 1 中的公式進行近似。然而，應該注意的是，按照慣例，機械彈簧常數和電容器值用尺寸倒數表示；機械彈簧常數通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫侖每伏特）來表示。當板之間的間隔距離相對于其面積較小時，可通過圖 1 中的公式進行近似。然而，應該注意的是，按照慣例，機械彈簧常數和電容器值用尺寸倒數表示；機械彈簧常數通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫侖每伏特）來表示。機械彈簧常數通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫侖每伏特）來表示。機械彈簧常數通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫侖每伏特）來表示。

圖 1：平行板電容模型。

實際上，板不必是平的；也可以是平的。卷起、折疊、弄皺、堆疊、切片、切丁和切絲的幾何形狀也可以工作，盡管隨著幾何形狀變得更加復雜，所涉及的數學可能會變得相當混亂。那么，要制作更大的電容值，可以使用更大面積的極板、減小間隔距離（即介電材料的厚度）或增加材料的介電常數。搞亂 ε0 幾乎需要創造一個替代宇宙，這在政治領域之外是一件相當困難的事情。但這個“介電常數”到底是什么？很好的問題；它本質上是材料的一種特性，描述了它們在施加電場的情況下通過多種機制中的任何一種變得電極化的能力。這些機制可能是在原子水平上，其中原子核周圍的電子云被移位，導致原子的一側帶有輕微的正電荷，而另一側帶有相應的負電荷。它也可以在分子水平上發生，這是由于電極分子的方向響應于施加的場而變化，或者通過分子內原子之間的鍵的彎曲和拉伸，非常類似于機械彈簧中的材料彎曲或拉伸。如果原子情況下的電子不會“吹走”并與相鄰的原子核重新結合，并且在分子情況下分子不會被電場力撕裂，則該材料將起到絕緣體的作用；當施加電場時，它不支持持續的電荷流動，盡管當由于原子周圍電子的移動或分子的重新定向/扭曲而建立電場時，它確實有效地允許一些電荷流動。去除所施加的電場可以使電介質中的電子恢復到其所附著的原子核周圍的正常分布，或者使物質中的分子恢復到其原始的隨機方向或形狀。在此過程中，施加電場時流過電容器的大部分電荷返回到電路，以相反的方向流動。材料的（相對）介電常數描述了材料促進這種暫時電流流動的程度（相對于真空的程度）。對于給定面積、間隔距離和施加場強，允許與真空相同量的電荷轉移的材料的介電常數為 1。允許兩倍于真空的電荷轉移的材料的介電常數為 2，等等不同電容器類型的細微差別在很大程度上取決于所用電介質的特性以及給定器件的構造方法。所有介電材料都有局限性，包括給定材料厚度下它們可以承受的最大應用場、介電常數、介電材料和電極中發生的損耗以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當施加的電場恒定時。間隔距離和施加的場強的介電常數為 1。允許兩倍于真空的電荷轉移的材料的介電常數為 2，等等。不同電容器類型的細微差別在很大程度上取決于特性所使用的電介質以及構造給定器件的方法。所有介電材料都有局限性，包括給定材料厚度下它們可以承受的最大應用場、介電常數、介電材料和電極中發生的損耗以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當施加的電場恒定時。間隔距離和施加的場強的介電常數為 1。允許兩倍于真空的電荷轉移的材料的介電常數為 2，等等。不同電容器類型的細微差別在很大程度上取決于特性所使用的電介質以及構造給定器件的方法。所有介電材料都有局限性，包括給定材料厚度下它們可以承受的最大應用場、介電常數、介電材料和電極中發生的損耗以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當施加的電場恒定時。不同電容器類型的細微差別在很大程度上取決于所用電介質的特性以及給定器件的構造方法。所有介電材料都有局限性，包括給定材料厚度下它們可以承受的最大應用場、介電常數、介電材料和電極中發生的損耗以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當施加的電場恒定時。不同電容器類型的細微差別在很大程度上取決于所用電介質的特性以及給定器件的構造方法。所有介電材料都有局限性，包括給定材料厚度下它們可以承受的最大應用場、介電常數、介電材料和電極中發生的損耗以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當施加的電場恒定時。它們的介電常數、電介質材料和電極中發生的損耗，以及當施加的電場恒定時流過或“泄漏”通過電介質的電流量。它們的介電常數、電介質材料和電極中發生的損耗，以及當施加的電場恒定時流過或“泄漏”通過電介質的電流量。

電容器的非理想特性

對于許多用途，實際電容器可以使用相對簡單的集總元件模型來表示，該模型由理想電容器和幾個附加組件組成。

血沉

等效串聯電阻（用R esr表示在圖 2 所示的模型中）描述了與通過電容器移動電荷相關的損耗。電極和引線材料的電阻是一個影響因素，介電材料本身內發生的損耗也會發生，并且通常占主導地位。 ESR 與電容器選擇的相關性是雙重的：1) 它影響電容器的交流響應，2) 由于熱限制，它對允許流過電容器的交流電流量施加限制。與任何其他電阻器一樣，電流流過電容器的 ESR 會導致 I2R 損耗，從而導致電容器內的溫度升高，從而縮短器件的使用壽命。 ESR 受器件類型和結構的影響，也不同程度地受溫度和測試頻率的影響。在很多情況下，電容器的 ESR 并不直接在數據表中給出，而是以 Q、耗散因數 (DF) 或 Tan δ 等匯總數字的形式進行傳達。所有這些都是電容器的 ESR 和容抗的商 (XC ) 表達方式不同。 Tan δ 和耗散因數的計算公式為 ESR/X C ，本質上是相同的數字，但應注意耗散因數通常以百分比表示，而不是簡單的無量綱因數。 Q 只是 Tan δ 的倒數，或 X C /ESR。

圖 2：典型的電容器符號與包含建模為集總元件的非理想屬性的原理圖對比。

英語作為第二語言

等效串聯電感源自器件引線的部分自感、因電路內器件引線的幾何形狀而形成的線圈等。在集總模型近似中，ESL 由理想電感器 (L esl )表示：與理想電容器串聯（C nom ) 代表器件的標稱電容值。 ESL 與電容器選擇的相關性主要在于其對交流響應的影響。正如集總模型所示，實際電容器的行為類似于串聯 LCR 電路。隨著所施加的交流電壓的頻率增加，ESL 的感抗增加到等于器件的容抗的點，并且電容器表現為電阻器。在高于該點的頻率下，電容器實際上是一個電感器。

泄漏

漏電流被建模為與集總模型中的理想電容器并聯的相對較大值的電阻器。這是因為電容器內使用的介電材料不是完美的絕緣體，并且在施加恒定電壓時允許一定量的直流電流通過電容器。漏電與電容器選擇的相關性取決于應用；它可能是微功率應用中的功耗問題、精密模擬應用中的誤差源或電源應用中的可靠性/熱管理問題。

極化

極化是大多數電解電容器的非理想特性，它依賴于通過電化學作用形成的電介質。以不正確的極性向此類電容器施加電壓會導致用于創建電容器介電層的電化學過程發生逆轉。這種電化學破壞介電層的過程會導致高于規定的漏電流，并且隨著變薄的介電層在施加電壓的應力下開始擊穿，漏電流會加劇。由于漏電流會導致內部發熱，并且溫度升高會導致漏電流增加，因此當（錯誤）施加的電壓的源阻抗較低時，會發生級聯效應，從而可能導致相當嚴重的災難性故障。非極化電解電容器（實際上是兩個背靠背放置的極化電容器）可用于施加電壓極性未知或偶爾可能反轉的應用，但使用時需要謹慎。

介電吸收

電介質吸收，也稱為“浸泡”，是指電容器電介質內的能量存儲，其吸收和釋放的時間范圍比器件標稱電容和 ESR 預測的時間范圍要長。在集總元件模型中，它可以表示為與設備標稱電容并聯的電阻器和電容器（或其多個實例）的串聯連接。實際上，這意味著電容器在直流電勢下保持一段時間，然后短暫放電，似乎會在某種程度上自行充電。在另一個示例中，在放電曲線的快速變化部分期間，通過保持在直流電位的電容器的電阻器放電一段時間將通過通常的指數方程很好地建模。然而，在曲線的“長尾”部分，電容器將提供比通常的 RC 放電方程預測的電流更高的電流。這種現象在精密模擬電路中可能會出現問題，但在高電壓、高電容設備（例如許多功率因數校正或直流總線濾波應用中使用的設備）中會帶來潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應用的許多類型的電容器都是最容易通過電介質吸收來存儲能量的電容器，其中一些電容器能夠“自充電”到先前施加的電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。這種現象在精密模擬電路中可能會出現問題，但在高電壓、高電容設備（例如許多功率因數校正或直流總線濾波應用中使用的設備）中會帶來潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應用的許多類型的電容器都是最容易通過電介質吸收來存儲能量的電容器，其中一些電容器能夠“自充電”到先前施加的電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。這種現象在精密模擬電路中可能會出現問題，但在高電壓、高電容設備（例如許多功率因數校正或直流總線濾波應用中使用的設備）中會帶來潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應用的許多類型的電容器都是最容易通過電介質吸收來存儲能量的電容器，其中一些電容器能夠“自充電”到先前施加的電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。高電容器件，例如許多功率因數校正或直流總線濾波應用中使用的器件。目前和歷史上用于此類應用的許多類型的電容器都是最容易通過電介質吸收來存儲能量的電容器，其中一些電容器能夠“自充電”到先前施加的電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。高電容器件，例如許多功率因數校正或直流總線濾波應用中使用的器件。目前和歷史上用于此類應用的許多類型的電容器都是最容易通過電介質吸收來存儲能量的電容器，其中一些電容器能夠“自充電”到先前施加的電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。有些能夠“自充電”至先前施加電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。有些能夠“自充電”至先前施加電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。

____ 對 _____ 的依賴

在第一個空白處，插入任何感興趣的設備參數；電容、ESR、ESL、泄漏、壽命等。在第二個中插入大多數應用參數；溫度、電壓、頻率、時間等。兩者之間存在關系，并且取決于設備類型和結構。其中一些關系不是特別強，通常可以忽略不計，而另一些關系則比 800 磅重的大猩猩更強，更不易被忽視。因此，在進行設備選擇時應考慮這種關系的存在和相關性。

老化

一些電容器類型的特性表現出顯著的變化，這些變化的時間尺度比大多數感興趣的電信號長得多，就像 Krispy Kreme? 甜甜圈在離開油炸鍋后隨時間變化的特性一樣。從設計、制造或校準的角度來看，這可能會帶來問題；例如，剛從回流爐中出來時測試正常的設備可能在一周后不符合規格。

麥克風/壓電效應

回想一下，兩個平行板之間的電容方程是電極間距/電介質厚度的強函數；如果極板之間的距離改變（例如通過施加機械力），電容也會改變。如果電容發生變化但存儲的電荷量保持恒定，則電容器端子上的電壓與電容的變化成反比變化。結果是電容器在機械和電氣領域之間提供了一種轉換機制，通常稱為顫噪效應，因為它與舞臺表演、便攜式電子產品等中使用的音頻麥克風相似/應用。這種效果對于這些領域非常有用。應用程序，但當它導致機械信號意外耦合到電路中時，也可能會出現問題，成為噪聲源，或更糟糕的是，成為意外的反饋路徑。轉導機制也是雙向的；在電容器端子上施加電壓會導致機械力施加到電極上，而機械力又會機械耦合到周圍環境中，例如作為可聽噪聲。盡管由于靜電力（“靜電粘附”背后的現象）而存在于所有電容器中，但它在采用壓電介電材料的設備中最為明顯。此類材料響應機械應變而產生電荷，并在受到電場作用時向另一個方向發生機械變形。由于壓電效應每施加伏特會產生比靜電力大得多的機械力，因此在采用壓電材料的電容器中，電氣和機械領域之間的耦合要強得多。

圖 3：插圖強調了電容器作為音頻/機械傳感器的功能。

電容器的失效機理

電容器（像所有其他人類發明一樣）最終會失效，無論是參數失效還是災難性失效。參數故障是指設備繼續運行，但逐漸退化到不再滿足性能規格的情況。另一方面，災難性故障的特點是設備特性發生突然、劇烈的變化，導致不符合規范的行為，其中可能包括自拆卸、燃燒、白熾等。

介電擊穿

介電擊穿失效是一種電氣狀況，其中介電材料的絕緣特性無法將漏電流維持在指定水平以下。介電擊穿故障通常是由于施加的電壓超過設備的額定限制或超出規定的熱限制而導致的，這些故障往往是自加重的低阻抗（短路）故障。因此，盡管某些類型的電容器能夠優雅地承受輕微的電介質擊穿事件，但它們通常非常引人注目。由于電介質擊穿和熱故障既可能是原因，也可能是結果，因此有時很難將故障事件歸為其中之一所致。

熱的

熱故障是由于器件溫度過高而發生的故障。在溫度過高導致電介質擊穿事件的情況下，通常是短路故障。熱故障也可以被認為是一種長期現象，即在高溫下長時間運行會導致器件參數變化超出允許的限度。

機械的

機械故障是指設備的物理損壞是故障的直接原因，可能表現為參數不合規格、短路或開路。陶瓷電容器經常遇到機械故障，通常是在制造和組裝過程中引起的，但也可能由于濫用或不良的機械設計而在現場發生。

常見的通用電容器規格有哪些

額定電壓

電容器的額定電壓表示應施加到設備的最大電壓。評級的背景很重要；在某些情況下，它可能指示最大安全工作電壓，在其他情況下，它可能更類似于半導體的“絕對最大”額定值，應對其應用適當的降額系數。

