铝电解电容基础介绍

“ 本篇介绍铝电解电容，分三小节介绍 ：第一小节简单介绍铝电容的结构和生产加工工艺流程；第二小节为铝电容主要性能参数的变化特点，涉及到如何应用等方面；第三小节介绍铝电容使用中的物理可靠性问 题需要关注的地方。”

太长不看版：

1）铝电容的阻抗频率幅度曲线，在低频由1/ ωC 确定，由于电解电容容量可以做得比较大，因此 铝电容广泛应用于低频滤波场合；在数十千赫到数百千赫下，则由ESR确定，由于铝电解电容 的ESR较大，其阻抗频率幅度特性曲线一般为U形，而不像瓷片电容由于ESR小，在谐振频率点处会有一个明显的下尖而呈现的V形；而在兆赫下，由ω ⋅ L 确定，普通的铝电容其ESL是较大的，这大大限制了在高频下的应用。因此ESR值较高和ESL较大限制了铝电解电容在高频场合下的应用。

2）铝电解电容作为滤波使用时，其容量不宜选取较小，一方面容量过小，其高温下寿命较短；另外，电解电容的大容量特性没有发挥出来；从与其他电容特性比较，注意温度、频率对电容 容量的影响，以及所使用场合的工作电压、安装工艺要求等来选择，但作为滤波使用的话，其容量要求不严格，尽量要求大，这样可以减小ESR。由于ESL较大的限制以及容量上的考虑， 铝电容的使用频率上限不可能很高，一般认为在200kHz以上就不宜使用了。目前大多数电源模 块开关频率都在几百kHz以上，因此，铝电容不适宜用于高频开关电源的输出滤波使用。

3）铝电容的可靠应用主要关注温度，但从实际应用情况看，挥发干涸只是对在高温场合下运行的小体积（小容量）铝电容（电解液少）有影响（在大于75℃的高温场合，应尽量少用小尺寸 的铝电解电容），而对于一般的大容量铝电解电容，在大多数应用场合下（除了ESR。纹波电 流过大造成温升过高，或环境温度过高），在10～20年的时间内都不会发生干涸失效。

除了少数的固体铝电解电容外，通常所说的铝电容是在高纯铝箔经过电化学扩面刻蚀和阳极氧化形成电介质绝缘层后制成的液体电解质电容器，其绝缘介质厚度为几百埃到几千埃（埃- 10^(-10)m），是目前大量应用电容中容量和工作电压做得最高的极性电容器。一般认为铝电容的可靠性不高 ，如低温性能不好、ESR较大、不适合于中高频场合、容易干涸造成使用寿命有限、难以片状化、插装引脚积累灰尘带静电并造成短路等等，但随着工艺水平的提高，在某些特定应用场合下，使用铝电解电容在性能上可以满足要求，而且成本和可靠性方面上还要优于其它电容，如在承受大的上电 冲击电流的低阻抗电路中，铝电容比钽电容要可靠。

01

铝电解电容的结构和主要加工环节

通常所指的铝电容都是指由一个铝箔卷绕结构的芯子，浸渍了液态电解质（注意区分电介质和电解质），引出两个端极并包封在密封金属外壳里。其结构由一个阳极箔，浸透电解质的分隔纸和阴极箔层叠卷成，箔通常是高纯度的铝箔， 为了增加与电解质接触的表面积，在光滑的铝箔表面上用腐蚀方法刻蚀了许多微小的条状沟道。表面看来容量似乎是由两个箔极之间决定的，实际上容量是由阳极箔与电解质之间来决定的，正极平面层是阳极箔；电介质是阳极箔表面上绝缘的铝氧化膜；真正的负极平面应是导电的液态电解质， 而阴极箔仅仅是起到连接电解质和端头引线的作用。图1为一个铝电容的典型结构图：

