第1页:铝电解液电容的制造过程

本文作者万鹏简介:95年开始接触显卡,97年开始在《电脑报》、《微型计算机》上发表文章,99年进入耕宇公司,目前任职耕宇公司市场部,PCPOP技术顾问。曾用笔名:ECLIPSE、INTENSE、万大善人。假如您还没阅读过本文的上篇,那么我们强烈推荐您先阅读一遍:会攒机不叫DIY,迄今为止最深入的电容剖析 。

小地:万鹏你好,在上次的文章当中,我们了解了电容的构造、原理、阴极和阳极的分类,并且对如今性能最优秀的电解电容——固体聚合物导体电容进行了详尽的剖析。而这次,我们要谈些什么呢?

万鹏:假如说上次我们所讲的内容,都是以理论为主的话,那么这次我们要谈的则更加的实际——这包括电容的制造过程、电容的寿命以及不同品牌、不同型号电容的性能特点。

在本章节我们首先讲一讲贴片铝电解液电容的制造方法,贴片铝电解液电容是如今的显卡上最常见的电容之一。大家看完本章后,就能明白这种电容是如何从原材料变成现在的模样了。事实上其它种类的贴片电解电容,例如铝固体聚合物电容的制造方法也和它类似,只是阴极采用的材料不是电解液,而是固体聚合物等等。

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小泥巴的博客 贴片铝电解液电容是显卡上最常见的电容

贴片铝电解液电容的制造过程包括九个步骤,我们就按顺序逐一为大家讲解:

第一步:铝箔的腐蚀。

假如拆开一个铝电解液电容的外壳,你会看到里面是若干层铝箔和若干层电解纸,铝箔和电解纸贴附在一起,卷绕成筒状的结构,这样每两层铝箔中间就是一层吸附了电解液的电解纸了。

因此首先我们谈谈铝箔的制造方法。为了增大铝箔和电解质的接触面积,电容中的铝箔的表面并不是光滑的,而是经过电化腐蚀法,使其表面形成凹凸不平的形状,这样能够增大7~8倍的表面积。普通铝箔一平方米的价格在10元人民币左右,而经过这道工艺之后,它的价格将升到40~50元/平米。电化腐蚀的工艺是比较复杂的,其中涉及到腐蚀液的种类、浓度、铝箔的表面状态、腐蚀的速度、电压的动态平衡等等。我们国家目前在这方面的制造工艺还不够成熟,因此用于制造电容的经过电化腐蚀的铝箔目前还主要依赖进口。

第二步:氧化膜形成工艺。

铝箔经过电化腐蚀后,就要使用化学办法,将其表面氧化成三氧化二铝——也就是铝电解电容的介质。在氧化之后,要仔细检查三氧化二铝的表面,看是否有斑点或者龟裂,将不合格的排除在外。

第三步:铝箔的切割。

这个步骤很容易理解。就是把一整块铝箔,切割成若干小块,使其适合电容制造的需要。

第四步:引线的铆接。

电容外部的引脚并不是直接连到电容内部,而是通过内引线与电容内部连接的。因此,在这一步当中我们就需要将阳极和阴极的内引线,与电容的外引线通过超声波键合法连接在一起。外引线通常采用镀铜的铁线或者氧化铜线以减少电阻,而内引线则直接采用铝线与铝箔直接相连。大家注意这些小小的步骤无一不对精密加工要求很高。

第五步:电解纸的卷绕。

电容中的电解液并非直接灌进电容,呈液态浸泡住铝箔,而是通过吸附了电解液的电解纸与铝箔层层贴合。这当中,选用的电解纸与普通纸张的配方有些不同,是呈微孔状的,纸的表面不能有杂质,否则将影响电解液的成分与性能。而这一步,就是将没有吸附电解液的电解纸,和铝箔贴在一块,然后卷进电容外壳,使铝箔和电解纸形成类似“101010”的间隔状态。

第六步:电解液的浸渍。

当电解纸卷绕完毕之后,就将电解液灌进去,使电解液浸渍到电解纸上。随着电解液配方的改进以及电解纸制造技术的提升,如今铝电解液电容的ESR值也逐渐得以提升,变成以前的若干分之一。