寬容

電容器的容差描述了設備在指定測試條件下，特別是交流測試電壓和頻率下應表現出的與標稱電容值的偏差極限。引用的容差數據包括由于制造過程中的變化而導致的與標稱值的穩態偏差，并且可能（在極少數情況下）還包括在規定的工作溫度范圍內由溫度引起的電容值變化。應該注意的是，測試條件（溫度、頻率、幅度和測試電壓的直流偏置值等）常常對觀察到的器件參數有很大影響。

安全等級

設計用于故障可能對人員或財產安全造成風險的應用（通常涉及交流線路電壓）的電容器，根據以下標準指定了字母數字安全等級，例如 X1、X2、Y1、Y2 等。監管標準。 “X”級設備經過認證，適用于故障預計不會造成電擊危險的應用，例如“線對線”應用，而“Y”級設備經過認證，適用于故障會造成電擊危險的應用，例如“線對地”應用。名稱中的數字表示浪涌電壓的耐受程度，如 IEC 60384-14 等適用監管標準中所規定。設備還可能具有多個安全評級，表明其經過認證可在不同情況下使用；例如，具有 X1Y2 安全等級的電容器可用于需要 X1 等級以及需要 Y2 等級的應用。

電介質/電極類型

電容器的特點在于其構造所使用的材料，并且在某種程度上還在于其工作機制。例如，“陶瓷”電容器使用陶瓷材料作為電介質； “鋁電解”電容器是使用鋁電極和電解質溶液等形成的。通常對一般電容器類型內的介電特性（以及因此的器件性能特性）進行進一步規范，特別是在陶瓷電容器類型中。需要注意的一個常見區別是電解電容器類型和非電解電容器類型之間的區別。電解電容器使用通過電化學方式就地形成的介電材料，通常通過氧化電極材料的表面，而非電解電容器（通常稱為“靜電”電容器）使用的介電材料通常通過各種機械過程形成，并且不是電極材料本身的化學衍生物。這種區別很有用，因為這兩種設備類別本身具有共同的特征，只需識別給定設備是否為電解類型，就可以粗略地預測給定設備的質量和應用適用性。一般來說，電解電容器單位體積電容量大、有極性、成本低、損耗大、參數穩定性差。相比之下，非電解器件類型的額定值往往較大、非極性、相對昂貴、損耗低，并且除了少數值得注意的例外之外，表現出相當出色的參數穩定性。這種區別很有用，因為這兩種設備類別本身具有共同的特征，只需識別給定設備是否為電解類型，就可以粗略地預測給定設備的質量和應用適用性。一般來說，電解電容器單位體積電容量大、有極性、成本低、損耗大、參數穩定性差。相比之下，非電解器件類型的額定值往往較大、非極性、相對昂貴、損耗低，并且除了少數值得注意的例外之外，表現出相當出色的參數穩定性。這種區別很有用，因為這兩種設備類別本身具有共同的特征，只需識別給定設備是否為電解類型，就可以粗略地預測給定設備的質量和應用適用性。一般來說，電解電容器單位體積電容量大、有極性、成本低、損耗大、參數穩定性差。相比之下，非電解器件類型的額定值往往較大、非極性、相對昂貴、損耗低，并且除了少數值得注意的例外之外，表現出相當出色的參數穩定性。一般來說，電解電容器單位體積電容量大、有極性、成本低、損耗大、參數穩定性差。相比之下，非電解器件類型的額定值往往較大、非極性、相對昂貴、損耗低，并且除了少數值得注意的例外之外，表現出相當出色的參數穩定性。一般來說，電解電容器單位體積電容量大、有極性、成本低、損耗大、參數穩定性差。相比之下，非電解器件類型的額定值往往較大、非極性、相對昂貴、損耗低，并且除了少數值得注意的例外之外，表現出相當出色的參數穩定性。

工作溫度范圍

電容器的（工作）溫度范圍表示設備合格使用的溫度范圍。當單獨指定時，存儲溫度范圍是指非活動狀態下的存儲不會對器件造成損壞或在正常溫度范圍內操作時導致不可逆的參數變化的溫度范圍。對于未組裝的器件，可以制定有關存儲的進一步（更嚴格）的環境規范，以確保鉛飾面材料不會降解到妨礙正確組裝的程度。與大多數其他合格參數不同，在設備指定溫度范圍之外（特別是在較低溫度下）通常可以輕松運行，前提是采取措施考慮由此產生的參數變化，并且溫度偏移不會導致設備的機械損壞。由于存在與溫度相關的磨損和故障機制，在高于設備額定極限的溫度下運行更加危險，但在設備壽命不是一個重要問題的情況下通常是可能的。然而，這種不合規格的操作由設計者承擔風險，并且需要在設備鑒定方面給予應有的謹慎。然而，這種不合規格的操作由設計者承擔風險，并且需要在設備鑒定方面給予應有的謹慎。然而，這種不合規格的操作由設計者承擔風險，并且需要在設備鑒定方面給予應有的謹慎。

紋波電流額定值

電容器的紋波電流額定值表示應允許通過電容器的最大交流電流。由于流經電容器的電流會因歐姆和介電損耗而導致自熱，因此給定設備可以承受的電流量是有限的，并且受到環境條件的影響。

壽命

許多電容器，尤其是鋁電容器，具有很強的磨損機制，限制了其使用壽命。壽命規格是指設備在指定操作條件下的預期使用壽命。請注意，使用壽命的定義可能有所不同；一種常見的定義是在特定條件下（通常接近額定最大值）的服務期限，在此期限內，50% 的現場設備預計會出現故障。有些規范更嚴格，有些規范可能更寬松。

軍用、高可靠性和既定的可靠性

對于不能容忍器件故障的應用，可以使用根據定義的協議生產和測試的電容器，以便提供器件可靠性的統計保證。特別敏感的應用通常要求通過有記錄的渠道采購組件，這樣可以通過生產過程追溯給定組件的來源，以確保設備的完整性并在發生故障時促進根本原因分析。在撰寫本文時，MIL-HDBK-217F 通知 2 是預測電子設備可靠性最廣泛使用的指南，盡管 Telcordia 制定的程序也已被廣泛使用，特別是在電信行業。

封裝和安裝類型

與大多數電子元件一樣，電容器有多種封裝和安裝類型。器件特性和常見應用限制會影響可用選項，其中可能包括表面安裝器件、軸向和徑向引線通孔類型以及底盤安裝類型。

什么是[鋁電容器]？

鋁電容器是屬于“電解”電容器范疇的一系列器件。因此，它們以相對較低的成本在小型封裝中提供高電容值。為了獲得這些理想的品質，它們的電氣性能和使用壽命往往相對較差。盡管鋁電容器不適合除最野蠻的信號相關應用之外的所有應用，但鋁電容器卻是直流電源相關功能的主要應用。提供三種不同的類型；標準鋁電解電容器、該主題的雙極變體以及包含導電聚合物電極的新型電容器。將該系列稱為“鋁電容器”而不是“鋁電解電容器”是對后一種不包含傳統液體電解質的器件類型的致敬。

圖 4：不同封裝形式的鋁電容器。 LR、表面安裝、通孔安裝和底盤安裝。 （不按比例）

裝置構造

標準鋁電解電容器由兩片高純度鋁箔組成，由間隔材料（例如浸有電解質溶液的紙）交錯和分隔。這些箔片通常在微觀水平上進行蝕刻，其有效表面積比箔保持光滑時增加了數百倍。通過含氧電解質溶液向箔片施加電壓，在其中一個箔片（在標準鋁電解電容器中）上形成一層氧化鋁，該層用作電容器的介電材料。這樣做會導致電解液中的氧氣與鋁箔表面結合，形成氧化層，其厚度與形成過程中施加的電壓成正比，并由要生產的電容器的預期工作電壓決定。通常，該氧化層的厚度約為 1 微米或 0.00004 英寸。下面的未氧化金屬形成鋁電解電容器的電極之一。另一個電極不是第二片箔片，而是電解質溶液。在標準鋁電解電容器中，第二個箔片沒有故意形成的氧化層，只是用于與電解質進行電接觸，因為很難將液體焊接到電路板上......在雙極電容器中，氧化層形成在兩個鋁片上，從而形成一個實際上是兩個反向串聯電容器的裝置。因為電解液是液體（鋁聚合物電容器除外，如果它是導電聚合物材料），它能夠符合蝕刻和氧化箔片的微觀結構，從而在電容器的兩個電極之間形成大面積。由于介電材料（氧化鋁）非常薄，因此最終結果是電容器具有高值；根據基本電容器方程，電容與電極面積成正比，與電極間隔距離/電介質厚度成反比。將引線附接到箔片上，將組件纏繞、折疊或以其他方式成形以適合容器（通常也由鋁制成），并且使用橡膠密封塞密封組件。由于故障情況可能導致內部壓力增大，因此大多數鋁電容器還包括以相對安全的方式排出此類壓力的裝置。在較大的設備中通常使用專用機構來實現此目的，而較小的設備通過仔細設計橡膠密封塞和/或容器刻痕來實現保護性排氣功能，以便在內部壓力過大時容器以相對受控的方式破裂。 。包括標準型、雙極型和聚合物型。

可用電容和電壓范圍

圖 5：撰寫本文時，DigiKey 提供的鋁電容器的電壓/電容額定值范圍圖。

應用的優點和缺點

鋁電容器的主要優點是能夠在小型封裝中提供大電容值，并且成本相對較低。此外，它們往往具有良好的自愈特性；當氧化鋁介電層中出現局部薄弱點時，流過介電薄弱點的漏電流增加會引起類似于介電層初始形成期間所使用的化學反應，導致介電層增厚弱點，從而減少漏電流。鋁電容器的缺點主要與（a）其構造所用材料的化學反應性質、（b）電解質溶液的導電特性以及（c）液體電解質的揮發性有關。鋁電容器所用材料的化學反應性質存在兩點問題：介電層的穩定性和器件的長期機械完整性。由于這些器件中的氧化鋁介電層是通過電化學過程形成的，因此它也可以通過簡單地反轉所施加的電壓而被電化學過程侵蝕。這就是為什么大多數鋁電容器都是有極性的；應用極性錯誤的電壓會導致電介質快速腐蝕和變薄，從而導致高漏電流和內部過熱。從機械完整性的角度來看，將高活性金屬（鋁）與腐蝕性電解質溶液混合是一個微妙的提議；電解質成分錯誤可能導致過早失效，2000 年代初期的“電容器瘟疫”就是明證。鋁電解電容器的另一個缺點是所使用的電解質不是特別有效的導體，因為電解質溶液中的傳導是通過離子傳導而不是電子傳導實現的。離子（由于電子過剩或缺乏而帶有電荷的原子或其小組）不是在作為電荷載體的原子之間移動的松散電子，而是在整個溶液中移動。由于離子比電子體積大，因此它們不易移動，因此離子傳導通常比電子傳導具有更高的電阻。這種情況的程度很大程度上受溫度影響；溫度越低，電解質溶液中的離子越難在溶液中移動，這會轉化為更高的電阻。因此，電解電容器往往具有相對較高的 ESR，與溫度呈很強的負相關。鋁電容器（固體聚合物類型除外）的第三個主要缺點是，液體電解質溶液會隨著時間的推移而蒸發，最終通過橡膠密封塞擴散、安全通風口結構泄漏或泄漏到大氣中。類似的現象。鋁電容器（固體聚合物類型除外）的第三個主要缺點是，液體電解質溶液會隨著時間的推移而蒸發，最終通過橡膠密封塞擴散、安全通風口結構泄漏或泄漏到大氣中。類似的現象。鋁電容器（固體聚合物類型除外）的第三個主要缺點是，液體電解質溶液會隨著時間的推移而蒸發，最終通過橡膠密封塞擴散、安全通風口結構泄漏或泄漏到大氣中。類似的現象。

常見用途和應用

鋁電容器主要用于需要相對大值、低成本電容器的直流電源應用，而交流性能和參數隨時間的穩定性并不是特別重要。此類應用包括電源應用中整流交流線路電壓的大容量濾波以及低頻開關電源中的輸出濾波等。由于鋁電容器相對較高的 ESR 與其大標稱電容串聯形成的時間常數，因此鋁電容器作為當紋波頻率接近 100 kHz 時，此類產品往往會很快失去吸引力。不過，設備優化差異很大，任何給定設備的有用頻率限制可能低至幾 kHz 到 1 MHz。鋁電解電容器通常不適用于不希望器件參數隨環境和操作條件而出現高損耗和大范圍變化的應用，其中包括大多數模擬信號路徑。

常見故障機制/關鍵設計考慮因素

電解質損失

大多數鋁電容器中的液體電解質會隨著時間的推移而蒸發，導致 ESR 增加和電容減少。這是一種磨損機制，通常是鋁電解電容器使用壽命的限制因素。盡管應用和存儲條件會影響指針移動的速度，但時鐘在設備制造出來后立即啟動并且不會停止。溫度是決定電解質損失率的主要因素，阿倫尼烏斯方程對此進行了很好的描述，該方程大致預測溫度每變化 10°C，工藝速率將發生兩倍的變化。換句話說，在所有其他因素相同的情況下，將電解電容器的溫度降低 10°C，其預期使用壽命大約會增加一倍。電解質損失還受到大氣壓力的影響，較低的壓力會導致電解質損失加速。極端低壓環境可能會導致并非針對此類環境設計的設備發生外殼破裂或安全通風口打開的情況，從而比在較高環境壓力下更快地導致故障。當根據阿累尼烏斯關系和制造商規定的壽命規格估計電容器壽命時，必須考慮紋波電流引起的自熱；電容器的內部溫度是感興趣的量，而不僅僅是應用的環境溫度。對于高海拔或低壓操作，請咨詢制造商的規格，因為需要降低規定的使用壽命，在環境壓力下降至零，此時電解質的蒸氣壓與外部環境壓力之間的差異將導致電容器的安全通風口打開。請注意，蒸氣壓通常隨著溫度的升高而增加，從而導致工作溫度和最大允許工作高度之間的權衡。