图1.铝电容的典型结构图

铝电容生产的主要加工环节：

a. 刻蚀

阳极和阴极箔通常为高纯度的薄铝箔（0.02～0.1mm厚），为了增加容量，需要增大箔的有效表面积，利用腐蚀的办法对与电解质接触的铝箔表面进行刻蚀（成千上万微小条状）。对于低压电容，表面面积可以通过刻蚀增大100倍，对高压则一般为20～25倍，即高压电容比低压电容的腐蚀系数要小，这是由于高压的氧化膜较厚，部分掩盖了腐蚀后的微观起伏，降低了有效表面积的缘故。

b.形成

阳极箔表面附着电容的电介质，这个电介质是一层薄薄的铝氧化物（Al2O3）， 它是通过电化 学方法在阳极箔表面通过“形成Forming”的工艺过程生成。氧化铝的厚度与形成电压有关（1.4～ 1.5nm/V），通常形成电压与工作电压有一个比例系数，铝电容的比例系数较小，为1.2～2（固体钽电容为3～5），因此，如果有一个450V额定电压的铝电容，若比例系数为1.4，则形成电压为450× 1.4＝600V，这样其氧化膜的厚度大概为1.5nm×600 = 900nm，这个厚度不到人头发直径的百分之一。形成工艺减小了箔的有效表面积。因为微带状沟道会被氧化物覆盖，沟道刻蚀类型可以通过选择箔和刻蚀过程来调整 。这样，低压阳极有精细的沟道类型和薄的氧化物，而高压阳极有粗糙的沟道类型和厚的氧化膜，阴极箔不用进行形成，所以它还保持大的表面面积和深度刻蚀样貌。

c. 切片

铝箔以一卷成40～50cm宽的条状，在经过刻蚀和形成工艺后，再根据最终电容高度规格要求切成所需的宽度。

d. 芯包卷绕

铝箔切片后，在卷绕机上按一层隔离纸、阳极箔、另一层隔离纸、阴极箔合成并卷绕成柱状芯子结构，并在外面在卷上一个带状的压敏条来防止芯子散开。分隔纸作为阳极箔和阴极箔之间的衬垫层，既可以用以防止两电极箔接触而短路，同时作为吸附和蓄存液态工作电解质的载体。在芯包卷绕前或卷绕过程中，铝垫引出片铆接到两个电极箔上，以方便后面引出到电容的端 极 。最好的铆接方法是采用微处理器控制定位的冷压焊接，以保证这过程中芯子的寄生电感小于 2nH，较古老的铆接方法是通过穿透铝箔，折叠起来的方式，冷压焊接降低了短路失效的可能性， 而且在高纹波电流应用下有较好的特性，而旧的铆接方式在充放电应用场合下常会使个别连接点断裂失效。

e. 连接引出端

铝垫引出片的扩展就是电容的引出端极。对于轴向引线结构的电容，阴极垫在密封前与金属外壳焊接在一起。

f. 注入液态电解质

在芯子里注满了工作电解液让分隔纸充分吸收并渗透至毛细的刻蚀管道中。注入过程是将芯子浸渍在电解液中并进行加热（或不加热）的真空－强压循环处理，对于小容量电容，仅仅只是浸渍吸收就可以。电解液由不同化学成分混合而成，根据不同的电压和应用环境温度范围，其组成成分也不同。水在电解液成分中占据一个主要角色，它增加了电解液可导性从而减小了电容的ESR，但同时降低了沸点影响了在高温下的性能，降低了贮藏时间。当漏电流流过，水分子分解成氢气和氧 气，氧气在漏电流处与阳极箔金属生成新的氧化膜（自愈），氢气则通过电容的橡胶塞逸出。因此 为了维持氧化膜的自愈特性，是需要有一定比例成分的水。

g. 密封

电容芯子密封在金属外壳罐里，大多数金属外壳为铝。为了释放产生的氢气，并不是绝对的密封，当内外压力差值超过某一值时，氢气可单向透过橡胶逸出，消除爆破的危险。总的来说，封得太密，会导致过强的压力，太松，则会使电解液挥发干涸失效。

h.老化

老化是电容生产的最后一步，在这个过程中，会施加一个大于额定电压但小于形成电压的直流电压，一般会在电容的额定温度下进行（也可能在其它温度甚至室温下），这个过程可以修复氧化膜的缺陷，老化是筛选早期失效的电容的一个很好手段，低的初始漏电流是有效老化的一个标志。

