性能優(yōu)越的有機半導體和高分子有機半導體電解電容器

    電容器的容量公式

    C=Kes/d　　

    式中C=容量[F]，K=真空時的介電系數(8.855×10-12)，e=介電系數，s=電介質的面積[m2]，d=電介質的厚度[m]。

    因此，使用的電介質厚度越薄、面積越大和介電系數越大，則電容器的容量越大。

   電容器的分類主要有電解電容器、陶瓷電容器、聚酯電容器等。下面著重介紹電解電容器中的有機半導體和高分子有機半導體(導電性高分子)固體電解電容器。

    有機半導體鋁固體電解電容器

    導電性高分子鋁固體電解電容器

    鋁電解電容器的電解質以往采用電解液，有機半導體和導電性高分子鋁固體電解電容器(OS-CON)采用了比以往的電解液導電性更高的有機半導體(TCNQ復合鹽)或導電性高分子材料，因而它的電解質的導電性高，導電性受溫度的影響小。

    OS-CON通過使用高導電性卷繞芯子，使電解質層更薄，大幅度地降低了等效串聯電阻(ESR)。OS-CON雖然是電解電容器，卻達到了聚酯電容器那樣的卓越頻率特性。

    OS-CON的構造與鋁電解電容器相似，正負極分別采用鋁箔，中間加隔紙卷繞而成，與鋁電解電容器最大的不同在于用有機半導體或導電性高分子電解質取代電解液，封口采用環(huán)氧樹脂或者橡膠墊。

    OS-CON的額定電壓2V-35V，容量1mF -2700mF，ESR最低達7mW，分插裝型和貼裝型。而且，導電性高分子材料較有機半導體的耐熱性更好。

    OS-CON具有良好的電氣特性，主要表現為；

    優(yōu)越的頻率特性

    OS-CON、鋁電解電容器、鉭電解電容器的阻抗特性比較，OS-CON的阻抗-頻率曲線近乎理想值。在100kHz處OS-CON 56mF的阻抗與高性能鋁電解電容器1000mF基本上呈相同值，而且頻率越高時OS-CON與鋁電解電容器之間的容量比越大。

    優(yōu)越的溫度特性

    OS-CON的等效串聯電阻(ESR)基本上不受溫度的影響，ESR對于高頻段的阻抗(振蕩點附近)起著決定性的作用，ESR直接關系到降噪的能力，ESR受溫度的影響小意味著降噪能力受溫度影響小，可以得到整個保證溫度段的穩(wěn)定的降噪效果，特別適用于會在低溫環(huán)境下使用的設備。

   優(yōu)越的電壓特性

    與陶瓷電容器比較OS-CON在額定電壓以下的容量基本上沒有變化，因而使用OS-CON不需考慮施加電壓后的容值下降問題。

    更大的允許紋波電流

    允許通過電容器的紋波電流量依電容器的發(fā)熱量而定，發(fā)熱的主要因素取決于ESR。ESR大則發(fā)熱量大，使紋波電流量受到限制。

    更長的壽命

    OS-CON的壽命體現為容量受溫度影響而減小，OS-CON的壽命規(guī)律為溫度每降低20℃時壽命增加10倍，一般鋁電解電容器的壽命規(guī)律為溫度每降低10℃時壽命增加2倍。

    線路設計時應該注意極小的ESR可能引起過大的沖擊電流，OS-CON的沖擊電流最大允許10A。如果允許紋波電流值的10倍超過10A時，應將紋波電流控制在允許紋波電流的10倍以內。

    此外，為節(jié)省空間及改善紋波會將OS-CON與其它鋁電解電容器并聯使用，此時通過各電容器的紋波電流與各電容器的ESR成反比，從而ESR小的OS-CON會通過更多的紋波，選型時需要給OS-CON留有余量。

    高分子有機半導體固體電容器

    高分子有機半導體固體電容器(POSCAP)是一種正極采用鉭燒結體或鋁箔，負極采用具有高導電性的高分子材料的電容器，其卓越的高頻特性及低ESR深受好評，被廣泛用于筆記本電腦，電源模塊等的開關電源的輸入輸出端。

    POSCAP的構造基本上與普通鉭電解電容器相同，最大的不同是電解質采用了導電性高分子材料。正極采用鉭燒結體充分發(fā)揮鉭的高介電系數特性。不但實現了小型電容器的大容量化，同時負極采用導電性高分子材料實現了更低的ESR及可靠性方面的改善。POSCAP的額定電壓2.5V-25V，容量2.2μF -1000mF，ESR最低達5mΩ。推薦使用電壓為額定電壓10V以下的產品，電壓降低10%、額定電壓10V以上的產品，電壓降低20%，而普通鉭電解電容器的電壓降低高達50%。

    POSCAP具有優(yōu)越的電氣性能，主要表現為；

    高安全性

    由于電解質不含氧原子，發(fā)生短路時與使用二氧化錳電解質的電容器相比POSCAP不易燃燒，具有更高的安全性。

    低ESR 和低阻抗

    POSCAP的高導電性實現了低ESR和低阻抗,與同等容量的其它電容器相比阻抗為1/3~1/10。

    卓越的溫度特性

    POSCAP所用導電性高分子電解質的電導受溫度影響小，因而，ESR基本上不受溫度影響。

    更長的壽命

    由于電解質被高分子固化，因而，具有長的壽命。較好的熱穩(wěn)定性不會出現采用電解液的鋁電解電容器那樣的電解液干涸現象。

    POSCAP在環(huán)境溫度105℃和額定電壓下，10000小時的高溫負荷試驗表明它的ESR及容量的特性變化很小。

    卓越的自愈能力

    導電性高分子材料的有機物與二氧化錳無機物相比，在較低的300℃高溫下就會出現熱分解及絕緣化。因此，在短路的前兆階段，即電流流過正極表面氧化絕緣層產生的焦耳熱，會在氧化層微小的絕緣不充分部位形成導電性高分子絕緣層，阻礙電流通過達到自愈修復效果。卓越的自愈能力降低了短路因素，實現了在過沖擊電流下的高可靠性，耐沖擊電流保證至20A。

    高耐熱性

    導電性高分子材料的耐熱性高，可以達到無鉛化回流焊的溫度要求。

    線路設計時應該注意，POSCAP是有極性的電容器，反向電壓會造成漏電流加大或短路。另外，POSCAP即使在規(guī)范、規(guī)定的條件內進行回流焊，焊接后的漏電流也有可能變大。不施加電壓的高溫無負荷周期試驗等也會引起漏電流加大，因此規(guī)定禁止在保持高阻抗線路、耦合線路、定時線路、漏電流會帶來大的影響的線路、超出額定電壓的串聯線路使用。

    POSCAP雖然安全性較高，但是由于其故障模式為短路，因而萬一發(fā)生短路后會出現發(fā)熱和冒煙，發(fā)生冒煙的時間因短路條件的不同而為數秒或數分鐘，設計上要使短路保護線路在此時間內工作。

    結語

    在電子線路中電容器是必不可少的，而且，隨著電子設備的小型化，越來越要求電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐壓性能、無鉛化，這也是電容器今后的發(fā)展方向。

    小型化、大容量化的電容器可以通過使用鈮、鈦等新型介電材料及結構方面的改進來達到。而低ESR、低ESL化可以通過新型電解質的開發(fā)優(yōu)化工藝及構造來實現，同時產品將向更高的電壓方向發(fā)展。

    在發(fā)展日新月異的信息技術領域，電容器將始終是關鍵元件之一，我們將應用新技術、新材料不斷地開發(fā)出順應信息時代需求的高性能電容器。