電解液故障

不正確的電解質配方可能會導致內部組件快速腐蝕和/或鋁電容器中氣壓升高，從而導致過早失效。據報道，這種機制是 2000 年代初期許多消費電子設備中鋁電解電容器普遍過早失效的原因。除了獨立測試和評估之外，避免此問題（事實證明這對許多公司來說極其昂貴）的最佳方法是僅從信譽良好的制造商處直接或通過制造商授權的分銷商購買產品。從可疑來源購買廉價電子元件很像凌晨 2 點在城鎮貧困地區的街角從陌生人那里購買塑料袋裝的藥品……不要這樣做。

電壓過應力

當施加在鋁電解電容器上的電壓超過規定限值時，通過氧化鋁介電層的漏電流迅速增加，從介電材料內的局部“薄”點開始。漏電流的增加導致器件內的局部發熱增加。如果不限制漏電流，增加的局部加熱可能會對介電層造成進一步損壞，導致介電材料的級聯故障和電容器的損壞。

電流過載

鋁電解電容器通常具有相對較大的 ESR 值，這主要是由于電解質溶液的電阻率造成的。流經該電阻的交流電流會導致歐姆加熱，從而導致電解質損失并增加電介質擊穿事件的風險。應該注意的是，鋁電解電容器的表觀電容與頻率相關。因此，制造商提供的紋波電流規格應根據應用中存在的紋波頻率進行解釋。鋁電解電容器的最大紋波電流值通常在 120 Hz 和 100 kHz 時引用，因此在選擇器件時不僅要注意觀察引用的紋波電流值，還要注意引用該數字的測試頻率。

老化導致的電壓過應力

由于電介質形成過程的電化學性質，在零施加電壓下長時間存儲會導致氧化鋁電介質層退化。隨著電介質減弱，即使施加的電壓可能在設備的額定限制范圍內，也可能會發生電壓過應力情況。在輕微的情況下，唯一的癥狀可能是泄漏電流增加和設備溫度暫時升高，直到設備自愈。在嚴重的情況下，通過嚴重退化的電介質上的低源阻抗施加最大額定電壓，設備可能會發生短路并以驚人的方式破裂。盡管已經并繼續開發電解質配方來解決該問題，但不同產品的儲存穩定性差異很大，有些在放電狀態下僅儲存 1 至 3 年后就出現了可測量的退化。在設計可能長時間處于休眠狀態的應用時，建議對器件進行適度的電壓降額，以提高針對這種影響的安全裕度。還建議使用專門設計的能夠抵抗儲存降解的產品。在維修/重新調試情況下，對萎縮鋁電解電容器的一般規定處理方法是在 4-8 小時內逐漸施加系統電壓。執行此操作之前，請驗證設備不會因在低于規格的電源電壓下長時間運行而損壞。在設計可能長時間處于休眠狀態的應用時，建議對器件進行適度的電壓降額，以提高針對這種影響的安全裕度。還建議使用專門設計的能夠抵抗儲存降解的產品。在維修/重新調試情況下，對萎縮鋁電解電容器的一般規定處理方法是在 4-8 小時內逐漸施加系統電壓。執行此操作之前，請驗證設備不會因在低于規格的電源電壓下長時間運行而損壞。在設計可能長時間處于休眠狀態的應用時，建議對器件進行適度的電壓降額，以提高針對這種影響的安全裕度。還建議使用專門設計的能夠抵抗儲存降解的產品。在維修/重新調試情況下，對萎縮鋁電解電容器的一般規定處理方法是在 4-8 小時內逐漸施加系統電壓。執行此操作之前，請驗證設備不會因在低于規格的電源電壓下長時間運行而損壞。還建議使用專門設計的能夠抵抗儲存降解的產品。在維修/重新調試情況下，對萎縮鋁電解電容器的一般規定處理方法是在 4-8 小時內逐漸施加系統電壓。執行此操作之前，請驗證設備不會因在低于規格的電源電壓下長時間運行而損壞。還建議使用專門設計的能夠抵抗儲存降解的產品。在維修/重新調試情況下，對萎縮鋁電解電容器的一般規定處理方法是在 4-8 小時內逐漸施加系統電壓。執行此操作之前，請驗證設備不會因在低于規格的電源電壓下長時間運行而損壞。

設備功能、選項和目標應用

聲音的

用于音頻應用的鋁電解電容器通常是低 ESR 類型，其結構中的設計妥協可能會偏向于有利于電氣性能和參數穩定性，但會犧牲尺寸和成本等因素。然而，應該指出的是，音頻領域充滿了主觀主義和旨在將傻瓜與他們的錢分開的營銷，這種影響甚至滲透到組件層面。如果電容 A 的標簽更漂亮，而且成本是電容 B 的十倍，那么顯然電容 A 更好，對嗎？不必要。檢查規格，了解哪些規格對于當前的應用很重要，然后選擇最能滿足應用要求的設備。除非您正在構建一些東西來出售給愿意花費數百或數千美元購買“定向”揚聲器電纜的人。在這種情況下，請選擇最物有所值的東西……

汽車

針對汽車應用的器件通常設計為具有長壽命和在擴展溫度范圍（至少可達 105°C）下運行的特點。大多數都符合 AEC（汽車電子委員會）標準。

雙極

雙極電解電容器的設計目的是，通過在標準鋁電解電容器中使用的兩個箔片（而不是僅一個）上形成氧化膜，在承受改變極性的電壓時不會損壞。由于此類器件的 ESR 高，通常認為它們不適合在連續施加的交流電壓下運行，因此有時被稱為“無極性直流電容器”以強調這一點。它們的使用通常僅限于直流應用，其中所施加的極性不確定，有時可能會瞬態反轉，或者流過器件的電流可以限制在不會導致過度自熱的值。

一般用途

“通用”是對那些并非專門為解決特定應用類別而設計的設備的總稱，并且其結構沒有主要的區別特征。

高溫回流焊

指定為“高溫回流”類型的器件經過設計和認證，適用于制造過程中遇到較高工藝溫度的應用，如無鉛/符合 RoHS 的回流焊接操作中常見的情況。

電機運行

具有此名稱的鋁電解電容器專為連續工作、高紋波應用而設計，例如變速電機驅動和逆變器應用。

電機啟動

具有此名稱的鋁電解電容器通常設計用于交流電機啟動應用。通常它們是雙極的，額定電壓為幾百伏，值在幾十到幾千微法之間。

聚合物

該名稱與使用固體導電聚合物而不是液體電解質作為電解質材料的鋁電解電容器相關。通常，與同類液體電解質器件相比，它們在高溫下表現出更好的穩定性、更低的 ESR 和更長的使用壽命，盡管可用性受到相對較低的電容和電壓額定值的限制，并且給定電容和電壓額定值的器件成本明顯高于類似的液體電解質類型。

不銹鋼外殼

具有此名稱的設備采用堅固的不銹鋼外殼設計，能夠承受電容器內部和外部之間高于典型的壓差。與大多數其他設備相比，這允許在較低的大氣壓力下運行，并且由于能夠減少電解質損失而允許更長的預期運行壽命。通常，這些設備也相當昂貴。

什么是[陶瓷電容器]？

陶瓷電容器是靜電器件，其特征在于使用各種陶瓷介電材料，這些材料通常基于鈦酸鋇（BaTiO 3 ）。它們是非極化的，其特征涵蓋了大部分數量-質量范圍，可能稍微偏向質量。結構和介電性能的多種變化可滿足不同的應用需求，這種廣泛的適用性與相對低成本的結構一起使陶瓷電容器成為當前使用中最受歡迎的電容器類型（按銷售的設備數量計算）。

裝置構造

圖 6：左：多層陶瓷片式電容器 (MLCC)；右：通孔盤式電容器。

早期的器件被構造為兩個金屬電極之間的單層陶瓷介電材料（通常為圓形）。引線固定在金屬電極上，并將組件封裝在絕緣材料（通常是陶瓷或環氧樹脂）中。雖然這種結構類型仍然存在于用于交流線路或高壓應用的設備中，但基于這種結構方法的設備很少（如果有的話）適合表面安裝，這限制了它們對許多應用的吸引力。如今更常見的是多層陶瓷片式電容器 (MLCC)，它使用交替、交錯的電極和介電材料薄層，以便在較小的整體封裝體積中實現較大的電極表面積。這種裝置是通過擠壓未燒制的陶瓷“粘土”薄片來構造的，在其上通過類似于絲網印刷的工藝沉積細碎形式的電極材料。將許多這樣的“片材”堆疊并壓在一起以形成所需數量的電極層，切割成單獨的電容器，并在高溫爐中燒制以硬化陶瓷介電材料并融合電極金屬中的顆粒。然后應用端接，并且通過最終檢查的設備被包裝以便運輸。并在高溫烘箱中燒制，使陶瓷介電材料硬化并融合電極金屬中的顆粒。然后應用端接，并且通過最終檢查的設備被包裝以便運輸。并在高溫烘箱中燒制，使陶瓷介電材料硬化并融合電極金屬中的顆粒。然后應用端接，并且通過最終檢查的設備被包裝以便運輸。

圖 7：簡化的 MLCC 生產流程。 （來源：維基共享資源）

可用電容和電壓范圍：

圖 8：撰寫本文時 DigiKey 提供的陶瓷電容器電壓/電容組合范圍的圖示。

應用的優點和缺點

陶瓷電容器（尤其是 MLCC）因其多功能性、經濟性、耐用性和普遍良好的電氣特性而贏得了廣泛的青睞。在其應用領域重疊的情況下，陶瓷電容器相對于用于大功率處理的其他類型（鋁、鉭等）通常具有良好的特性，而相對于薄膜或在穩定性和精度要求最高的情況下使用的其他類型而言，陶瓷電容器的特性稍差。必需的。陶瓷電容器的多功能性體現在可用值的范圍上，如圖 8 所示，電容值跨越約 9 個數量級，電壓跨越約 4 個數量級；能夠跨越如此廣度的技術并不多。在大多數情況下，陶瓷電容器結構中使用的原材料并不是特別昂貴并且得到了有效利用，雖然需要高度的精度和過程控制，但基本的制造過程并不復雜。這些特性共同使得 MLCC 每年生產數十億個，單位成本往往低于美分。從應用的角度來看，它們非常適合長期應用；本質上是耐用材料（金屬和陶瓷）的層狀蛋糕，它們不具有強烈的磨損機制，對溫度、壓力或電壓反轉沒有嚴重的脆弱性，也沒有電解裝置所遇到的泄漏、燃燒或毒性的風險。由于陶瓷電容器不像電解設備那樣依賴相對高電阻的電解質溶液來運行，因此陶瓷電容器的 ESR 往往相當低，并且它們的內部幾何形狀（以及短引線長度、在許多情況下，對于 MLCC，電路板布局是 ESL 的主要貢獻者。陶瓷電容器的應用弱點包括機械脆弱性、缺乏自愈能力、高電容值的成本以及對環境和電氣操作條件的不同程度的參數依賴性，具體取決于陶瓷介電材料的具體配方。與大多數陶瓷物體一樣，陶瓷電容器非常脆弱且缺乏靈活性。因此，它們很容易因機械應力或熱沖擊而損壞，并且需要在最終產品的組裝和維修過程中仔細減輕這些因素。陶瓷電容器相對惰性的“鋼石”結構的缺點是不存在自愈機制。導致電介質擊穿的應力往往會對設備造成不可恢復的損壞，因此必須將實質性的安全因素納入額外的電介質厚度中，因為電介質中的薄弱點在生產過程中不易被“燒毀”。這導致陶瓷電容器的每法拉成本相對較高（與電解電容器相比），并且隨著設備尺寸的增加，機械損壞的風險也隨之增加，導致陶瓷電容器的吸引力/可用性降低，其值超過幾十微法拉。最后，許多陶瓷介電配方在參數上不穩定，或者與溫度和介電應力呈線性關系，其程度通常與其介電常數成正比。最后，高值陶瓷電容器通常不適合精密應用。

重要的設計考慮因素

溫度特性和介電分類

常用的陶瓷介電材料有多種，但其體積效率、溫度依賴性、損耗特性和其他非理想行為差異很大。不同的設備根據其溫度特性進行分類，并采用 EIA（電子工業協會）和 IEC（國際電工委員會）以及美國軍方和其他標準機構多年來建立的不同分界線和標識系統。這些系統的共同點是電容的質量和數量之間的區別。用于精密模擬和諧振電路應用的低損耗/高穩定性/溫度線性類型與提供單位體積??高電容的類型不同，但代價是穩定性和線性度較差。IEC 標準將針對電容質量和數量設計的電介質分別指定為 1 類和 2 類。與 IEC 標準一樣，EIA 標準將注重質量的電介質指定為 I 類（羅馬數字，并不總是使用），盡管它將 IEC 2 類設備細分為 EIA II 類和 III 類。 EIA II 類器件是指在整個溫度范圍內的參數穩定性方面保留一定程度的器件（在指定范圍內+/- 15% 或更好，通常為 -50°C 至 85°C 或更高），而 EIA III 類器件電介質為了追求體積效率而放棄了所有溫度穩定性的偽裝，在更窄的溫度范圍內具有更寬的參數變化； +10° 至 +85°C 范圍內 +22%/-56% 或 -30°C 至 +85°C 范圍內 +22%/-82% 是常見的 III 級限值。圖 9 以圖形方式說明了這一現象，顯示了一家制造商對具有幾種不同溫度特性的電介質的表征。

