電容器的應(yīng)用與篩選

陳思維

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川成都 610036

1 概述

電容器是整機(jī)電子設(shè)備不可缺少的基礎(chǔ)元件，且用量大。隨著新材料的發(fā)展，電容器的性能也迅速得以提高。在選用電容時(shí)，不僅要考慮它的電性能參數(shù)特點(diǎn)，還要兼顧其可靠性。要保證整機(jī)的可靠性。我們通過(guò)開(kāi)展器件的篩選試驗(yàn)來(lái)剔除不合格或可能早期失效的器件，極大地提高了整機(jī)的可靠性。這里介紹常用電容器的主要技術(shù)性能指標(biāo)和特點(diǎn)，為方便使用者了解和掌握電容器的優(yōu)劣點(diǎn)，合理選擇。篩選，是指一種通過(guò)試驗(yàn)剔除不合格或有可能早期失效電子元器件的方法。電介質(zhì)，是指一切絕緣體統(tǒng)稱(chēng)為電介質(zhì)；或是在外電場(chǎng)的作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并且反過(guò)來(lái)影響外電場(chǎng)的物質(zhì)。

2 電容器的基本原理

電容器是由兩個(gè)電極與其間的介電材料構(gòu)成。介電材料是一種電介質(zhì)。電容器的基本功能是：“隔直通交”。理想的電容器對(duì)于恒定直流電來(lái)講，就像一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)，表現(xiàn)為開(kāi)路；而對(duì)于交流電來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)為導(dǎo)通。但實(shí)際上，電容器并非立刻將直流電阻隔，在電路剛接通時(shí)，電路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極大的電流，然后隨著電容器不斷充電，電流在不斷減小，最終電容器電壓和電源電壓相等且反向，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。有一點(diǎn)需要明確：無(wú)論是直流還是交流條件，理想的電容器內(nèi)部是不會(huì)有任何電流通過(guò)的，只是兩極板電荷量發(fā)生了變化，從而產(chǎn)生了電場(chǎng)。

2.1 電容器的型號(hào)主要命名方法

電容器廣泛應(yīng)用于隔直、耦合、濾波、控制電路等方面。一般常用“C”表示電容量，容量單位有pF、μF、F。電容器的型號(hào)一般用字母表示名稱(chēng)，電容器用“C”；用字母表示材料；用數(shù)字表示分類(lèi)，個(gè)別用字母表示；用數(shù)字表示序號(hào)。

例如 ∶CD 11 - 50V-100μF (±20%)

2.2 電容器的分類(lèi)

1）按照結(jié)構(gòu)分為：固定電容器、可變電容器和微調(diào)電容器；

2）按電解質(zhì)材料分為：有機(jī)/無(wú)機(jī)介質(zhì)電容器、電解電容器等；

3）按用途分為：高頻旁路、低頻旁路、濾波、調(diào)諧、高頻耦合、低頻耦合等。

2.3 常用電容器

1）鋁電解電容：用浸有糊狀電解質(zhì)的吸水紙夾在兩條鋁箔中間卷繞而成，氧化膜作介質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：容量大、能耐受大的脈沖電流；缺點(diǎn)：容量誤差大、漏電流大、不適用于高頻和低溫環(huán)境；

2）鉭電解電容：用燒結(jié)的鉭塊作正極,用固體二氧化錳作介質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：漏電流小，貯存性良好、壽命長(zhǎng)、容量誤差較小和體積小；缺點(diǎn)：對(duì)脈沖電流的耐受力差，易損壞；

3）瓷介電容：優(yōu)點(diǎn)是引線電感極小，頻率特性好，介電損耗小，有溫度補(bǔ)償作用；缺點(diǎn)是容量較小，受振動(dòng)會(huì)引起容量變化。但特別適于高頻旁路；

4）獨(dú)石電容：具有體積小、容量大、高可靠和耐高溫的優(yōu)點(diǎn)。屬于高介電常數(shù)的低頻電容；

5）薄膜電容：用聚脂、聚苯乙烯等低損耗塑材作為介質(zhì)。頻率特性好，介電損耗小。但容量較小，耐熱力差；

6）微調(diào)電容：電容量可在某一小范圍內(nèi)調(diào)整，并可在調(diào)整后固定于某個(gè)電容值。通常都采用彈簧式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但穩(wěn)定性較差；

7）鎳電容：作為一種新型材料的電容器。具有很多優(yōu)點(diǎn)：頻率特性好、體積小、容量大、耐熱力強(qiáng)。

2.4 電容器主要特性參數(shù)

2.4.1 標(biāo)稱(chēng)電容量和允許偏差

電容量是指電容器加上電壓后儲(chǔ)存電量的能力。標(biāo)稱(chēng)電容量： C=Q/U。對(duì)于理想的電容器其容量與電極面積和介電常數(shù)成正比與電極之間的距離成反比。但是電性能的測(cè)試必須在規(guī)定的條件下進(jìn)行，比如：需要在某個(gè)特定的頻率、電壓下測(cè)量，才能得到正確的測(cè)量值。在正常情況下電容器的允許偏差指實(shí)際電容量可允許的最大偏差如下：