02

—

影响铝电解滤波效果的模型参数

由于寄生参数和电容材料结构自身因素，实际电容器的等效电路可以用下面图的RLC串联图 来表示：

图2.电容等效电路图及铝电解电容典型阻抗幅度特性

对于铝电容的阻抗频率幅度曲线，在低频由 1/ωC 确定，由于电解电容容量可以做得比较大，因此铝电容广泛应用于低频滤波场合；在数十千赫到数百千赫下，则由ESR确定，由于铝电解电容的ESR 较大，其阻抗频率幅度特性曲线一般为U形，而不像瓷片电容由于ESR小，在谐振频率点处会有一 个明显的下尖而呈现的V形；而在兆赫下，由ω ⋅ L 确定，普通的铝电容其ESL是较大的，这大大限制了在高频下的应用。因此ESR值较高和ESL较大限制了铝电解电容在高频场合下的应用。

下面针对铝电容等效电路里的各项参数（C、ESR和ESL）来分析频率阻抗特性，从而了解其在电源滤波电路中的应用。

2.1 电容量

容量是选择应用电容首要考虑的第一个因素。目前，铝电解电容的电容量范围业界可做到 0.1uF～3F ，工作电压从5V～500V。电容每一量级一般分6 个数值：1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8 。

用于滤波场合时，从阻抗角度看（ Z ＝1/ ωc ），电容容量越大，阻抗越小，因此容量越大滤波效果越好；但由于电容的非理想性，其自身构造带来的寄生参数限制，使得应用频率 一般不应超过自身谐振频率点；谐振频率点 ，不仅与ESL有关，还与电容C有关，从铝电容的ESL和C的分布范围，可以推算谐振频率从11kHz（Lmax＝30nH；Cmax＝6.8mF）到2.5MHz（Lmin ＝10nH；Cmin＝0.47uF ），实际上从上面的阻抗幅度频率特性图看到，由于铝电容的ESR比较大， 呈现“U“型特性，这样并不能很好的定位那一点是谐振频率，实际应用时，这一平坦的区域同样有助于滤波（当然前提是小于目标阻抗），因此完全按照谐振频率点来进行限制是不妥当的；谐振点可作为一个参考，实际应用的截止频率肯定要比该点高（一般不超过几百kHz，由ESR/ESL和目 标阻抗共同决定）。滤波应用时，小容量铝电容（<10uF电容）不具有优势，寄生参数大，而且容量小，在高温时寿命短，主要还是大容量的电解电容应用于低频的滤波场合。

电容量随着温度变化而变化：通常，从25℃到高温极限，容量增加不超过10%；对于－40℃极限的电容，在－40℃时，低压电容的容量会下降20％，高压电容则下降有40％之多；在－20℃到－ 40℃温度区间时，容量下降最快；对于－55℃极限的电容，在－40℃时，下降通常不超过10％；在 －55℃时，不超过20％。 

    由于ESR、ESL寄生参数影响，铝电容的电容量随着频率的升高而减小。

2.2 RSR值

通用铝电解电容，其ESR值一般在几十毫欧～2.5 欧(100kHz/25℃）。从业界资料上了解到通用铝电解电容的ESR范围在10mΩ～10Ω。对于Low ESR铝电解电容，其ESR值在手册中有给出，一般 几十mΩ（100kHz/20℃）。

铝电容内部结构参数及与ESR的关系分析如下，ESR值由三个部分所组成：

1） 氧化膜介质损耗所代表的等效串联电阻（r介）

2 ) 电解质所代表的等效串联电阻（r解）

3） 板极欧姆电阻、导电层的欧姆电阻，以及其间的接触电阻（r金 ）

ESR＝r 介 ＋r 解 ＋r 金=tgδ/wc,  这里的 tgδ ，即电容器的损耗角正切值或损耗因子(Dissipation Factor)DF，定义为DF＝ tgδ ＝ω ⋅C⋅ ESR 。电解电容用于脉动电路时，衡量其交流特性的参数指标用电容量及 tgδ ，有时则用阻抗和ESR，一般来说，厂家喜欢用 tgδ 指标，因为其便于考核产品 的质量；而对于应用来说，ESR则更为容易理解。如果工艺上不出差错而且工作频率较低时，r金是 可以忽略掉的（当工作频率较高时，出现趋肤效应，这时r金影响就较大）；另外，氧化膜介质的 tgδ 介值在电解电容器的工作频率范围内，可近似地认为是一个常值，与频率无关，所以最后可以简化为 tgδ = tgδ 介 ＋ω ⋅C⋅r解