圖 9：幾種不同介電類別的陶瓷電容器隨溫度變化的典型電容變化。 （源數據：AVX 表面貼裝陶瓷電容器產品目錄，v13.10）

每個通用介電類別都有各種介電配方，按 1 類介電材料的電容溫度系數分類，以及其他器件類別在指定溫度范圍內電容變化的限制。圖 9A 的表中顯示了一些分類方案的“秘密解碼器環”。采用 IEC 1 類（EIA I 類）電介質的 MLCC 設計具有受控、指定的電容溫度系數；這些器件的電容是溫度的線性函數。 EIA I 類器件的介電分類指示該線的斜率和所述斜率的容差。相比之下，II 類和 III 類陶瓷的介電分類表明了兩個量的外部邊界：1) 電容隨溫度的變化，以相對于標準溫度（通常為 25°C）下的值的百分比表示；2) 邊界適用的溫度范圍。在這些限制內，沒有暗示溫度特性的斜率；大多數甚至不是單調的，更不用說線性了。

圖 9A：顯示 EIA 和美國軍事分類方案下不同指示符所表示的行為限制的表格。

關于 IEC 2 類（EIA II/III 類）電介質的分類，應注意兩個重要的觀察結果：

1. 它們表明電容變化僅隨溫度變化。其他影響不包括在 ΔC 數據中，并且這些影響可能很重要。 （參見電容電壓系數部分）
2. 它們并不是介電配方的絕對規定，只是僅根據溫度行為對器件進行分組的一種方法。不同的部件號（特別是具有不同封裝尺寸的部件）在給定的應用中可能表現不同，即使它們具有相同的值、容差、額定電壓和介電分類。

公差規格

陶瓷電容器的制造公差和溫度行為規范之間的區別很容易被誤解，這可能是由于數字大小經常相似、通常以百分比表示的做法以及不完善的語言規則。準確地說，陶瓷電容器的“公差”規格表示在標準測試條件下由于制造差異而導致的器件值的允許變化。它通常指定為標稱值的百分比，指的是在標準化測試條件下具有相同部件號的不同設備之間相對于標稱值的變化。換句話說，它是衡量生產線零件均勻性的指標。相比之下，陶瓷電容器的“溫度特性”表示任何給定設備的電容在該設備規定的工作溫度范圍內隨溫度變化的程度。術語“溫度系數”最適合使用 I 類電介質的器件，其或多或少具有線性溫度依賴性，而術語“溫度特性”更適合使用 EIA II 類和 III 類電介質的電容器，其表現出明顯的非線性電容隨溫度變化。其或多或少具有線性溫度依賴性，而術語“溫度特性”更適合使用 EIA II 類和 III 類電介質的電容器，這些電容器的電容隨溫度明顯呈現非線性變化。其或多或少具有線性溫度依賴性，而術語“溫度特性”更適合使用 EIA II 類和 III 類電介質的電容器，這些電容器的電容隨溫度明顯呈現非線性變化。

圖 10：[Vishay BC Components]D471K20Y5PH6UJ5R 陶瓷電容器的容差與溫度的關系。

例如，部件號[BC5214CT-ND]是一種陶瓷圓盤電容器，指定具有標稱 470 pF 電容、+/-10% 容差和 Y5V 溫度特性。在指定的測試條件下測量，具有該 P/N 的器件應表現出 423 pF 至 517 pF 之間的電容；這是設備容差，表明圖?? 10 左側圖表中紅線上的某個點應該描述具有該部件號的設備。然而，Y5V 溫度特性表明，在 -30°C 至 +85°C 之間的溫度下測量時，相對于標準測試條件下的值，器件電容可能會額外變化 +22%/-82%。換句話說，只要器件的電容與溫度關系圖（使用指定的測試信號、指定的溫度歷史記錄等進行測量）符合規范，器件就可以滿足規范。) 垂直停留在藍框內并穿過紅線；在盒子的水平（溫度）限制之外，一切都會發生。當考慮到溫度特性時，我們發現這個（標稱）470 pF 電容器可以表現出 76 到 630 pF 之間的電容（25°C 除外），但仍完全在規格范圍內。通過添加老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區別顯然非常重要；如果應用程序偏離室溫太多，設計人員錯誤地認為設備的值將在標稱值的 10% 以內，那么他們可能會感到失望。比較零件編號比較零件編號比較零件編號在盒子的水平（溫度）限制之外，一切都會發生。當考慮到溫度特性時，我們發現這個（標稱）470 pF 電容器可以表現出 76 到 630 pF 之間的電容（25°C 除外），但仍完全在規格范圍內。通過添加老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區別顯然非常重要；如果應用程序偏離室溫太多，設計人員錯誤地認為設備的值將在標稱值的 10% 以內，那么他們可能會感到失望。比較零件編號在盒子的水平（溫度）限制之外，一切都會發生。當考慮到溫度特性時，我們發現這個（標稱）470 pF 電容器可以表現出 76 到 630 pF 之間的電容（25°C 除外），但仍完全在規格范圍內。通過添加老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區別顯然非常重要；如果應用程序偏離室溫太多，設計人員錯誤地認為設備的值將在標稱值的 10% 以內，那么他們可能會感到失望。比較零件編號我們發現這個（標稱）470 pF 電容器可以表現出 76 到 630 pF 之間的電容（25°C 除外），但仍完全符合規格。通過添加老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區別顯然非常重要；如果應用程序偏離室溫太多，設計人員錯誤地認為設備的值將在標稱值的 10% 以內，那么他們可能會感到失望。比較零件編號我們發現這個（標稱）470 pF 電容器可以表現出 76 到 630 pF 之間的電容（25°C 除外），但仍完全符合規格。通過添加老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區別顯然非常重要；如果應用程序偏離室溫太多，設計人員錯誤地認為設備的值將在標稱值的 10% 以內，那么他們可能會感到失望。比較零件編號通過添加老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區別顯然非常重要；如果應用程序偏離室溫太多，設計人員錯誤地認為設備的值將在標稱值的 10% 以內，那么他們可能會感到失望。比較零件編號通過添加老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區別顯然非常重要；如果應用程序偏離室溫太多，設計人員錯誤地認為設備的值將在標稱值的 10% 以內，那么他們可能會感到失望。比較零件編號如果應用程序偏離室溫太多，設計人員錯誤地認為設備的值將在標稱值的 10% 以內，那么他們可能會感到失望。比較零件編號如果應用程序偏離室溫太多，設計人員錯誤地認為設備的值將在標稱值的 10% 以內，那么他們可能會感到失望。比較零件編號[490-3271-2-ND]和[490-5920-2-ND];兩個 0.1 uF、25 V 電容器均采用 EIA 0402 封裝。前者使用具有 Y5V 特性的 III 類電介質，容差為 -20%~+80%，在撰寫本文時，每件數量的標價為 0.00399 美元。后者使用具有 X5R 特性的 II 類電介質，具有 +/-10% 的容差，售價為 0.00483 美元。圖 10 右側的圖表中繪制了因考慮溫度特性而產生的公差帶和窗口。與上一張圖表一樣，如果裝配線上下來的器件的實際電容隨溫度變化，則其符合規格。停留在各自的盒子內并穿過垂直線@ 25°C。 X5R（II 類）器件比 Y5V（III 類）器件更接近標稱值三倍以上，并且在更寬的溫度范圍內實現這一點，而對于 II 類器件，由于制造變異性和溫度的綜合影響，最大和最小器件值之間的比率幾乎要小十倍。不到 1/10 美分就可以減少所需的設計余量、提高生產良率、降低測試要求、延長產品壽命等。這樣的好處是值得每一分錢的，但它們的成本并不高。

電容電壓系數

陶瓷電容器的電容隨直流偏置電平的變化而變化。換句話說，使用平均為 0 V 的 1 V P-P大小波測量設備的電容將產生與使用直流偏移為 10 V 的 1 V 正弦波測試同一設備時不同（通常更大）的值。效應源于由于施加電壓梯度而施加在電介質晶體結構上的應力，因此與電介質厚度/器件額定電壓成比例；在其他條件相同的情況下（很少有這種情況……），額定電壓為 100 V ~DC 的設備所需的直流偏置電壓是額定電壓為 25 V ~DC的設備的四倍~~為了表現出相同比例的電容變化。毫不奇怪，該效果也受到介電配方的影響。 EIA I 類電介質表現出相對較小的電壓系數，當直流偏置在設備額定電壓的 0% 和 100% 之間變化時，觀察到的電容通常最多變化幾個百分點（通常較小）。 EIA II 類電介質明顯更容易受到 DC 偏壓的影響，電容變化約為 20-60%，這是正常情況。這種變化當然不容小覷，但明顯比 EIA III 類電介質所表現出的變化嚴重，后者通常表現出比額定電壓高出 80-90% 或更多的電容變化。不，這不是一個拼寫錯誤；使用 EIA III 類電介質材料的陶瓷電容器的有效電容可能會因為直流偏置而發生一個數量級的變化。這種影響也可能是不利的非線性的；當偏置僅達到其額定直流電壓的 20% 時，某些器件的電容可減少 75%。更糟糕的是，這種效應是隨溫度效應累積的（盡管不是線性相加的）。 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 靜電容量變化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 (-100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 靜電容量變化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 (-100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 靜電容量變化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 ([CGB2A1X5R1C105K033BC]）0603（[C1608X5R1C105K080AA]）0805（[C2012X5R1C105K085AA]）。

圖 11：封裝尺寸對直流偏置效應的影響。來源：數據來自 TDK Components Characteristic Viewer 在線工具。

也許更令人驚訝（并且陰險）的是直流偏置效應的大小與器件封裝尺寸之間的關系。將越來越大的電容塞進越來越小的封裝中，在某些方面需要做出妥協，如圖 11 所示，該圖顯示了來自同一制造商產品系列的三種不同 1 uF/16 V/X5R 電容器的電容變化與直流偏置的函數關系；它們之間的主要區別只是封裝尺寸。較小包裝的成本是顯而易見的；采用 EIA0805 封裝的器件（綠色）在 5 V 偏置下表現出幾個百分點的電容損失，而更激進的 0402 封裝器件（藍色）在相同條件下損失了近 70%，而采用 0603 封裝的器件（紅色） ）介于兩者之間。認識到許多應用都涉及直流偏置和維護一些最小電容（例如低壓差穩壓器的輸出濾波器）的興趣，因此，無知可能會帶來不愉快的損失，這是顯而易見的。不幸的是，這些電壓相關效應的描述實際上并不是器件數據表的一部分，因此很容易忽視或忽視它們的存在，并使比較不同產品的工作變得復雜。但請放心，它們確實存在，并在選擇設備時牢記這一事實。很容易忽視或忽視它們的存在，并使比較不同產品的工作變得復雜。但請放心，它們確實存在，并在選擇設備時牢記這一事實。很容易忽視或忽視它們的存在，并使比較不同產品的工作變得復雜。但請放心，它們確實存在，并在選擇設備時牢記這一事實。

開裂

由于陶瓷材料的脆性和相對剛性，機械損傷是陶瓷電容器失效的主要原因。故障的電氣癥狀可能表現為電容減少以及短路或開路。在某些情況下，這些癥狀可能會隨著溫度等外部影響而出現或消失。有時，陶瓷電容器中的裂紋用肉眼就能看到，有時它們太小而看不見，或者隱藏在安裝設備的底部或端子的邊緣。機械損壞通常是通過以下幾種機制之一造成的：

• 組裝過程中或由于連接器配合力、粗暴搬運等導致的電路板彎曲。
• 操作溫度循環或裝配操作產生的熱應力。
• 由于組裝前或組裝過程中處理不當造成的直接損壞。

到目前為止，由于陶瓷材料、端子和 PCB 之間的緊密機械耦合，多層陶瓷芯片 (MLCC) 類型是最常見的裂紋受害者。通孔或引線框架安裝器件的相對較長且靈活的端子減少了因溫度循環或電路板彎曲而施加到陶瓷電容器主體上的力，從而使這些器件不再需要擔心破裂。對于使用條件惡劣的應用，可以使用在端子和陶瓷器件主體之間提高機械靈活性的 MLCC，以及旨在降低短路故障風險的器件。許多電容器破裂的原因都與裝配有關，超出了設計者的直接控制范圍；例如，裝配商有責任避免在拾取和放置操作期間壓碎和粉碎組件，并為所使用的裝配過程提供適當的預熱和冷卻時間。其他因素（例如焊膏用量/焊膏模板厚度）是共同的責任，而焊盤尺寸、電路板布局和封裝選擇等因素則完全取決于設計人員。 MLCC破裂現象及其避免的詳細討論可在行業文獻中找到，為簡潔起見，在此不再重復。然而，設計師從這些來之不易的知識中提煉出的幾條經驗法則如下：以及為所使用的裝配工藝提供適當的預熱和冷卻時間。其他因素（例如焊膏用量/焊膏模板厚度）是共同的責任，而焊盤尺寸、電路板布局和封裝選擇等因素則完全取決于設計人員。 MLCC破裂現象及其避免的詳細討論可在行業文獻中找到，為簡潔起見，在此不再重復。然而，設計師從這些來之不易的知識中提煉出的幾條經驗法則如下：以及為所使用的裝配工藝提供適當的預熱和冷卻時間。其他因素（例如焊膏用量/焊膏模板厚度）是共同的責任，而焊盤尺寸、電路板布局和封裝選擇等因素則完全取決于設計人員。 MLCC破裂現象及其避免的詳細討論可在行業文獻中找到，為簡潔起見，在此不再重復。然而，設計師從這些來之不易的知識中提煉出的幾條經驗法則如下：MLCC裂紋現象及其避免的詳細討論可在行業文獻中找到，為簡潔起見，此處不再重復。然而，設計師從這些來之不易的知識中提煉出的幾條經驗法則如下：MLCC破裂現象及其避免的詳細討論可在行業文獻中找到，為簡潔起見，在此不再重復。然而，設計師從這些來之不易的知識中提煉出的幾條經驗法則如下：