第七步:装配。

这一步就是将电容外面的铝壳装配上,同时连接外引线,电容到这时已经基本成型了。

第八步:卷边。

如果是那种“包皮”电容,就需要经过这一步,将电容外面包覆的PVC膜套在电容铝壳外面。不过如今使用PVC膜的电容已经越来越少,主要原因在于这种材料并不符合环保的趋势,而和性能表现没有太大关系。

第九步:组合装配。

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小泥巴的博客 如果是直插封装,就不需要经过这步

这是贴片铝电解电容制造的最后一步。这一步就是将SMT贴片封装工艺所需要的黑色塑料底板元件装在电容底部。对元件的要求,首先是密封效果要好;第二是耐热性能要好;第三还要具备耐化学性,不能和电容内部的电解液一类物质产生化学反应。这块小塑料板叫做“端子板”,其制造精度要求是非常高,因为一旦大小不合适,要么影响电容的密封性(过小),或者阻挡PCB上电容附近其它元件的装配(过大)。
第2页:钽二氧化锰电容的制造过程

万鹏:显卡上除了常见的贴片铝电解液电容外,偶尔还会出现比其更加高档的钽二氧化锰电容,也就是我们熟悉的钽电容。钽二氧化锰电容的外观呈立方体,体积较小,与体积相对偏大,且外观为圆筒状的铝电解液电容截然不同。不仅是外观,钽二氧化锰电容的内部结构也和铝电解液电容不一样。那么,这种电容又是如何制造出来的呢?

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小泥巴的博客 钽电容是“高档的象征”

可以说将二氧化锰作为阴极的钽二氧化锰电容的制造过程,比将固体聚合物作为阴极的电容还要复杂。因为PPY和PEDT这类固体聚合物,只需要直接放置入电容内部,而钽二氧化锰电容内部的二氧化锰,由于溶解性较差,熔点较高,无法预先紧密贴合,所以只能用硝酸锰热分解生成。

制造钽电容首先需要高纯度的钽粉。其纯度至少应该在99.9%以上,目前这方面能达到的最高工艺是99.9999%。首先,将钽粉和有机溶剂掺杂在一起,按照一定的形状加压成形,同时埋入钽引线。

然后,在2000度以上的真空高温环境下,将掺杂有机溶剂的钽粉在真空中进行烧结变成类似于海绵的状态,同时和引线真正地融合在一起。(一定要保证真空环境,杜绝氧气,因为钽的熔点非常高,低于2000度无法熔化,而在2000度时,钽会和氧气发生剧烈反应,也就是爆炸 所以一定不能有氧气混入)

接下来就要把烧结以后的海绵状的钽进行氧化而得到介质——五氧化二钽。这一步是将海绵状的钽,泡在磷酸溶液里面电解,氧化后表面即生成五氧化二钽。五氧化二钽的介电常数非常高,在27左右,性能高于铝电解电容的三氧化二铝介质(介电常数7左右)。

然后就是阴极材质——二氧化锰的生成。这一环节,是将液态的硝酸锰加入钽块,然后将其在水蒸汽(催化剂)环境中进行热分解,分别成二氧化锰与二氧化氮。为了使氧化膜能够真正完全黏附在二氧化锰上,这道工序要进行好几次(掺入,分解,再掺入……)。硝酸锰吸附性好,生成的二氧化锰可以完全吸附在海面状钽块内部的无数个小孔当中。假如这里直接使用固体的二氧化锰,就无法达到这种效果,这就是为什么二氧化锰只能在制造过程中得到的原因。假如使用PPY/PEDT等固体聚合物,因其溶点很低,就可以直接将其熔解然后放进去。

最后要将银粉和石墨涂在二氧化锰的表面上,减少它的ESR,增强它的导电性。这一步骤看似简单,但实际也非常重要。尤其是涂层的厚薄要均匀,密度要大,否则对降低ESR帮助不大。另外使用PPY/PEDT做阴极的时候,也同样要施行这一道工序。此过程也要反复进行好多遍才可以

如此这般,钽二氧化锰电容内部的那颗“芯”就已经制作完成了。对于一些LOW ESR的高档钽二氧化锰/钽固体聚合物电容而言,厂商往往会先做好几个“芯”,然后将其并联在一起,封装成一个电容,这样其ESR值会很低,性能更加出色,当然价格也不便宜。