     r解又叫做浸渍纸电阻，指以易浸润的分隔纸（衬垫纸）或其它多孔性纤维材料浸透了工作电解液后的电阻，有时也称为衬垫物电阻，r解＝ 2A d ϕ ⋅ ρ ⋅ ，ϕ －衬垫材料的渗透系数，与其多孔性结构有关；ρ －电解液的电阻率（Ω ⋅ cm ）；d－衬垫材料的厚度（cm）；A－阳极箔的外观几何尺寸表面积（非衬垫材料的 2 cm ）；A乘以2是因为箔的两面均起作用。减小 ρ 可以减小r解，但不能过分 追求减小 ρ ，因为 ρ 太小会带来可靠性问题；而且 ρ 随温度增加而减小，在高温下如85℃时，这时差别也不大。

a） 电容容值和额定电压值

一般ESR与容值和额定电压成反比，如相同额定电压，容量越大，ESR越小；相同容量，额定电压越高，ESR越小。这主要是通过r解与A的成反比关系来确定的，当容量增大、额定电压增高时， 相应的铝箔尺寸面积也要增大，所以r解减小，由此可以理解相同系列，相同耐压，同一尺寸，同一 量级范围内的电容其ESR差别是不大的（因为A变化不大）。

b） 尺寸大小

在同一尺寸面积下，ESR与铝箔尺寸呈线性关系(Ω/inch),铝箔越长（即直径越大），ESR越大；铝箔越宽（即电容越高），ESR越小。这主要是通过对r介的影响导致的。一般径向的铝电解电容给 出的规格尺寸是以ΦD× H 的方式表示，其中D表示铝箔卷起后的直径，也就表示了其长度；H为电 容的高度，即铝箔的宽度。对于轴向电解电容，也是以ΦD× H 的方式表示，但要根据其内部引出线的方式来决定。

c） 频率和温度

ESR值在低频段时随着f 的增大而减小，并最终趋于一个较稳定的值；ESR值随着温度的变化而变化，一般从25℃到高温极限，ESR会下降大约35％～50％；而从25℃到低温极限，ESR会增大 10到100倍。从图3可以形象的看到ESR随频率和温度变化而变化的趋势和比例。

图3. 铝电容的ESR随温度和频率变化

用液体电解质（或凝胶电解质）r解与温度的关系是显而易见的（电解液的电阻率 ρ 随温度变 化）；而由前面 tgδ = tgδ 介 ＋ω ⋅C⋅r解 及 tgδ ＝ω ⋅C⋅ ESR ，也可以知道ESR= tgδ 介 ωC＋r解 , 而 tgδ 介 值在转折频率点以下可近似地认为是一个常值，所以在低频段时，频率增大ESR减小，到转折频率点后，ESR就趋向于一个稳定的值；该转折频率点与容量成反比，一般在10kHz以下。由 于大容量铝电解电容的转折频率点低，所以其ESR随频率变化的特性不明显，特性曲线较为平坦。ESR由于联系到电容的结构和工艺，实际上就是考查了形成铝箔的质量、电解液配方的合适度、刺铆引出条的位置和铆接质量，以及减少电容器芯子的自感的措施是否适当等生产措施。随之也就相 应引出了合适的脉动电路用的纹波电流和工作频率上限范围。厂家主要通过 tgδ 来考察其ESR指 标。ESR的应用影响主要是纹波电流流过产生的损耗发热及压降影响（纹波电压），见下面可靠应 用关注点分析。

2.3 ESL值

铝电解电容的寄生串联电感值ESL，其值较为稳定，并不随频率和温度变化，对于通用铝电解电容，ESL不会超过100nH ,如SMT封装，其值在2nH8nH范围内；径向插装:10nH30nH ;螺旋式 （screw-terminal）：20nH~50nH ;而轴向插装的结构，其值则可以达到200nH。