• 選擇經驗豐富、注重質量的裝配承包商。
• 避免熱沖擊；對于 MLCC 來說，波峰焊和傳統烙鐵是特別危險的組裝和返工方法。
• 減小元件尺寸；較大的器件由于電路板彎曲而承受更大的應力，并且更容易因熱沖擊而損壞。建議使用 0805（2012 公制）或更小包裝的設備。
• 組裝后分離鑲板時要格外小心，以避免板彎曲。沿著刻痕線手動破壞陣列是最不受歡迎的方法，剪刀也緊隨其后。如果可能，請使用鋸或其他不會向 PCB 施加彎曲應力的分離方法。
• 使 MLCC 遠離電路板邊緣、連接器、安裝孔、大型/重型元件、面板選項卡或可能向 PCB 引入機械應力的其他點。建議最小距離為 0.2 英寸或 5 毫米。

老化

陶瓷電容器會出現與介電晶體結構變化相關的老化現象，這表現為介電材料初始燒制后電容和損耗因數的變化。根據既定模式，EIA I 類電介質受影響最小，并且被廣泛認為不會老化，而 EIA II 類電介質材料受到中等程度的影響，EIA III 類材料往往受到相當嚴重的影響。通過暴露于高于電介質居里溫度的溫度足夠長的時間以允許晶體結構重新形成，可以重置該老化過程（或器件“去老化”）；溫度越高，所需時間越短。由于許多陶瓷電介質的居里溫度低于許多焊接工藝中遇到的居里溫度，因此器件在組裝過程中可能至少部分去老化。設備的這種老化行為通常以每十小時電容變化的百分比來表示，相對于“最后一次加熱”時測量的電容；上次將器件加熱到居里溫度以上足夠長的時間以完全改變其晶體結構時。換句話說，老化率為 (-) 5% 且在“新鮮烤箱”狀態下測量為 100 uF 的電容器在從烤箱中取出 1、10 和 10 年后預計測量值約為 95、90 和 85 uF。分別為100小時。顯然，這引起了設備的標稱電容應該是多少的問題，如果該數量不斷變化，即使設備以其原始包裝放置在架子上未使用。行業標準 EIA-521 和 IEC-384-9 談到了這個問題，主要規定設備應在最后一次加熱后 1000 小時（約 42 天）內滿足其指定的容差值。接下來的十年時間標記（10K 和 100K 小時）分別相當于 1 年多一點和 11 年多一點。使事情變得復雜的是，老化過程以與溫度相關的速率進行。當達到電介質的居里溫度時，器件溫度的升高通常會加速老化過程。由于老化現象可能導致設備看起來超出其規定的公差，因此產品設計和生產測試人員必須注意這一事實；最近回流組件的測試應該預期電容值有點高，并且設計應該有足夠的余量，以便隨著設備老化而正常工作。電源轉換電路是這種效應可能造成嚴重危險的一個很好的例子，因為陶瓷電容器通常最終會對此類電路的控制環路產生強烈影響，無論是作為補償網絡組件還是作為濾波器元件。在組裝過程中電容器去老化的影響下看起來穩定的系統可能會隨著時間的推移而變得不穩定，因為老化造成的電容損失會影響控制環路的動態。最重要的是，如果隨著時間的推移保持穩定的電容值很重要，則應避免明顯老化的電容器。西西弗斯是21世紀的人物嗎？他的任務可能是調整使用表面貼裝 Y5V 陶瓷片電容器構建的有源濾波器……

壓電效應/麥克風效應

IEC 2 類（EIA II 類和 III 類）陶瓷電介質本質上具有壓電特性，因此在電氣和機械領域之間產生了重要的傳導機制。在壓電材料上施加電壓會導致機械變形，相反，使壓電材料機械變形會導致其上出現電壓。由于電容器和 PCB 之間的機械耦合緊密，這對于表面貼裝 MLCC 來說尤其可能存在問題。一方面，施加在電容器上的紋波電壓可能會轉化為令人煩惱的可聽噪聲；另一方面，外部機械振動可以作為信號耦合到電子電路中。基于 1 類電介質的陶瓷電容器受到的影響最小，因為這些電介質幾乎沒有壓電效應。然而，通過靜電效應（所有電容器所固有）的機電轉換機制仍然存在，因此雖然對于 I 類設備來說通常可以忽略不計，但顫噪效應仍然存在。

電極冶金

MLCC 中的電極材料遵循兩種通用冶金路徑之一，稱為貴金屬電極 (NME) 或賤金屬電極 (BME) 系統。雖然這不是大多數應用的通用選擇標準，但這兩種技術確實導致了值得注意的不同特征。貴金屬電極通常基于鈀銀合金，也可以稱為貴金屬電極（PME），因為貴金屬（相對不活潑的金屬，特別是與氧的反應性相對較低的金屬）也往往很昂貴。由于使用這些電極材料是因為它們的反應性低，而不是因為它們昂貴，因此可以說前一個術語是正確的，盡管原因和營銷似乎在這一點上存在分歧……賤金屬電極通常是鎳基的。從生產的角度來看，當前的重要問題是電極金屬在燒制陶瓷介電材料所需的高溫下如何發生化學反應；貴金屬電極系統可以在高溫下耐受更多氧氣的存在，因此可以使用空氣氣氛窯和需要氧氣正確固化的介電配方來制造。賤金屬電極系統在高溫下對氧氣的耐受性不同，因此必須使用不同的設備和介電配方進行制造。 NME方式是最初采取的路線，在可靠性和積累的行業經驗方面具有一定的優勢。因此，在撰寫本文時，許多高可靠性和軍用規格的產品都是使用此工藝生產的。主要缺點是電極材料成本高，并且相對于 BME 器件，單位體積可實現的電容較低，這是由于特性材料和工藝差異導致 NME 器件中通常使用較厚的介電層。

設備功能、選項和目標應用

汽車

以“汽車”類型銷售的電容器設計用于機械要求較高的環境，例如汽車。通常，它們還根據某些協議進行生產和測試，例如汽車電子委員會制定的 AEC-Q200 標準，該標準規定了各種應力機制的測試方法和性能水平，例如 ESD、施加到端子的機械力、浪涌電壓等

受控ESR

指定為“受控 ESR”類型的電容器在設計時故意添加了少量 ESR，以降低由電容及其寄生電感產生的 LC 電路的“Q”系數。這對于電源軌去耦等應用很有幫助，其中適量 ESR 的存在可以抑制具有跡線電感的電容器的“振鈴”，或者有助于避免并聯電容器之間的反諧振情況。

可環氧樹脂安裝

指定為可環氧樹脂安裝的設備設計為使用導電粘合劑而不是通常的焊接工藝進行安裝。區別主要在于端子表面電鍍所使用的材料不同，以便為所使用的安裝方法提供良好的粘合效果；標準焊接工藝不適用于環氧樹脂安裝設備，反之亦然。環氧樹脂安裝對于遭受大而頻繁的溫度波動的應用（例如汽車應用）是有益的，其中環氧樹脂接頭相對于焊點增加了機械靈活性，減少了由于電路板之間的熱膨脹系數不同而產生的機械應力，焊點和電容器體。環氧樹脂安裝對于熱敏感應用（例如 LCD 面板）也很有用。

浮動電極

指定為“浮動電極”類型的設備實際上由與內部電極串聯的多個電容器組成，這些電容器不連接到任一設備端子，而是保持“浮動”。這種構造方法的目的主要是為了降低短路故障模式的風險，短路故障模式通常是電容器破裂的二次效應而發生的，盡管它也具有抗 ESD 和浪涌電壓的穩健性方面的優點。

高溫

被指定為“高溫”類型的設備（毫不奇怪）適用于溫度高于大多數電子設備所遇到的溫度的應用。通常，這也意味著“寬溫度范圍”，因為具有此名稱的設備往往也指定用于電子設備常見工作溫度范圍的下限。該名稱的不明顯之處在于，大多數帶有該名稱的設備在溫度和直流偏置方面都表現出相當令人印象深刻的參數穩定性。

高壓/Arc Guard?/Arc Shield?

具有“高電壓”和/或專有防電弧名稱的電容器設計用于超出電子設備典型電壓的應用電壓。盡管分界線似乎落在 100 V 至 1 kV 范圍內，但制造商之間對“高壓”的定義有所不同。在這樣的電勢下，MLCC 技術開始遭受端子之間或端子與通過設備外殼連接到另一個端子的電極之間的表面電弧的困擾。這當然不是一件好事。雖然表面電弧對于任何在足夠高的電壓下的組件來說都是一個問題，但 MLCC 技術特別容易受到攻擊，因為其緊湊的結構必然使兩個器件端子及其連接的電極非常接近，增加電介質擊穿和電弧的風險。增加設備尺寸來進行補償是一種選擇，但其代價是設備破裂的風險大大增加。設備如[Arc Guard?]和[Arc Shield?]系列產品旨在減輕這些影響，并改善介電擊穿故障風險與機械裂紋風險之間的權衡方程。

高Q值/低損耗/低損耗因數

以高 Q、低損耗或低耗散因數類型銷售的器件旨在最大限度地降低 ESR。通常，這些器件由 I 類介電材料制成，用于 RF 或其他高頻應用，在這些應用中需要接近理想的電容器來實現鑒頻目的。

集成泄放電阻

具有此名稱的設備集成了并聯電阻器，以確保設備斷電時電容器上不會殘留或累積電荷。截至撰寫本文時，DigiKey 僅列出了 3 個帶有此名稱的部件號，所有這些部件都是非庫存且價格昂貴。為什么？嗯，這些設備的數據表的營銷（第一）頁上列出的建議應用包括“引爆裝置”和“電子引信”，這與您在大多數電容器數據表上看到的類型并不完全一樣。 （不，應用筆記不可用......）

低ESL

低 ESL 陶瓷電容器旨在最大限度地減少串聯電感。對于表面貼裝 MLCC，大部分電感并不是部件本身固有的，而是與封裝的幾何形狀以及將其連接到電路的引線有關。因此，低 ESL MLCC 大部分是標準器件的幾何和引線配置變體。多端子低 ESL 器件為每個邏輯電容器端子使用多個物理端子，并以這樣的方式交錯它們，使進入和離開器件的電流產生的磁場在很大程度上抵消，從而降低電感。反向幾何陶瓷電容器將器件端子放置在電容器的長邊上，而不是像其他器件的標準做法那樣放置在電容器的兩端。堆疊式低 ESL 陶瓷電容器將多個 MLCC 器件連接在一個引線框架上，這樣可以將它們作為一個單元進行處理和組裝，并具有降低破裂和顫噪效應風險的優點。將此類器件描述為“低 ESL”是一種營銷策略，因為它只有在與不同電容器技術進行蘋果與橘子比較的情況下才準確。相對于直接安裝到 PCB 的相同陶瓷電容器，安裝的器件在引線框架上（將它們提升到電路板上方）將表現出明顯更高的 ESL。低 ESL MLCC 的 X2Y 描述符是一個商標，不應與類似外觀的安全指示符（例如“X1Y2”）混淆。就使用原因而言，這兩個設備組之間存在一些遠程相似之處，這些設備本身是完全不同的。低 ESL X2Y 電容器的額定電壓低至 6.3V，并且允許每次發生短路故障，而安全級器件必須能夠承受 kV 級浪涌，并避免像瘟疫一樣的短路故障模式。也就是說，X2Y 低 ESR 電容器在低壓電源去耦、共模濾波和類似應用中具有顯著的優點。它們的顯著特征是 4 端結構；兩個端子電連接，既充當“直通”連接，又充當器件內兩個單獨電容器的公共端子，每個電容器使用剩余端子之一作為其第二電極連接。這種布置的幾何形狀可以減少去耦應用中與布局相關的電感，共模抑制等

低調

薄型電容器比長度和寬度相當的典型器件更薄，以便于在高度限制嚴格的應用中使用。提供厚度測量小至 0.006 英寸（0.15 毫米）的設備。應該指出的是，這些器件厚度的減小使得它們更容易因電路板彎曲而破裂，鑒于應用需要額外減少一毫米或兩毫米的高度，因此仔細的設計、組裝和處理程序就顯得尤為重要。這些設備也可能使用更薄（因而更靈活）的電路基板。

軍隊

指定為“軍用”并根據美國軍方標準化零件編號方案采購的產品均按照軍方制定的規格生產，以確保多個供應來源的產品一致性。傳統的“軍用規格”標準不僅規定了生產內容，還規定了生產方式，以確保不同供應商產品的一致性和可互換性。較新的 MIL-PRF 標準是基于性能的，并指定產品必須如何執行，而實現目標的精確方法主要取決于制造商。后一種方法提供的靈活性為采用新技術和制造工藝提供了更大的余地，但制造商之間和隨著時間的推移產品行為變化的風險有所增加。在任一情況下，由于涉及廣泛的測試和文檔要求，按照軍用規格采購的“真正”軍用產品往往成本相當高。作為中間立場，可以使用按照軍用規格生產但作為標準商業產品銷售的產品，盡管沒有大量文檔。

無磁

非磁性電容器由既不會被磁鐵吸引也不會受到磁鐵不利影響的材料制成，并且不會影響它們所在的磁場。它們通常在制造后進行篩選，以確保最終產品保留這些特性。此類產品用于醫療成像和診斷設備、導航系統、實驗室設備以及其他不希望設備受到磁場影響或保留會影響應用電路或其他設備操作的磁場的應用。

開放方式

作為“開放模式”器件銷售的 MLCC 旨在降低因機械破裂而可能發生的短路或低阻抗故障模式的風險。實現這一目標的常用方法是減少兩組電極之間的重疊面積，使得電路板應力裂紋的典型路徑不會穿過電極重疊的區域。這樣做會減少電容器內可用的有源面積，從而減少給定封裝尺寸中可實現的最大電容值。這種方法可以與浮動電極和軟端接技術相結合，以進一步降低與裂紋引起的 MLCC 故障相關的風險。雖然開路模式 MLCC 大大降低了短路故障的風險，需要指出的是，此類故障發生的概率仍然不為零。如果必須進一步降低短路故障的概率，行業文獻中建議使用兩個彼此成 90° 的串聯裝置。