最后就是一些安装的工序。首先加入外引线,然后用环氧树脂进行封装。钽电容从外观上看一般有黄色和黑色两种,而它们都是环氧树脂。环氧树脂的绝缘性、机械强度、耐湿性很好,比使用铝作为外壳的失效性更低。不过铝电容也可以使用环氧树脂封装,这种铝电容的外观和钽电容是差不多的,这我们在上一篇文章里已经提到过,因此大家不能单凭外观来判断电容的阳极材质。

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小泥巴的博客 陶瓷电容经常出现在CPU、GPU等高频设备上

有一些朋友分不清钽电容和陶瓷电容有什么区别。其实很简单,钽电容的外壳,采用的是不导电的环氧树脂,而陶瓷电容的外壳采用的则是导电的金属。

电子设备中看似最简单的电容,竟然也有那么多道工序,而且制造工艺那么考究,真是让人惊叹。大家以后可不要小看了电容。

第3页:衡量电容性能的几个重要性能参数

在熟知电容的制造全过程,了解了电容的基本构造和原理之后,我们就将面临一个新的问题——如何从参数上判断电容品质的好坏?只有掌握了这一方法,我们才能以不变应万变,即使对电容的种类和品牌本身不了解,也能通过几个参数迅速判断出其性能档次。

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关于电容的参数,我们将其分为“看得到的”和“看不到的”。所谓“看得到的”,就是印在电容表面的一些基本参数,这些参数在我们看到一颗电容之后往往可以直接得知。例如电容的容量(比如“470μF”等等)、容量偏差范围、耐温范围、电压值(比如“16V”)。

所谓“看不到的”参数,就是我们需要根据电容的型号来查询的参数。例如我们常说的ESR值,如今已成为区别电容性能的重要参数,而我们在电容上是看不到这个参数的,我们得去相关的网站通过电容的型号来查询。类似的参数还有不少,其中包括如下一些:

1.ESR值; 2.能够耐受的涟波电流值; 3.温度特性; 4.损耗角的正切(TAN),相当于无功功率和有功功率的比值,这个值跟电容的品质以及发热量有关系,这个值越小电容性能越好。 5.漏电流值:无论绝缘体多大,总是会有细微的电流漏过电容,这个值则代表具体漏过的多少。

此外,ESL特性也是电容的性能指标之一。但是随着电容技术的发展,现在的高档电解电容,其ESL特性一般都很好,到10MHz、20MHz以上的时候往往才能体现出区别,因此也就失去了比较的意义。

第4页:电容ESR的意义 ESR缘何重要?

首先来说ESR。ESR是高频电解电容里面最重要的性能参数,很多电子元器件都强调“LOW ESR”这一性能特征,也就是ESR值很小的意思。那么,我们如何正确理解LOW ESR的实际意义呢?由于现在电子技术的发展,供应给硬件的电压正呈现越来越低的趋势,例如INTEL、AMD的最新款CPU,电压均小于2V,相比以前动辄3、4V的电压要低得多。但是,另一方面这些芯片由于晶体管和频率爆增,需求的功耗却是有增无减,因此按P=UI的公式来计算,这些设备对电流的要求就越来越高了。

例如两颗功耗同样是70W的CPU,前者电压是3.3V,后者电压是1.8V。那么,前者的电流就是I=P/U=70W/3.3V大约在21.2A左右。而后者的电流就是I=P/U=70W/1.8V=38.9A,达到了前者的近一倍。在通过电容的电流越来越高的情况下,假如电容的ESR值不能保持在一个较小的范围,那么就会产生比以往更高的涟波电压(理想的输出直流电压应该是一条水平线,而涟波电压则是水平线上的波峰和波谷)。

此外,即使是相同的涟波电压,对低电压电路的影响也要比在高电压情况下更大。例如对于3.3V的CPU而言,0.2V涟波电压所占比例较小,还不足以形成致命的影响,但是对于1.8V的CPU而言,同样是0.2V的涟波电压,其所占的比例就足以造成数字电路的判断失误。

那么ESR值与涟波电压的关系何在呢?我们可以用以下公式表示:

