電容器的應用與篩選

陳思維

中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都 610036

1 概述

電容器是整機電子設備不可缺少的基礎元件，且用量大。隨著新材料的發展，電容器的性能也迅速得以提高。在選用電容時，不僅要考慮它的電性能參數特點，還要兼顧其可靠性。要保證整機的可靠性。我們通過開展器件的篩選試驗來剔除不合格或可能早期失效的器件，極大地提高了整機的可靠性。這里介紹常用電容器的主要技術性能指標和特點，為方便使用者了解和掌握電容器的優劣點，合理選擇。篩選，是指一種通過試驗剔除不合格或有可能早期失效電子元器件的方法。電介質，是指一切絕緣體統稱為電介質；或是在外電場的作用下內部結構發生變化，并且反過來影響外電場的物質。

2 電容器的基本原理

電容器是由兩個電極與其間的介電材料構成。介電材料是一種電介質。電容器的基本功能是：“隔直通交”。理想的電容器對于恒定直流電來講，就像一個斷開的開關，表現為開路；而對于交流電來說，表現為導通。但實際上，電容器并非立刻將直流電阻隔，在電路剛接通時，電路中會產生一個極大的電流，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，最終達到平衡狀態。有一點需要明確：無論是直流還是交流條件，理想的電容器內部是不會有任何電流通過的，只是兩極板電荷量發生了變化，從而產生了電場。

2.1 電容器的型號主要命名方法

電容器廣泛應用于隔直、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。電容器的型號一般用字母表示名稱，電容器用“C”；用字母表示材料；用數字表示分類，個別用字母表示；用數字表示序號。

例如 ∶CD 11 - 50V-100μF (±20%)

2.2 電容器的分類

1）按照結構分為：固定電容器、可變電容器和微調電容器；

2）按電解質材料分為：有機/無機介質電容器、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：用浸有糊狀電解質的吸水紙夾在兩條鋁箔中間卷繞而成，氧化膜作介質。優點：容量大、能耐受大的脈沖電流；缺點：容量誤差大、漏電流大、不適用于高頻和低溫環境；

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

3）瓷介電容：優點是引線電感極小，頻率特性好，介電損耗小，有溫度補償作用；缺點是容量較小，受振動會引起容量變化。但特別適于高頻旁路；

4）獨石電容：具有體積小、容量大、高可靠和耐高溫的優點。屬于高介電常數的低頻電容；

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

6）微調電容：電容量可在某一小范圍內調整，并可在調整后固定于某個電容值。通常都采用彈簧式，結構簡單，但穩定性較差；

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

2.4 電容器主要特性參數

2.4.1 標稱電容量和允許偏差

電容量是指電容器加上電壓后儲存電量的能力。標稱電容量： C=Q/U。對于理想的電容器其容量與電極面積和介電常數成正比與電極之間的距離成反比。但是電性能的測試必須在規定的條件下進行，比如：需要在某個特定的頻率、電壓下測量，才能得到正確的測量值。在正常情況下電容器的允許偏差指實際電容量可允許的最大偏差如下：

CR ＜10PF CR ≥ 10PF符號 允許偏差（PF） 符號 允許偏差（%） 符號 允許偏差（%） 符號 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、擊穿電壓和試驗電壓

電容的額定工作電壓UR，是指電容在規定的時間內，能夠可靠工作的最高電壓。擊穿電壓是當電容上施加的電壓達到擊穿電壓Ub時，漏電流急劇增加某一規定值時的電壓；試驗電壓Ut是在電容批量生產中，為了驗證此批電容承受電壓是否符合要求，而抽樣試驗所施加的電壓。為了讓電容能長期可靠的工作，既要保證在瞬間過壓時不發生擊穿，還要保證能長期穩定工作。在選用電容器時，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重要指標，主要是生產過程中原材料的一些孔洞、瑕疵、裂縫引起的。對于瓷介、云母介質的電容器可直接用絕緣電阻來表示絕緣性能，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電阻和絕緣子漏電阻的并聯電阻。而絕緣子電阻取決于介質的種類、溫度、電壓和充電時間。但是潮濕的測試環境也可降低器件的絕緣性能。對于絕緣性能，電解電容用漏電流來表示，漏電流越小越好。漏電流的計算公式為：I=K·C·U（K為常數，C為容量，U為施加電壓）。

2.4.4 損耗（tgδ）

電容在電場作用下，在單位時間內因發熱所消耗的能量叫做損耗。各類電容都規定了其在某頻率范圍內的損耗允許值，電容第二損耗主要由介質損耗，電導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優劣的一項重要指標。損耗越大，電容器發熱越嚴重，表明電容器傳遞能量效率越差，失效率越高。對高頻電容器的評價，有時采用品質因數Q 作為評價質量的指標。其定義是電容器在電場中的無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裝配前必不可少的一道工序。篩選的基本原理就是：在適當的試驗及應力條件下，劣質品會出現早期失效，而優良品則會通過。給器件施加一種應力或多種應力試驗，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剔除早期失效的器件，從而保障裝機器件的質量可靠性。下面以瓷介電容為例介紹常見的電容應力試驗。

序號篩選項目 篩選條件 失效標準 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、機械損傷等2溫度循環正極限溫度 負極限溫度，在2min內完成正、負變化，每次極限溫度內保持30min以上，至少循環5次外觀變形、機械損傷等

2.6 老化的預處理

為了避免老化干擾的作用，在這些試驗之前應進行專門的預處理，在極限溫度下保持一小時，然后在試驗用標準大氣壓下保持24小時。對距離溫度低于極限溫度的電容，就會導致消除老化，隨后使電容器進行24小時老化。如果介質的居里溫度高于極限溫度，那么專門預處理不會完全使電容器消除老化，但是將仍然會使電容器變成一種狀態，在這種狀態下，它的電容量與它以前的歷史無關并將達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160℃，在這個溫度可能對包封層有損傷。因此，在要求這種電容器完全消除老化的少數情況下，各種必要的措施應在細節中考慮。

[1]GJB360A《電子及電氣元件試驗方法》.

[2]盧昆祥.整機系統可靠性設計理論與實用技術[M].天津科學出版社.

[3]電子元器件可靠性實用指南.電子元件專業質量管理協會.