軟/靈活端接

市場上銷售的具有軟或柔性端子的 MLCC 旨在提供金屬端子和陶瓷電容器主體之間的粘合，這種粘合比標準 MLCC 中的粘合更符合機械要求。這樣可以減少由于電路板彎曲或溫度循環而施加到陶瓷材料上的應力，從而降低開裂的風險。

什么是[雙電層電容器]？

雙電層和超級電容器：

裝置構造及顯著特征：

雙電層電容器 (ELDC) 和超級電容器是一組類似電解的設備，其特點是單位體積電容極高，額定電壓低（通常不超過幾伏）。這些設備的構造類型和操作原理各不相同，并且是正在進行的研發工作的主題，但其中發現的共同主題是使用單位體積提供極高表面積的電極材料（例如活性炭、氣凝膠等）和不存在傳統的固體電介質。 ELDC、超級電容器和其他名稱的類似器件取代了其他電容器類型中的傳統陶瓷、聚合物或金屬氧化物電介質，它們依靠各種電化學、靜電和電荷轉移效應來提供極小的電荷分離距離；電容器“極板”之間的距離通常以納米為單位來測量。出于實際目的，ELDC、超級電容器和不同名稱的類似設備可以被視為傳統電容器和二次（可充電）電池之間的一種中間地帶。它們的儲能密度高于傳統電容器，但低于電化學電池，ESR 值按電容器標準較高，但按電化學電池標準較低，并且與化學電池的循環壽命只有幾倍相比，它們的循環壽命幾乎無限期。數百到數千個周期。與電化學電池一樣，多個 ELDC 可以集成到單個封裝中，以產生具有更高標稱電壓的復合器件。相對于其他電容器類型，高 ESR 和較差的線性特性相結合，使得 ELDC 和超級電容器不適合大多數信號和高頻 (>kHz) 應用，但它們對于人類尺度時間范圍內的能量存儲非常有用。在這個領域內，有一系列針對不同應用的設備。較小的器件可能具有高達幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級電流要求的存儲器和實時時鐘備份電源等應用。另一端是具有分數毫歐 ESR 的設備，旨在用于電流高達數百安培的應用，例如車輛的再生制動系統。但它們對于人類尺度時間范圍內的能量存儲非常有用。在這個領域內，有一系列針對不同應用的設備。較小的器件可能具有高達幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級電流要求的存儲器和實時時鐘備份電源等應用。另一端是具有分數毫歐 ESR 的設備，旨在用于電流高達數百安培的應用，例如車輛的再生制動系統。但它們對于人類尺度時間范圍內的能量存儲非常有用。在這個領域內，有一系列針對不同應用的設備。較小的器件可能具有高達幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級電流要求的存儲器和實時時鐘備份電源等應用。另一端是具有分數毫歐 ESR 的設備，旨在用于電流高達數百安培的應用，例如車輛的再生制動系統。適用于具有 uA 級電流要求的存儲器和實時時鐘備份電源等應用。另一端是具有分數毫歐 ESR 的設備，旨在用于電流高達數百安培的應用，例如車輛的再生制動系統。適用于具有 uA 級電流要求的存儲器和實時時鐘備份電源等應用。另一端是具有分數毫歐 ESR 的設備，旨在用于電流高達數百安培的應用，例如車輛的再生制動系統。

可用電容和電壓范圍：

圖 12 顯示了撰寫本文時 DigiKey 庫存中的 ELDC 和超級電容器的電壓和電容額定值。請注意，垂直刻度的單位為法拉，與類似圖表中的微法單位相反。

圖 12：撰寫本文時可通過 DigiKey 獲取 ELDC/超級電容器及其陣列的電容值與額定電壓圖。

常見故障機制/關鍵設計考慮因素：

ELDC/超級電容器保護傘下的器件之間的技術差異阻礙了對整個組的故障機制和關鍵設計考慮因素的詳細討論。然而，從應用的角度來看，足以注意到適用于鋁電解電容器的問題或多或少直接轉移到 ELDC 和超級電容器：

• 它們含有易蒸發的液體電解質溶液，阿累尼烏斯經驗法則預測溫度每升高 10°C，器件壽命將減半。應該注意的是，許多 ELDC/超級電容器的溫度額定值相對較低，并且在涉及長時間充電循環的應用中，自熱效應可能變得顯著。此外，許多板上安裝的設備不能承受回流焊接工藝，因此在組裝過程中可能需要特別小心。
• 它們不應在高于額定電壓的情況下運行。這樣做會因電解液損失和/或介電擊穿而導致故障。這對于采用有機電解質的設備尤其重要，因為故障期間釋放的材料可能具有相當的毒性。
• 它們表現出顯著的介電吸收和器件特性隨溫度變化的變化。此外，ELDC/超級電容器的漏電流通常相當高，特別是在由串聯電容器組成的復合器件中。通常，此類設備需要某種形式的電路來平衡施加到每個設備的電壓，以避免任何給定電池上因容量或泄漏電流不平衡而導致的過壓情況。
• 根據 Q=C*V 方程，電容器在充電狀態和輸出電壓之間呈現線性關系。這與電化學電池不同，電化學電池的輸出電壓通常具有較寬的、或多或少平坦的平臺，作為其充電狀態的函數。在許多/大多數應用中，這意味著需要某種形式的電源管理電路來充分利用 ELDC/超級電容器的全部容量。

什么是[薄膜電容器]？

圖 13：各種封裝樣式和引線配置的薄膜電容器示例。 （不按比例）

裝置構造

薄膜電容器類別中的設備本質上是靜電的，并使用介電材料（例如紙或各種聚合物）制成，這些材料形成薄片或“薄膜”并與電極材料交錯形成電容器。術語“薄膜電容器”通常指使用此類工藝制造的任何器件，術語“薄膜”是指所用介電材料的性質。當術語“金屬”用作“薄膜”的限定詞（如“金屬薄膜”或“金屬化薄膜”）時，它更具體地指的是薄膜電容器子類型，其中電極構建在支撐基板上通常通過真空沉積工藝形成非常薄的（十納米）層。經常使用的基板也用作電容器的介電材料，盡管情況并非總是如此。相比之下，“箔”電極電容器使用的電極材料更類似于家用鋁箔，其厚度足夠（微米量級）以實現機械自支撐。

圖 14：薄膜電容器中金屬薄膜和箔電極類型之間的區別圖解。

基于金屬膜電極的薄膜電容器具有能夠自愈的優點；電介質中局部故障附近的電極材料足夠薄，可以被故障引起的漏電流蒸發，從而消除（或“清除”）它，但代價是損失一些電容。這種自愈能力允許使用比由于可靠性或生產良率問題而可能采用的更薄的電介質，并導致單位體積的高電容。箔電極電容器的優點是，較厚的電極會導致較低的 ESR，從而提供更好的 RMS 和脈沖電流處理能力，但代價是自愈能力和單位體積可實現電容的減少。基本薄膜和箔電極類型的許多巧妙組合和調整是常用的。例如，箔和薄膜電極通常使用“浮動電極”配置組合在單個設備中，該配置（如類似指定的陶瓷電容器）實際上是兩個或多個串聯連接的電容器。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經常采用的技術是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險。減少。箔和薄膜電極通常使用“浮動電極”配置組合在單個設備中，該配置（如類似指定的陶瓷電容器）實際上是兩個或多個串聯連接的電容器。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經常采用的技術是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險。減少。箔和薄膜電極通常使用“浮動電極”配置組合在單個設備中，該配置（如類似指定的陶瓷電容器）實際上是兩個或多個串聯連接的電容器。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經常采用的技術是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險。減少。它（與類似的陶瓷電容器一樣）實際上是兩個或多個串聯的電容器。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經常采用的技術是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險。減少。它（與類似的陶瓷電容器一樣）實際上是兩個或多個串聯的電容器。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經常采用的技術是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險。減少。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經常采用的技術是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險。減少。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經常采用的技術是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險。減少。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險。減少。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險。減少。

常見用法和應用：

某種形式的薄膜電容器是涉及施加到設備的電壓反轉的電源應用中的主要電容器技術。金屬化薄膜類型由于其自愈特性以及在許多故障條件下無法打開的能力而非常適合安全評級的應用。金屬箔類型通常用于需要較高紋波電流幅度的應用，例如啟動/運行交流電機或為大容量配電提供容抗。此外，薄膜電容器通常用于需要相對較高電容值以及溫度范圍內的線性度和穩定性的低壓信號應用，例如模擬音頻處理設備。在諸如直流總線濾波等設備極性不反轉的應用中，薄膜電容器可以替代鋁電解電容器（反之亦然）。將薄膜電容器與具有相似電壓和電容額定值的鋁電解電容器進行比較時，薄膜電容器往往體積更大，成本更高，大約為 10 倍，但 ESR 值卻低大約 100 倍。液體電解質消除了鋁電解器件在低溫下遇到的干涸和ESR增加的問題，并且它們不會像鋁電解器件那樣在長期停用期間遭受介電退化。此外，薄膜電容器較低的 ESR 特性可能允許使用比某些應用中電解裝置所需的更小的電容值，抵消了薄膜技術相對于電解技術的成本劣勢。

常見故障機制/關鍵設計考慮因素：

盡管薄膜電容器通常非常耐用，但它們容易受到一些長期磨損機制的影響。隨著時間的推移，所使用的介電材料會變弱、變脆，其耐壓能力也會下降，最終導致介電擊穿失效。溫度和電壓應力會加速該過程，降低其中任何一個都可以延長使用壽命。根據電介質擊穿事件的嚴重程度，所表現出的故障模式范圍可以從相對良性到相當嚴重。通過薄膜電容器的自愈特性來阻止的輕度擊穿事件將表現為電容的逐漸減小。隨著時間的推移，越來越多的此類事件發生，累積效應會導致電容減少和 ESR 增加，直到設備的性能不再符合規格并且被認為在參數上出現故障。在更極端的情況下，如果參數故障的設備不從服務中移除，則可能會發生參數故障，當自愈過程中釋放的熱能促使附近出現額外的電介質擊穿時，可能會發生級聯故障。由于自愈事件會從電路中移除部分電容器，因此隨著自愈的進行，應用應力會重新分布在器件不斷縮小的部分上，從而導致施加在器件上仍有效的部分上的應力增加電路內。然后電容器的下一個最薄弱的部分就會失效，將其負擔轉嫁給剩下的部分，從而引發更多的擊穿事件，更多的應力集中，以指數方式發生更多故障事件等。如果這個過程發生得足夠快，自愈過程中產生的氣態副產品就會產生足夠的壓力，使設備的外殼劇烈破裂。較大的設備通常包括一個通風機構，以限制/防止發生這種情況時飛濺碎片造成的附帶損壞，并且還可能包括一個熔斷機構，以在發生內部過壓情況時將設備從電路中移除。請注意，如果參數發生故障的設備繼續運行，則由于重復自愈而導致的參數故障可能只是導致更具災難性、爆炸性故障的一個路徑點。當超過峰值電流限制時，薄膜電容器中會出現另一種過應力失效模式，由于電容器“極板”與外部引線連接的區域存在類似保險絲的作用。這對于金屬化薄膜類型來說尤其常見，因為它們的電極厚度非常小，并且與外界的連接非常脆弱。許多薄膜型電容器都會指定施加在電容器上的最大電壓變化率 (dV/dt)。這相當于指定通過器件的峰值電流，因為 I(t)=C*dV/dt，盡管電壓通常比電流更方便測量。環境條件也會影響薄膜電容器的壽命。與其他設備一樣，高溫會大大縮短設備的使用壽命。薄膜設備更獨特的是容易受潮。長時間暴露在高濕度環境或組裝后清洗周期可能會導致濕氣通過器件引線周圍的環氧樹脂金屬密封件的缺陷或通過器件的聚合物外殼擴散而進入器件。濕氣進入在幾個方面都是不好的；它既會降解介電材料，又會促進電極材料的腐蝕。特別是在電極厚度只有幾十納米的金屬膜型設備中，只需很少的腐蝕就會引起問題。此外，高振動環境也可能會帶來麻煩，因為它會導致器件引線、引線和電極之間的連接發生機械故障，或者加劇濕氣進入問題。薄膜電容器可靠性和壽命的主導因素是施加電壓，其次是溫度。供應商的使用壽命模型各不相同，但通常都是基于將額定電壓與施加電壓的比率取為一個大指數（通常在 5 到 10 之間），而溫度的影響則遵循阿倫尼烏斯關系，即每 10 變化 2 倍°C 溫度增量。在這兩種影響之間，電壓降額 30% 和溫度降額 20°C 會使使用壽命估計值增加近兩位小數。將電壓降額 30% 并將溫度降額 20°C 會使使用壽命估計值增加近兩位小數。將電壓降額 30% 并將溫度降額 20°C 會使使用壽命估計值增加近兩位小數。

電介質類型、特性和目標應用：

丙烯酸纖維：

丙烯酸酯材料作為薄膜電容器的介電材料相對較新。目前可用的器件通常作為陶瓷電介質的回流兼容薄膜替代品銷售，以避免壓電效應和直流偏壓造成的電容損失，或者作為較低 ESR 的鉭替代品。

紙：

牛皮紙是最早用于薄膜電容器的介電材料之一，因為它在現代聚合物發展之前成本低廉且易于使用。通常用蠟、各種油或環氧樹脂浸漬來填充空隙并抑制吸濕性，其低介電強度和高吸濕性導致紙張作為介電材料在很大程度上失寵，盡管它在以下應用中的用途仍然有限對成本極其敏感或對舊規范的變更極其難以實現的情況。由于與聚合物材料相比，金屬膜可以相對容易地應用于紙張，因此紙張本身有時不用作介電材料，而是用作金屬化電極材料的機械載體，使用非金屬化聚合物（例如聚丙烯）作為實際電介質。