V=R(ESR)×I

这个公式中的V就表示涟波电压,而R表示电容的ESR,I表示电流。可以看到,当电流增大的时候,即使在ESR保持不变的情况下,涟波电压也会成倍提高,采用更低ESR值的电容是势在必行。这就是为什么如今的板卡等硬件设备上所用的电容,越来越强调LOW ESR的缘故。

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上图就是一个典型的滤波电路,这种电路也被应用在如今的显卡上。其中的SW IC相当于显卡上的开关电源,将输入的5V直流电转换为核心或者显存需要的3.3V直流电。而电路的L/C部分则构成电路的低通滤波器,目的就是尽量滤去直流电中的涟波电压。

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而上图的表格则表明了,在L/C部分使用不同种类电容的情况下,这个电路中涟波电压的表现情况。可以看出,具有LOW ESR性能的铝固体聚合物导体电容(左边),其消除涟波电压的性能最强,钽二氧化锰电容(右边)性能次之,铝电解液电容(中间)表现最差。同时最后的数值还将受温度影响,这点我们还将在后面详细说明。

第5页:注意你的室温 温度与电容性能的密切关系

电容的性能并非一成不变,而是会受到环境的影响,而对电容影响最大的就是温度。而在不同种类的电容当中,采用电解液作为阴极材质的电容例如铝电解液电容,受温度影响又最为明显。因为在不同种类的阴极,例如电解液、二氧化锰、固体聚合物导体当中,只有电解液采用离子导电方式,而其余几种均采用电子导电方式。对于离子导电而言,温度越高,其离子活动越强,电离程度也越强。因此,在温度不超过额定限度的前提下,电解液电容在高温状态下的性能要比低温状态下更好。

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上图代表25摄氏度下,三种电容降低涟波电压的能力(电路可以以上一章节中的电路图为参考)。其中第一个表格所使用的OSCON SVP铝固体聚合物导体电容(1颗,100μF,ESR=40毫欧姆) ),第二个表格所使用的是低阻抗铝电解液电容(3颗并联),第三个表格使用的是低阻抗钽电容(2颗并联)。

从表格中可以看出,在25摄氏度的常温状态下,三者所产生的涟波电压分别是22.8/23.8/24.8mV。也就是说,1颗铝固体聚合物导体电容,在25摄氏度下降低涟波电压的能力,大致相当于2颗钽电容和3颗铝电解液电容。

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上图同样是这三种电容,同一电路,在70摄氏度下降低涟波电压的表现。可以看出,铝固体聚合物导体电容和钽电容的性能改变都不大,依然保持在24~25mV左右,但是3颗铝电解液电容并联下的涟波电压降低到了16.4mV,这时只需要并联两颗这种电容,即可达到25摄氏度状态下的25mV左右水平,其性能提升巨大。

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下面我们就要看低温环境下这三种电容的表现了。上图是在零下20摄氏度下三种电容的成绩。可以看出,在低温环境下,铝电解液电容的性能降低得非常厉害。3颗并联状态下的涟波电压由25摄氏度下的23.8mV猛增到了57.6mV。要将涟波电压降低到和25摄氏度相同的数值,需要并联7颗这种电容。相比之下我们还能看出,铝固体聚合物导体电容和钽电容的性能,无论是在25度、70度还是-20度环境下,其波动都不大。

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从以上分析我们不难看出,铝电解液电容的ESR值受温度影响是极其明显的。上面的图表则直接画出了不同种类电容,在不同温度状态下的ESR曲线。其中铝电解液电容(蓝色线)随温度(Y轴)的增加,ESR值(X轴)降低明显。而铝固体聚合物导体电容(紫色线)和钽电容(绿色线)以及高档陶瓷电容(红色线)则近似于直线,其ESR值受温度影响不大。而普通陶瓷电容(粉红线)则受温度影响较大。

这里需要说明的是,上表中用做比较的铝固体聚合物导体电容,其容量较小(只有100μF),而且ESR并不太低(40毫欧)。如换上大容量,ESR更低的同类产品,最终性能表现将更加突出。