CR ＜10PF CR ≥ 10PF符號(hào) 允許偏差（PF） 符號(hào) 允許偏差（%） 符號(hào) 允許偏差（%） 符號(hào) 允許偏差（%）B ±0.1 F ±1 J ±5 S +5 ～ -20 C ±0.25 G ±2 K ±10 Z +80 ～-20 D ±0.5 H ±3 M ±20 P +100 ～-20

2.4.2 額定工作電壓、擊穿電壓和試驗(yàn)電壓

電容的額定工作電壓UR，是指電容在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，能夠可靠工作的最高電壓。擊穿電壓是當(dāng)電容上施加的電壓達(dá)到擊穿電壓Ub時(shí)，漏電流急劇增加某一規(guī)定值時(shí)的電壓；試驗(yàn)電壓Ut是在電容批量生產(chǎn)中，為了驗(yàn)證此批電容承受電壓是否符合要求，而抽樣試驗(yàn)所施加的電壓。為了讓電容能長(zhǎng)期可靠的工作，既要保證在瞬間過(guò)壓時(shí)不發(fā)生擊穿，還要保證能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。在選用電容器時(shí)，就必須正確選用電容器的三種電壓。

2.4.3 絕緣電阻及漏電流

絕緣電阻和漏電流是電容器絕緣性能的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，主要是生產(chǎn)過(guò)程中原材料的一些孔洞、瑕疵、裂縫引起的。對(duì)于瓷介、云母介質(zhì)的電容器可直接用絕緣電阻來(lái)表示絕緣性能，絕緣電阻越大越好。在直流電壓下，電容的的阻值一般取決于介質(zhì)電阻和絕緣子漏電阻的并聯(lián)電阻。而絕緣子電阻取決于介質(zhì)的種類(lèi)、溫度、電壓和充電時(shí)間。但是潮濕的測(cè)試環(huán)境也可降低器件的絕緣性能。對(duì)于絕緣性能，電解電容用漏電流來(lái)表示，漏電流越小越好。漏電流的計(jì)算公式為：I=K·C·U（K為常數(shù)，C為容量，U為施加電壓）。

2.4.4 損耗（tgδ）

電容在電場(chǎng)作用下，在單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱所消耗的能量叫做損耗。各類(lèi)電容都規(guī)定了其在某頻率范圍內(nèi)的損耗允許值，電容第二損耗主要由介質(zhì)損耗，電導(dǎo)損耗和電容所有的金屬部分的電阻所引起的。損耗角正切的大小是衡量電容器品質(zhì)優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。損耗越大，電容器發(fā)熱越嚴(yán)重，表明電容器傳遞能量效率越差，失效率越高。對(duì)高頻電容器的評(píng)價(jià)，有時(shí)采用品質(zhì)因數(shù)Q 作為評(píng)價(jià)質(zhì)量的指標(biāo)。其定義是電容器在電場(chǎng)中的無(wú)功功率與損失的有功功率之比：Q=1/tgδ。

2.5 電容器的篩選

電容的篩選也是整機(jī)裝配前必不可少的一道工序。篩選的基本原理就是：在適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)及應(yīng)力條件下，劣質(zhì)品會(huì)出現(xiàn)早期失效，而優(yōu)良品則會(huì)通過(guò)。給器件施加一種應(yīng)力或多種應(yīng)力試驗(yàn)，就可以暴露元器件的固有缺陷而不破壞它的完整性。我們利用二次篩選來(lái)剔除早期失效的器件，從而保障裝機(jī)器件的質(zhì)量可靠性。下面以瓷介電容為例介紹常見(jiàn)的電容應(yīng)力試驗(yàn)。

序號(hào)篩選項(xiàng)目 篩選條件 失效標(biāo)準(zhǔn) 備注1高溫老化正極限溫度條件下，加額定直流電壓，至少48h擊穿、外觀變形、機(jī)械損傷等2溫度循環(huán)正極限溫度 負(fù)極限溫度，在2min內(nèi)完成正、負(fù)變化，每次極限溫度內(nèi)保持30min以上，至少循環(huán)5次外觀變形、機(jī)械損傷等

2.6 老化的預(yù)處理

為了避免老化干擾的作用，在這些試驗(yàn)之前應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的預(yù)處理，在極限溫度下保持一小時(shí)，然后在試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下保持24小時(shí)。對(duì)距離溫度低于極限溫度的電容，就會(huì)導(dǎo)致消除老化，隨后使電容器進(jìn)行24小時(shí)老化。如果介質(zhì)的居里溫度高于極限溫度，那么專(zhuān)門(mén)預(yù)處理不會(huì)完全使電容器消除老化，但是將仍然會(huì)使電容器變成一種狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，它的電容量與它以前的歷史無(wú)關(guān)并將達(dá)到仍然是完全消除老化同樣的效果。為了使電容器完全消除老化，可以要求溫度升高達(dá)160℃，在這個(gè)溫度可能對(duì)包封層有損傷。因此，在要求這種電容器完全消除老化的少數(shù)情況下，各種必要的措施應(yīng)在細(xì)節(jié)中考慮。

[1]GJB360A《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》.

[2]盧昆祥.整機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)理論與實(shí)用技術(shù)[M].天津科學(xué)出版社.

[3]電子元器件可靠性實(shí)用指南.電子元件專(zhuān)業(yè)質(zhì)量管理協(xié)會(huì).