聚酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)：

聚酯，也稱為聚對苯二甲酸乙二醇酯或 PET，與聚丙烯一樣，是薄膜電容器中最常用的介電材料之一。相對于聚丙烯，聚酯通常具有較高的介電常數、較低的介電強度、較高的耐溫性和較高的介電損耗。簡而言之，聚酯電介質非常適合薄膜蓋應用，這些應用重視電容的數量而不是質量，并且不需要可表面安裝的外形尺寸。某些專為耐高溫而設計的聚酯配方有助于在表面貼裝封裝中使用聚酯薄膜電容器，盡管這些器件的數量相對較少。

聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）：

聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 是一種聚合物介電材料，旨在承受更高的溫度，允許在可表面貼裝、兼容回流焊的封裝中使用薄膜電容器技術。在應用概念中，它可以被認為是聚乙烯 (PET) 的回流兼容版本，提供電容的數量而不是質量。為了獲得回流焊接兼容性，PEN 放棄了一些比電容（每體積的電容），具有更高的介電吸收率，并且更容易出現吸濕問題，盡管低頻下的損耗因數相對于聚乙烯可能略有改善。

聚丙烯（PP）：

在常用的薄膜電容器電介質中，聚丙烯具有最低的介電損耗、最低的介電常數和最低的最高工作溫度。它還具有這些聚合物中最高的介電強度之一，以及良好的溫度參數穩定性。總體而言，對于要求電容質量而非數量的薄膜蓋應用而言，聚丙烯是首選電介質。由于其耐低溫性，聚丙烯電介質與回流焊接工藝不兼容，因此幾乎只出現在某種形式的通孔或底盤安裝封裝中。由于其卓越的損耗特性，聚丙烯薄膜電容器是感應加熱和晶閘管換向等大電流、高頻應用的首選器件。以及需要穩定的線性電容而其他電容器類型由于某種原因不可用或不可行的應用。

聚苯硫醚（PPS）：

對于電容質量比數量更重要的應用，聚苯硫醚 (PPS) 電介質可被視為聚丙烯的回流兼容替代品。相對于聚丙烯，PPS 電容器在適用頻率范圍內表現出較高的比電容和損耗因數，約為 2 至 3 倍，但電容在溫度范圍內的穩定性略有改善。

其他電介質

許多薄膜電容器介電材料要么隨著時間的推移而出現又消失，要么一直默默無聞。雖然不易獲得或不建議在新應用中使用，但此處提及以供參考和比較。

聚碳酸酯

聚碳酸酯是一種剛性、透明的熱塑性塑料，通常用于制造安全眼鏡、頭盔面罩或其他耐沖擊光學器件的鏡片。其用作介電薄膜的生產于 2000 年左右停止，用于電容器應用的剩余材料庫存已大部分被消耗。作為介電材料，它非常好，電性能類似于聚丙烯，但在大多數情況下略遜于聚丙烯，盡管具有優越的溫度特性，允許在軍事（-55°C 至 +125°C）溫度范圍內使用且參數相對穩定并且在高溫下經常不會降額。聚苯硫醚 (PPS) 通常被認為是一種可用的替代品，可能適合以前使用聚碳酸酯設備的應用。

聚酰亞胺

聚酰亞胺是一種高溫聚合物，通常以 Kapton 商品名出售，在許多電子應用中用作柔性電路的基材。作為電容器應用的電介質，它提供與聚酯/PET 相當的中等性能，盡管其高溫穩定性允許在超過 200°C 的高溫下運行。雖然其高介電強度表明具有良好體積密度的設備的潛力，但將材料生產為非常薄的薄膜的困難往往限制了基于這種介電材料的電容器的吸引力/可用性。

聚苯乙烯

聚苯乙烯薄膜電容器目前基本上已經滅絕，主要是因為與僅 85°C 的極低耐溫相關的組裝和制造困難。在適中的工作溫度下，聚苯乙烯電容器的電氣性能非常好，并且一度當穩定性和電氣性能特性成為驅動選擇標準時，此類器件成為首選。大多數情況下，這些設備已被聚丙烯薄膜電容器取代。

聚砜

聚砜是一種剛性、透明的熱塑性塑料，無論在電學方面還是在成本高和相對不可用方面都與聚碳酸酯相似。

聚四氟乙烯/聚四氟乙烯

“Teflon”是杜邦公司的商標名稱，包含多種含氟聚合物，主要是聚四氟乙烯 (PTFE)，但氟化乙烯丙烯 (FEP) 和其他材料也可以使用“Teflon”名稱。這些聚合物往往非常穩定，并具有作為精密電介質的許多令人欽佩的品質，包括耐高溫性以及隨時間、溫度、電壓和頻率等的優異穩定性。PTFE薄膜的機械性能及其金屬化的困難使得PTFE的生產變得困難。基于薄膜電容器是一件困難且昂貴的事情，因此市場上很少有這樣的設備。

什么是[云母/聚四氟乙烯電容器]？

圖 15：各種封裝形式的云母電容器。 （不按比例）

裝置構造

云母是一組天然存在的礦物質，其特征是能夠容易地分裂成平坦的薄膜，其中被稱為“白云母”的特定類型云母是電容器應用的首選。作為電介質，云母在時間和施加電壓方面具有出色的穩定性、低溫度系數、耐高溫、非常好的介電強度以及在寬頻率范圍內的低損耗特性。除了是優異的介電材料之外，云母（一種天然礦物）與 PTFE（一種合成含氟聚合物）幾乎沒有任何共同之處，但由于市場上至少有一個電容器產品系列使用 PTFE 代替云母來實現某些電容值，這兩種材料都在標題中提到...云母電容器的結構根據應用而變化，盡管陶瓷和薄膜類型有相似之處。無論云母是用作從一大塊原材料劈開的單片，還是用作由許多小片制成的“紙”，電極/端子附著層（通常是銀）沉積在兩側，然后單獨使用（像單層陶瓷器件）像 MLCC 一樣分層，或者像薄膜電容器一樣纏繞。在金屬化工藝發展之前生產的早期設備將云母片與電極箔機械夾緊在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些器件的穩定性和可靠性不如更現代的類型，因此鉗位云母電容器至少從第二次世界大戰以來就已經過時了。或者作為由許多小薄片制成的“紙”，在兩側沉積電極/端子附著層（通常是銀），然后像 MLCC 一樣單獨使用（如單層陶瓷器件），或纏繞在一起就像薄膜電容器一樣。在金屬化工藝發展之前生產的早期設備將云母片與電極箔機械夾緊在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些器件的穩定性和可靠性不如更現代的類型，因此鉗位云母電容器至少從第二次世界大戰以來就已經過時了。或者作為由許多小薄片制成的“紙”，在兩側沉積電極/端子附著層（通常是銀），然后像 MLCC 一樣單獨使用（如單層陶瓷器件），或纏繞在一起就像薄膜電容器一樣。在金屬化工藝發展之前生產的早期設備將云母片與電極箔機械夾緊在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些器件的穩定性和可靠性不如更現代的類型，因此鉗位云母電容器至少從第二次世界大戰以來就已經過時了。在金屬化工藝發展之前生產的早期設備將云母片與電極箔機械夾緊在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些器件的穩定性和可靠性不如更現代的類型，因此鉗位云母電容器至少從第二次世界大戰以來就已經過時了。在金屬化工藝發展之前生產的早期設備將云母片與電極箔機械夾緊在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些器件的穩定性和可靠性不如更現代的類型，因此鉗位云母電容器至少從第二次世界大戰以來就已經過時了。

常見用法和應用：

云母電容器是真空管的當代技術，并且一直是需要穩定、高質量電容的首選設備。與真空管一樣，提供更好性價比的新技術已經占據主導地位，并將云母技術降級到利基市場，在這些市場中，核輻射、極端溫度或高壓應力等不常見的應力因素證明云母器件的成本是合理的。

圖 16：撰寫本文時，DigiKey 提供的云母/PTFE 電容器的電容值與額定電壓關系圖。

常見故障機制/關鍵設計考慮因素：

現代云母電容器由于制造過程中所用材料的穩定性而往往非常可靠，并且對于大多數應用目的，可以與 C0G 陶瓷器件類似地進行處理。與其他類型的電容器一樣，振動、沖擊、熱循環等引起的機械故障都有可能發生，并且由于濕氣進入而導致的電極腐蝕也是一個潛在問題。

什么是[鉭電容]？

圖 17：各種封裝配置的鉭電容器。 （不按比例）

裝置構造及區別特征

鉭電容器是電解設備，主要用于需要具有相對穩定參數的緊湊、耐用設備，并且適度的電容和額定電壓就足夠了。傳統上，鉭相對于鋁電解的優勢體現在單位體積的電容、隨溫度變化的參數穩定性和壽命方面。鉭在長期放電儲存時一般不會出現干燥問題或介電退化問題。然而，鉭通常更昂貴，可用電容和電壓值的范圍更有限，由更稀有的材料制成，更容易受到供應中斷的影響，并且由于某些子類型容易出現故障，因此在設計時可能需要特別小心。極大的熱情。

圖 18：撰寫本文時可通過 DigiKey 獲取鉭電容器的電容值與額定電壓圖。

圖 18 顯示了在撰寫本文時 DigiKey 提供的各種鉭電容器的電壓和電流額定值組合。無論哪種類型，鉭電容器的陽極結構都非常相似。將高純度的細粉鉭金屬模制成所需的形狀，并在高溫下燒結，將各個金屬粉末顆粒融合成高度多孔的物質，稱為“塊”，其內表面積相對于其體積而言極高。然后電容器的電介質在液浴中以電化學方式形成，產生五氧化二鉭 (Ta 2 O 5 ）層覆蓋在金屬塊的整個內表面區域上，這與鋁電解電容器電介質的形成方式非常相似。從這一點來看，不同鉭子類型的結構有所不同，所采用的不同陰極系統導致了不同類型的特性。

Ta/MnO 2 帽

使用三種基本的陰極系統，產生不同的鉭電容器子類型：二氧化錳 (MnO 2 )、導電聚合物和“濕”。對于二氧化錳系統，在形成電介質后，將鉭塊浸入一系列硝酸錳 (Mn(NO 3 ) 2 ) 溶液中，并在每次浸入后進行烘烤，將液體溶液轉化為完全滲透的固體（半）導電二氧化錳。鉭塊的微觀結構，并用作器件的陰極。然后應用一層界面材料例如石墨來保持MnO 2在將整個組件封裝在環氧樹脂中并在裝運前進行測試之前，避免與連接引線所需的金屬層（通常是銀）發生反應。最終產品是一種固態電解電容器，具有高比電容、無干涸問題、良好的可靠性、相對良好的溫度穩定性以及相當嚴重的故障模式……因為鉭-MnO 2 電容器的成分和結構相似與鞭炮（一種與加熱時釋放氧氣的物質緊密混合的細碎金屬）相比，這些電容器以煙火式失敗而聞名，其特點是爆炸和/或猛烈噴出火焰。因此，建議在選擇和應用時特別小心。

軍用/高可靠性/故障安全

對基本 Ta/MnO 2的一些實際改進電容器技術已經出現，并且可以使用減輕或至少量化故障風險的機制。指定為軍用并根據 MIL 規格零件號采購的產品是根據引用的 MIL 規格的規定生產和測試的，其中通常包括批次測試和篩選程序，以建立可靠性的統計保證。 MIL 規格通常還要求采用（不符合 RoHS 標準）鉛軸承端子表面處理，這有利于系統的整體可靠性，因為降低了錫須形成的風險并降低了組裝過程中的峰值溫度。高可靠性零件通常采用 MIL 規格材料制成，具有不同的標簽和端子表面處理，但也可能采用 MIL 規格管理機構尚未采用的技術改進。在任何情況下，名副其實的 Hi-Rel 產品將經過篩選、測試和/或預燒，以提供可靠性的統計保證。故障安全設備采用某種類型的熔斷機制，以便在短路故障發展為明火故障之前將其轉換為開路故障。這些機制并不完美，但它們確實將燃燒故障的風險降低了幾個小數位。

鉭聚合物

鉭聚合物電容器完全省去了二氧化錳，而是使用導電聚合物作為陰極材料，這幾乎消除了煙火故障的風險。由于所使用的聚合物材料相對于MnO 2具有較低的電阻，因此鉭聚合物帽通常具有更好的ESR和紋波電流規格，以及相對于基于MnO 2的對應物而言更好的高頻性能。聚合物陰極系統的缺點包括溫度范圍更有限、對濕度更敏感以及自愈功效降低，從而導致漏電流更高。

濕法鉭

顧名思義，濕鉭電容器在其陰極系統中使用液體電解質。由于很難焊接到液體上，因此需要陰極反電極通過燒結鉭陽極塊來完成電路，而這種反電極的設計是不同系列濕鉭器件的區別之一。現代設備使用密封/焊接鉭外殼，與早期采用銀外殼材料和彈性體密封件的設備相比，這種外殼不易發生電解液泄漏，并且更能耐受意外電壓反轉。濕鉭器件的主要優點是其可靠性和相對較高的比電容；液體電解質為電介質提供持續的自愈作用，從而實現低漏電流和更高的適用工作電壓范圍。然而，由于液體電解質的電阻，大多數濕鉭的 ESR 并不是特別好，導致在相對較低的頻率下出現電容損失。濕鉭的成本也相當高，大約是同等額定值的鋁電解設備的 100 倍。總而言之，這些因素使得濕鉭成為一種小眾技術，主要出現在那些不允許失敗、金錢也不是問題的應用中；空間/衛星應用、生命攸關的航空電子系統等。大約是同等額定值的鋁電解裝置的 100 倍。總而言之，這些因素使得濕鉭成為一種小眾技術，主要出現在那些不允許失敗、金錢也不是問題的應用中；空間/衛星應用、生命攸關的航空電子系統等。大約是同等額定值的鋁電解裝置的 100 倍。總而言之，這些因素使得濕鉭成為一種小眾技術，主要出現在那些不允許失敗、金錢也不是問題的應用中；空間/衛星應用、生命攸關的航空電子系統等。