一般，铝电解电容的ESL有三个部分组成：

1）芯子的电感，主要指极箔的电感，包括接触用引出箔的电感和多个芯子间的内部连接线的 电感；

2）引出线的电感，可以用 或按照20nH/inch（1 inch＝2.54cm）来粗略估算电容引线的电感；

3）金属外壳的电感，如外壳与芯子的引出端不连接，则外壳对电容器的电感根本无影响；但如利用金属外壳作为其引出端之一并接地时，将会使电感量加大。

此外，由于电容连接到PCB板上，必要时也需要考虑电容在板上布局的好坏带来的走线电感（相 对与其自身电感要小得多）。通常，若插装电解电容两个引线不是直接连接到电源平面上，而是通过走线过去的话，我们需要考虑这走线的电感，一般按10nH/inch来计算。PCB走线（两层板）的 电感可以用 ，uo＝4π nH/cm来计算。

当铝电解电容应用于脉冲高频电路时，这时就要考虑ESL的影响：

a） 作为使用频率上限范围限制的参考：

一般认为，当频率高于电容的自身谐振频率点时（ ），寄生电感ESL的感抗大于容抗， 电容已不能看作是一个电容使用，因此ESL和电容容值决定了其使用的频率上限，由于铝电解电容的容值和ESL均较大，自身谐振频率点都较低，因此限制了其在高频场合的使用。从阻抗角度看， 该上限由所需目标阻抗和ESR/.ESL来共同决定，一般为几百kHz。（ESR较大，并不等效于扩宽了使用范围，主要还是由目标阻抗决定。如果ESR小，但是目标阻抗不需要提供太小阻抗，使用频率范围同样较大，不过在不同频率效果有所差别而已，但仍然符合要求）。

b） ESL值大，ESR也较大：

为了获得较大的电容量，相应地必须增加阳极箔的使用面积。按一般的卷绕式结构，金属箔的电感将随阳极箔的面积增大而增大（如箔的宽度不变，A增大，l必大，L也增大，金属箔电阻也增 大）。在所有结构中，卷绕式结构电感量最大，ESR最大；而叠箔式特殊结构，不仅L最小，ESR也 最小。

2.4 可靠应用关注点

铝电解电容的可靠应用主要是关注温度，因为铝电容的电解质为液态，芯子发热将导致电解液挥发，长期下去最终干涸失效。

铝电容内部芯子的温升主要是由于ESR、Rp电阻的损耗发热导致（有些资料将Rp变换看成是 ESR的一部分），相对来说，Rp的损耗远小于ESR的损耗，因此可忽略Rp而主要考虑ESR的影响。当电容应用在脉冲交流电路中时，如工频的整流平滑滤波、开关电源输入输出滤波等，纹波电流流 经ESR产生的损耗发热将严重影响了器件的使用寿命，因为器件内部温度的上升，工作电解液蒸发 量增加，使电容容量减小， tgδ 增大，长期下去导致电容干涸失效。因此器件手册给出的纹波电流 值实际是由ESR决定的，ESR大，必然允许纹波电流要小。

     一般，电解液损失40％时，容量下降20％；损失90％，容量下降40％，此时，芯子已基本干涸， 不能再使用了。从实际应用情况看，挥发干涸只是对在高温场合下运行的小体积（小容量，< 10uF） 铝电容（电解液少）有影响（在大于75℃的高温场合，应尽量少用小尺寸的铝电解电容），而对于 一般的大容量铝电解电容，在大多数应用场合下，在10～20年的时间内都不会发生干涸失效（大多 数应用场合指：纹波电流不超过额定值时，芯子温度不高过环境温度5℃；环境温度在45℃～55℃， 此外仍需注意高温及纹波电流过大或ESR过大造成内部芯子温升的情况）。 

     由于铝电容ESR和ESL都较大，在运用不当时，将会对电路功能可靠性造成影响，纹波电流流 过ESR和ESL而产生大的纹波电压。此外，由于铝电容尺寸较大，在安装、运输过程中，需要注意 不要碰、挤压、扎伤电容。