性能优越的有机半导体和高分子有机半导体电解电容器

 电容器在三个基本无源元件[L(电感)C(电容)R(电阻)]中产量最大，是任何电子线路不可缺少的充电放电、通交隔直的元件。电容器的种类因电介质的不同而各有所长，根据应用目的不同而被广泛用于滤波、定时、旁路、耦合、改善马达启动功率等方面。

    电容器的基本构造如图1所示。

    电容器的容量公式

    C=Kes/d　　

    式中C=容量[F]，K=真空时的介电系数(8.855×10-12)，e=介电系数，s=电介质的面积[m2]，d=电介质的厚度[m]。

    因此，使用的电介质厚度越薄、面积越大和介电系数越大，则电容器的容量越大。

   电容器的分类主要有电解电容器、陶瓷电容器、聚酯电容器等。下面着重介绍电解电容器中的有机半导体和高分子有机半导体(导电性高分子)固体电解电容器。

    有机半导体铝固体电解电容器

    导电性高分子铝固体电解电容器

    铝电解电容器的电解质以往采用电解液，有机半导体和导电性高分子铝固体电解电容器(OS-CON)采用了比以往的电解液导电性更高的有机半导体(TCNQ复合盐)或导电性高分子材料，因而它的电解质的导电性高，导电性受温度的影响小。

    OS-CON通过使用高导电性卷绕芯子，使电解质层更薄，大幅度地降低了等效串联电阻(ESR)。OS-CON虽然是电解电容器，却达到了聚酯电容器那样的卓越频率特性。

    OS-CON的构造与铝电解电容器相似，正负极分别采用铝箔，中间加隔纸卷绕而成，与铝电解电容器最大的不同在于用有机半导体或导电性高分子电解质取代电解液，封口采用环氧树脂或者橡胶垫。

    OS-CON的额定电压2V-35V，容量1mF -2700mF，ESR最低达7mW，分插装型和贴装型。而且，导电性高分子材料较有机半导体的耐热性更好。

    OS-CON具有良好的电气特性，主要表现为；

    优越的频率特性

    OS-CON、铝电解电容器、钽电解电容器的阻抗特性比较，OS-CON的阻抗-频率曲线近乎理想值。在100kHz处OS-CON 56mF的阻抗与高性能铝电解电容器1000mF基本上呈相同值，而且频率越高时OS-CON与铝电解电容器之间的容量比越大。

    优越的温度特性

    OS-CON的等效串联电阻(ESR)基本上不受温度的影响，ESR对于高频段的阻抗(振荡点附近)起着决定性的作用，ESR直接关系到降噪的能力，ESR受温度的影响小意味着降噪能力受温度影响小，可以得到整个保证温度段的稳定的降噪效果，特别适用于会在低温环境下使用的设备。

   优越的电压特性

    与陶瓷电容器比较OS-CON在额定电压以下的容量基本上没有变化，因而使用OS-CON不需考虑施加电压后的容值下降问题。

    更大的允许纹波电流

    允许通过电容器的纹波电流量依电容器的发热量而定，发热的主要因素取决于ESR。ESR大则发热量大，使纹波电流量受到限制。

    更长的寿命

    OS-CON的寿命体现为容量受温度影响而减小，OS-CON的寿命规律为温度每降低20℃时寿命增加10倍，一般铝电解电容器的寿命规律为温度每降低10℃时寿命增加2倍。

    线路设计时应该注意极小的ESR可能引起过大的冲击电流，OS-CON的冲击电流最大允许10A。如果允许纹波电流值的10倍超过10A时，应将纹波电流控制在允许纹波电流的10倍以内。

 

    此外，为节省空间及改善纹波会将OS-CON与其它铝电解电容器并联使用，此时通过各电容器的纹波电流与各电容器的ESR成反比，从而ESR小的OS-CON会通过更多的纹波，选型时需要给OS-CON留有余量。

    高分子有机半导体固体电容器

    高分子有机半导体固体电容器(POSCAP)是一种正极采用钽烧结体或铝箔，负极采用具有高导电性的高分子材料的电容器，其卓越的高频特性及低ESR深受好评，被广泛用于笔记本电脑，电源模块等的开关电源的输入输出端。

    POSCAP的构造基本上与普通钽电解电容器相同，最大的不同是电解质采用了导电性高分子材料。正极采用钽烧结体充分发挥钽的高介电系数特性。不但实现了小型电容器的大容量化，同时负极采用导电性高分子材料实现了更低的ESR及可靠性方面的改善。POSCAP的额定电压2.5V-25V，容量2.2μF -1000mF，ESR最低达5mΩ。推荐使用电压为额定电压10V以下的产品，电压降低10%、额定电压10V以上的产品，电压降低20%，而普通钽电解电容器的电压降低高达50%。

    POSCAP具有优越的电气性能，主要表现为；

    高安全性

    由于电解质不含氧原子，发生短路时与使用二氧化锰电解质的电容器相比POSCAP不易燃烧，具有更高的安全性。

    低ESR 和低阻抗

    POSCAP的高导电性实现了低ESR和低阻抗,与同等容量的其它电容器相比阻抗为1/3~1/10。

    卓越的温度特性

    POSCAP所用导电性高分子电解质的电导受温度影响小，因而，ESR基本上不受温度影响。

    更长的寿命

    由于电解质被高分子固化，因而，具有长的寿命。较好的热稳定性不会出现采用电解液的铝电解电容器那样的电解液干涸现象。

    POSCAP在环境温度105℃和额定电压下，10000小时的高温负荷试验表明它的ESR及容量的特性变化很小。

    卓越的自愈能力

    导电性高分子材料的有机物与二氧化锰无机物相比，在较低的300℃高温下就会出现热分解及绝缘化。因此，在短路的前兆阶段，即电流流过正极表面氧化绝缘层产生的焦耳热，会在氧化层微小的绝缘不充分部位形成导电性高分子绝缘层，阻碍电流通过达到自愈修复效果。卓越的自愈能力降低了短路因素，实现了在过冲击电流下的高可靠性，耐冲击电流保证至20A。

 

    高耐热性

    导电性高分子材料的耐热性高，可以达到无铅化回流焊的温度要求。

    线路设计时应该注意，POSCAP是有极性的电容器，反向电压会造成漏电流加大或短路。另外，POSCAP即使在规范、规定的条件内进行回流焊，焊接后的漏电流也有可能变大。不施加电压的高温无负荷周期试验等也会引起漏电流加大，因此规定禁止在保持高阻抗线路、耦合线路、定时线路、漏电流会带来大的影响的线路、超出额定电压的串联线路使用。

    POSCAP虽然安全性较高，但是由于其故障模式为短路，因而万一发生短路后会出现发热和冒烟，发生冒烟的时间因短路条件的不同而为数秒或数分钟，设计上要使短路保护线路在此时间内工作。

    结语

    在电子线路中电容器是必不可少的，而且，随着电子设备的小型化，越来越要求电容器具有更好的频率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐压性能、无铅化，这也是电容器今后的发展方向。

    小型化、大容量化的电容器可以通过使用铌、钛等新型介电材料及结构方面的改进来达到。而低ESR、低ESL化可以通过新型电解质的开发优化工艺及构造来实现，同时产品将向更高的电压方向发展。

    在发展日新月异的信息技术领域，电容器将始终是关键元件之一，我们将应用新技术、新材料不断地开发出顺应信息时代需求的高性能电容器。