失效機制和設計考慮

對于一般鉭

鉭電容器介電故障的主要原因是形成陽極塊的鉭粉中的雜質。就像高速公路工作人員在道路上涂漆時不費心將道路上的死者移開時出現的間隙一樣，鉭中的雜質會導致介電層出現缺陷。由于鉭電容器中的電介質厚度只有幾納米，因此即使非常小的雜質也會引起問題。鉭電容器中的其他介電故障是機械引起的。作為一種有點脆的玻璃狀物質，五氧化二鉭電介質在施加機械應力時很容易破裂。當零件組裝到板上時，焊接操作期間的熱膨脹應力尤其重要。由于這些應力可能會導致生產時不存在（因此無法檢測到）的故障，因此組裝后首次通電時鉭電容器出現故障是一種已知現象。由于聚合物陰極材料（顯然是液體陰極）相對于二氧化錳更柔軟、更柔韌，因此這些類型比 MnO 具有優勢2基電容器在嬰兒死亡率方面。

用于MnO 2基器件

Ta/MnO 2電容器中的自愈機制基于MnO 2材料熱分解成導電性低得多的Mn 2 O 3 。當故障部位附近的漏電流導致局部溫度升高到足夠高時，向故障提供電流的MnO 2陰極材料區域就會擊穿，從而使故障與進一步的電流隔離。不幸的是，這個過程會產生松散的氧：2(MnO 2 ) + (能量) --> Mn 2 O 3 + O。成功的自愈事件和煙火失敗之間的區別在于，氧氣是否在足夠高的溫度下找到鉭金屬以自燃。環境溫度和可在故障部位引起歐姆加熱的電氣故障電流量都是影響結果的因素。

MnO 2設計考慮因素

雖然建議仔細研究制造商的應用文獻，但為不耐煩的人提供了以下有關 Ta/MnO 2電容器應用的指南：

1. 使用串聯電阻：限制故障可用的外部電流，大大降低故障部位達到臨界點火溫度的機會。歷史上，建議每施加電壓使用 1 至 3 歐姆的串聯電阻。現代設計可能無法承受如此大的 ESR，并且較大的設備在充電時可能包含足夠的電能，以便在突然出現故障時自燃。在這些情況下，降額和器件篩選尤為重要。
2. 降低電壓：為了（顯著）提高穩態可靠性，請將器件從額定電壓降低一半，當串聯電阻極低（每施加電壓 0.01 歐姆或更小時）時，降低高達 70%。如果電流受到外部限制，只需降額 20% 就足夠了。建議進一步（復合）溫度降額系數，從 85°C 時的 0 線性增加到 125°C 時的 33%，盡管高溫產品系列可能有所不同。
3. 小心老化：由于組裝引起的介電故障，許多鉭故障發生在組裝設備首次通電時。通過限流源逐漸施加電壓來促進成功的自愈可能會避免其中一些故障。隨后暴露于最大預期電氣和環境應力將作為驗證測試??，因為一旦承受給定一組應力的Ta/MnO 2電容器可能幾乎無限期地承受它們。
4. 限制瞬態電流：應避免電流超過制造商規定的浪涌電流限制，包括由非常規事件引起的電流，例如電池或電源的熱插拔、系統輸出的短路故障等。在沒有浪涌電流規范的情況下，建議使用**I max
5. 遵守紋波電流/溫度限制：紋波電流額定值通常基于使器件溫度高于環境溫度時產生給定溫升所需的紋波量。除了產生的波形違反電壓或浪涌電流限制的情況外，紋波電流限制是一個熱管理問題。評估指定數據表紋波限值的測試條件，并根據實際應用條件調整這些限值。

適用于聚合物和濕鉭

當鉭聚合物電容器發生故障時，它們往往會變成一個溫暖的電阻器，而不是一團快速膨脹的熱氣體和彈片云。由于這一點以及組裝引起的缺陷風險降低，他們的應用經驗規則更加簡單：將電壓降額 20%，遵守建議的紋波電流限制，并遵循制造商建議的高溫降額時間表。對于濕鉭，能夠證明部件成本合理的應用也可能需要逐個部件對系統進行詳細的可靠性分析，從而使經驗法則的價值低于其他應用中的價值。因此，建議采用 20% 的標準降額系數，并建議用戶注意這些設備中常見的相對較低的頻率響應特性。

什么是[氧化鈮電容器]？

圖 19：氧化鈮電容器。

裝置構造及區別特征

氧化鈮電容器在結構上與鉭和二氧化錳 (Ta/MnO 2 ) 器件類似，使用燒結氧化鈮 (NbO) 代替鉭金屬作為陽極材料。氧化鈮電容器主要由 AVX 生產，作為 Ta/MnO 2電容器的替代品，這種電容器不會在發生故障時發生爆燃，并且還具有改善原材料供應物流的潛力，氧化鈮電容器在多種方面與鉭聚合物器件展開競爭。應用程序。氧化鈮電容器的結構與Ta/MnO 2器件類似；陽極材料由高度多孔、海綿狀的一氧化二鈮 (NbO) 塊組成，其上有一層五氧化二鈮 (Nb 2 O 5 ) 被建立，并在其周圍建立二氧化錳對電極，其方式類似于常見的 Ta/MnO 2裝置。基于鈮金屬（而不是氧化物 NbO）和聚合物電解質技術的電容器也已開發出來，但在撰寫本文時尚未大量生產。

圖 20：撰寫本文時可通過 DigiKey 獲取氧化鈮電容器的電容值與額定電壓的關系圖。

為什么是鈮？

世紀之交，由于需求旺盛，鉭供應短缺，導致鉭電容器在一個季節成為稀有且昂貴的產品，導致生產難題，從而推動了基于鈮的設備的開發。相對于主要用于電子工業的鉭，鈮在自然界中的儲量估計要高出約 20 倍，并且還廣泛用作鋼鐵生產中的合金元素，其數量遠遠大于電子工業的需求量。目的。由于原料較多，而且電子行業不是其主要買家，因此原材料的長期供應前景被認為比鉭更有利于鈮。

應用的優點和缺點

氧化鈮/二氧化錳電容器比同類鉭電容器具有顯著優勢，因為它們在發生災難性故障時通常不會點燃。這歸因于與鉭相比，點燃氧化鈮需要大量的能量，以及二次自愈效應，其中暴露在故障部位的氧化鈮陽極材料被進一步氧化至導電性較差的狀態。在這兩種效應之間，氧化鈮電容器經歷災難性故障的行為被認為是科姆范圍內的高阻抗短路；一個足夠高的值，以防止由此產生的故障電流提供足夠的能量以在額定電壓下點燃設備。相對于Ta/MnO 2器件，NbO/MnO 2電容器目前在性能方面有點落后，額定電壓僅限于 10 V 或更低，漏電流大約是鉭電容器的兩倍，單位體積電容略低，并且超過 85°C 的溫度降額較高。另一方面，“不會著火”是一個非常好的特性，而且更好的原材料可用性問題提供了降低成本的希望。盡管解決煙火電容器問題的鉭聚合物方法似乎越來越受歡迎，但據說氧化鈮技術在長期使用壽命和環境耐受性方面保留了優勢，特別是在高濕度應用中。如果沒有其他原因，這是一項有趣的技術，只是因為通過銷售和代表不同派別的營銷人員似乎會引發截然不同的觀點和意見……

應用注意事項

相對于鉭基電容器，氧化鈮電容器的耐燃特性使得鈮氧化物電容器的應用更加廣泛。盡管使用 Ta/MnO 2電容器進行設計的經驗法則是將電壓降額 50%（如果串聯電阻非常低，則降額幅度更大），但基于 NbO 的器件 (AVX) 的領先制造商建議將電壓降額電壓僅降低 20% 就足以安全運行。超出這些水平的額外降額可以顯著提高兩種設備類型的長期可靠性。此外，由于器件的內部結構和固體MnO 2電解質的熱機械特性仍然存在，因此建議氧化鈮電容器的用戶注意組裝過程引起故障的可能性。

什么是[硅]電容器和[薄膜電容器]？

圖 21：各種封裝格式的硅和薄膜電容器。 （不按比例）

裝置構造及區別特征

硅和薄膜電容器是一種相對較新的設備，使用從半導體行業借用的工具、方法和材料生產。這些技術提供的對結構和材料的精確控制允許生產近乎理想的電容器，這些電容器具有出色的參數穩定性、最小的 ESR 和 ESL、寬工作溫度能力，并且與 1 類陶瓷型器件相比，單位體積的電容更好。他們最直接地競爭。它們的主要缺點包括成本高，以及相關的可用電容值范圍相對有限。通常基于氧化硅/氮化物電介質，“薄膜”和“硅”電容器之間的區別是營銷上的讓步，盡管內部存在顯著差異兩者之間取決于預期的應用。針對射頻調諧和匹配應用的器件往往是針對參數穩定性和一致性進行了優化的低電容單層器件，并且通常采用標準 JEDEC 封裝尺寸。相比之下，用于電源去耦、寬帶直流阻斷和類似應用的器件允許更大的容差，有利于實現更高的比電容，并且更有可能采用適合先進組裝方法的封裝，例如引線鍵合或嵌入在印刷電路板。然而，無論預期的應用如何，薄膜和硅電容器系列中的器件都是高性能產品，并且定價相應，在撰寫本文時，所獲得的價格約為具有相似電容和額定電壓的陶瓷器件價格的 5 至 5000 倍。設計為高精度設備的部件大多與基于 C0G (NPO) 電介質的陶瓷電容器競爭，作為射頻和微波應用的更高性能替代品。雖然這些 I 類陶瓷器件非常好，并且經過幾十年的改進，本身已接近理想狀態，但特征制造差異使薄膜/硅器件在器件和制造批次之間的一致性方面稍好一些。更高電容的薄膜/硅電容器與基于 X7R 和 X8R 電介質的 II 類陶瓷更直接地競爭，用于去耦和寬帶直流阻斷應用。為了這些目的，薄膜/硅器件具有顯著的優勢，例如顯著降低的耗散因數以及電容隨溫度和電壓變化的穩定性。

圖 22：撰寫本文時可通過 DigiKey 獲得的硅電容器和薄膜電容器的電容值與額定電壓關系圖。

什么是[微調電容器和可變電容器]？

圖 23：各種樣式和封裝類型的微調和可變電容器。 （不按比例）

裝置構造及區別特征

微調電容器和可變電容器是提供在一定范圍內可變的電容的設備，這兩個術語之間的差異主要是設計意圖之一； “微調”電容??器通常只需要在其使用壽命內調整幾次，而“可變”電容器則需要進行例行調整。使用了許多不同的結構類型，但幾乎沒有例外，它們都是靜電類型，并通過改變電極之間的有效表面積、電極之間的距離或兩者來實現其可調節性。

圖 24：撰寫本文時可通過 DigiKey 獲得的微調器和可變電容器的電容值與額定電壓圖。

一種常見的設計方法類似于公共軸上的兩個小輪，每個輪上鍍有半圓形（或類似形狀）的電極材料。通過改變兩個“輪”相對于彼此的旋轉角度，可以改變它們之間的有效電容。除此之外，改變每個“輪”上電極的形狀可以根據給定應用的需要在旋轉調節角度和器件電容之間產生變化的關系。該方法的一種變化可能涉及使用蝸輪或類似的機械裝置來改變兩個“輪”的相對旋轉，以便在設備的變化范圍內提供更高的調節分辨率。其他設計包括可變活塞電容器，其通過改變同心圓柱體之間的重疊程度來工作，真空電容器，使用螺釘或其他機構來改變真空中電極板之間的機械關系，通過使用柔性膜來維持真空。

常見用法和應用

微調器和可變電容器通常用于射頻電路中的調諧和匹配應用。通過將機械指示器掃過刻度（或反之亦然）來指示所選調諧頻率的無線電接收器通常在指示器和調諧電路中使用的可變電容器之間具有機械連接。大多數此類接收器均采用較舊的老式或較低成本/質量的設計，盡管現代應用可能仍包含用于微調或校準目的的微調電容器。另一方面，可變電容器（設計用于頻繁調整的那種）是瀕臨滅絕的物種。使用更好的制造公差和更新的技術實現的替代設計技術呈現出笨重、飄忽、機械笨重的特征，與替代方案相比，昂貴的可變電容器是不太理想的設計元素。

常見故障機制/關鍵設計考慮因素

微調器和可變電容器中的器件結構存在很大差異，因此無法在此對其具體優點和缺點進行擴展討論。然而，如果考慮靜電電容器背后的基本原理，通常可以通過觀察來辨別給定設備的優點；任何影響電介質、電極幾何形狀或電極位置的因素都會影響器件電容。例如，空氣介電器件在給定設置下會隨著氣壓、溫度和濕度的變化而表現出電容的變化，因為所有這些因素都會在很小程度上影響空氣的介電常數。同樣，真空介電電容器也會受到泄漏或真空損失的影響。從機械角度來看，最終組件的剛性將影響電容在機械沖擊或振動方面的穩定性，并且調節機構的設計也會影響隨時間推移的漂移趨勢。電容器快速參考指南 下一頁的表格提供了不同電容器類型及其相對優點的簡要總結，大致按照每種類型提供的電容數量的減少（或質量的增加）進行排列。大致按照每種類型提供的電容數量的減少（或質量的增加）進行排列。大致按照每種類型提供的電容數量的減少（或質量的增加）進行排列。

圖 25：電容器快速參考指南。