第6页:电容故障实例剖析 为什么耕升TI4200会花屏

看到这里,我想我们应该联系一些产品实例,来谈谈温度对电容的影响,在某些时刻会有多么严重。同时,也希望借此说明,正确合理的电容用料对于硬件产品而言是多么重要。

这个实例就是著名的耕升Ti4200显卡花屏事件。相信资深的DIY玩家,对当时闹得沸沸扬扬的这一事件,绝对是记忆犹新!那么,耕升Ti4200为什么会花屏?可以说罪魁祸首就是电容。

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小泥巴的博客 耕升钛极4200是经典,但也是遗憾

在当时,NVIDIA公版对GF4 Ti4200的要求,是使用4ns的现代DDR显存颗粒。但是耕升为了提升显卡的超频性能,将显存换成了钰创3.5ns颗粒(后期换为3.3ns,在当时只有钰创能提供这种速度的TSOP颗粒)。由于钰创显存颗粒对ESR值的波动,相对于现代颗粒而言特别敏感,再加上玩家要超频使用,所以为了提升显卡的稳定性,耕升特意将电容换成了阴极为固体聚合物/电解液混合型的铝电容。但是耕升没有想到的是,虽然这种电容的ESR值很低,但是因为它的阴极是混合型的,具备电解液电容对温度敏感的特性,因此就此埋下了隐患。

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小泥巴的博客 钰创显存对电容ESR的极高要求是花屏原因所在

最开始Ti4200的花屏故障是在新西兰发现的,当显卡被送回气候温和的中国台湾之后,耕升工作人员发现这一现象消失了。后来,在中国北方进入冬天之后,又陆续出现花屏故障。最终,耕升才发现低温才是造成花屏的元凶。最后耕升在换用SANYO SVP固体聚合物导体电容之后,才解决了这一问题。通过这一事件,耕升也吸取了教训,投资几千万建立了低温实验室。可以看出“对ESR要求极高的钰创显存+在低温下性能会大副降低的含有液体电解液的电容 ”是导致花屏的关键,假如将两者换掉其中一个,即不会出现花屏的惨剧。

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其实不光是显卡,上图是数码相机的又一个实例。当使用铝电解液电容的时候,在零下20度情况下,数码相机已几乎无法成相(右下)。而使用固体聚合物导体电容,则在零下20度的时候依然可以正常拍摄。

随着电子设备的频率越来越高,对电容LOW ESR性能要求越来越严格,未来将会有越来越多的产品可能是在低温上出问题,原因就出在电容上。没有相应的低温检测设备的小厂,其产品可能会有很大隐患。


第7页:你的显卡能用多久?教你计算电容寿命

在电容的表面,会标明一个温度数据,例如125等等。这个温度,代表着该电容所能承受的最高温度,在这一最高温度下,电容一般只能保证正常工作1000个小时左右。而通过这个温度数值,我们可以使用公式计算出该电容在其它不同温度环境下的寿命。

铝固体聚合物导体电容的计算公式:

L2=L1×10^[(t1-t2)/20](方括号内的算式结果作为10的幂,下同)

其中L2表示实际使用中电容的寿命,单位为小时、L1表示最高温度下的寿命(1000小时)、T1代表该电容所标明的最高工作温度(例如上面所说的125)、T2代表实际使用的温度(例如85度等等)。

假设一颗最高工作温度为125度的铝固体聚合物导体电容,在85度下工作,那么它的寿命,通过计算我们可以得出L2=1000×10的2次方=100000小时,也就是说大约能工作11年左右。

铝电解液电容的计算公式: L2=L1×2^[(t1-t2)/10]

假设一颗最高工作温度为125度的铝电解液电容,在85度下工作,那么它的寿命,通过计算我们可以得出L2=1000×2的4次方=16000小时,也就是说大约只有不到2年。

3 对 “[转帖]会攒机不叫DIY 最强电容讲座·实战篇”的想法;

  1. 愿 友 谊 地 久 天 长愿 石 平 青 春 无 限愿 快 乐 永 远 相 随愿 好 运 与 你 相 伴祝 石 平 周 末 愉 快

  2. 谢谢您的解说.让对电容产品多了些认识.本公司专业销售IC,二三极管,电容,电解,电感…..等.有需要的朋友可以联系我哦.QQ:251681908公司邮箱:mingyuke@mingyuke.com地址:广东深圳

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