【工业开发者论坛精彩笔录】高可靠性电容器在军工的应用

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    *  2011西部工业开发者论坛精彩笔录

本文整理自Vishay公司技术专家在2011西部工业开发者论坛上的演讲。

大家好，很荣幸有机会在这里给大家介绍一下Vishay的一些高可靠性产品。Vishay的电容器种类是非常多的，本次演讲只会讲到一些高可靠性技术的电容。在高可靠性电容方面，Vishay有两个主要的系列，一个是钽电系列，一个是陶瓷电容系列。

整个钽电系列涵盖的种类非常全，主要有两大类，第一个是固钽，第二个是液钽。在固钽里面有贴片封装和引脚封装，液钽是一个比较特殊的产品，它会用在一些特殊的电源行业，类似于铝箔储能的作用，在后面的讲解会详细讲到。

这是固钽的一个系列，它是用金属壳封装作为电极引出，从外观上来看，这只是一个引出的方式，主要决定产品特性的东西就在这个芯子里面，敏品和高可靠产品的重要区别在哪里呢？区别主要是高可靠产品有一个老化测试的条件，只有经过老化测试的产品才可能是高可靠的产品。在这个高可靠性测试的等级里面，等级越高的产品，当然它的成本也是越高的。另外，整个老化测试的条件也是可以选的，比如加额定的1.3倍电压或者是额定电压在一定的时间范围内的测试。

还有贴片系列，这也是一个高可靠性的系列，它也有一个失效率的要求。这个失效率不是指产品拿到客户那边使用的失效率，而是整个产品在工厂里面做老化测试以后的失效率，这个失效率的高低就决定了高可靠性产品等级的高与低。所有产品在出厂的时候还会做全部的电极能测试。

这是固钽内部的结构图，决定产品的容值、电压、等效串联电阻的就是这个芯子，旁边这些钽线和引线是一些引出的方式，外面用塑料注塑把它封起来，做成一个完整的产品。这是固钽贴片产品里面的一种封装产品。

这也是一个比较特殊的系列，这边引出的钽电极是纯金钽电极，这是由于客户在生产工艺上的特殊要求，我们提供的相对应比较特殊的产品。像这个系列是符合宇航级的，它的失效率应该是0.01%，非常低的一个失效率的筛选等级。

现在在国内的一些特殊电源里面，推广的最多的不是我前面讲到的一些高可靠性产品，那些已经算是非常传统的一些产品。现在在一些比较特殊的电源设计的时候，很多工程师都对元器件有要求。在传统的一些电源设计元器件里面，你找不到比较宽范围的元器件，只能在额定的规格里面选择，所以在设计的时候元器件非常难找。现在我们开始推出很多新的规格，用一些生产了很多年的商用机设计，把它做设计上的微调，同时满足一些需要符合军标的老化筛选等级，现在就有了很多系列，这些系列的特点可以稍微给大家介绍一下。比如像T97系列是大容值，超低ESR的，它的内部由两个芯子并联起来，这样电阻就减半，同时容值加倍，所以这是一个很特殊的规格，专门针对超大容值应用。另外，这个规格还生产一些比较高的电压，75V标准电压值。在新的电源设计里面非常有优势，因为大家都知道DCDC的时候，如果输出的电压相对比较高，它的效率可以做比较高。但固钽的标准电压是50V，意味着工作电压只有25V，超高压是50V以上的根本选不到，这个系列可以做到35V以上，所以这是一个很有优势的产品。

T96产品是带保险丝的，失效的时候可以开路失效，这也是一个非常有特点的产品。T95也是一个高可靠性的系列，这个产品覆盖的电容范围比较广，前面这两个都是只做大容值，小容值就是T95系列。这是模压式封装的系列。给大家看一张结构图，大家可以清晰的看到和前面讲到模压式封装不一样的地方，这个产品的这部分都是钽芯，钽芯决定了所有的性能参数，电压、容值。这个芯子 做得大，意味着这一颗电容可以替代我前面讲到那种的两到三颗，对于客户的意义在哪里？它可以小型化，可以减重，这在特殊的电源设计里面是非常有优势的。同 时这边可以加上保险丝，过压或者过流的时候这边可以熔断，熔断以后这个电容就是开路失效的，而钽电一般失效都属于短路失效。

这是容值的一些规格，现在一些特殊的行业里面，可以做得到20V有330的规格，在业内是比较先进的。尤其是在航天机的一些电源里面，这些规格都是非常有优势的。75V 10μ，63V 22μ，这些都是比较有优势的产品。

目前这个系列只做了几个规格，我们准备把它系列化。这个规格专门用一页来做详细介绍，它的优点在哪里呢？这是一个钽芯的芯子，我们在这一边又加了一根保险丝，这个保险丝的引出方式和刚才讲的是不一样的。这个系列生产产品的高度只有2毫米，我们可以根据客户的要求把它叠加起来，最多可以叠三颗，最大高度做到6毫米，因为每一颗都带有保险丝，当其中有一颗失效的时候另外两颗还可以正常工作。所以在一些电源里面，有些客人会把很多个甚至于上千个钽电并联使用，来追求比较大的容值。大家都知道如果电容并联的颗数非常多的话，它是非常危险的，很容易引起电容之间的充电、放电，会导致它的失效率非常高。如果每一颗电容都带有保险丝的话，这个问题就可以有效的解决。如果其中有一颗失效，不会引起所有的电容都失效，其他的还能够维持正常工作，所以这是一个非常有优势的产品。

前面刚才讲到的都是固钽，我要强调一下它要降压使用，如果标的电压是10V的话，它的工作电压值只有5V，这是在使用的时候必须要注意到的。液钽不需要降压使用，它标多少伏就有多少伏。另外，液钽的电压可以做的很高，容值范围可以做得很大，它可以在比较复杂的环境温度下工作，比如它可以从-55度到+200度，同时它还可以承受比较高的振动，能力相对比较强，这是由他的封装材料的优点决定的。液钽的封装材料有两大类，一个是纯银壳，还有纯钽壳。这种液钽虽然是有液体的，我们讲到的铝电也是有液体的，可是液钽产品是没有寿命限制的。在军工行业，很多地方不能用铝电，有液体是其中的一个原因，当然它的寿命、耐温、抗振动也是有不可或缺的优点的。

这是其中一个系列，是商用型的，如果要高可靠性的话，它也有一个美军标的标准。这是一个轴向的产品，这个产品是银外壳，刚才我讲到液钽有两种外壳，一种是银外壳，一种是钽外壳，这里强调的是银外壳的产品便宜，钽比较贵，钽是贵金属。另外，为什么银外壳的比较便宜呢？因为它的金属特性决定了它工作的温度不能做得太高，只能到125度，要更高工作电压的话就需要用钽外壳。这个商用型的138D，在一些特殊电源，包括在一些特殊的领域里面也是应用非常广泛的。不管是液钽还是固钽，只要是高可靠性的产品都有老化筛选的要求。随着老化筛选的等级越来越高，它的成本会越来越高，可靠性也会越来越高。

这是钽外壳的系列，钽外壳最明显的是可以从-55度工作到+200度的高温，同时它也有失效率的考量。这是一个扩展系列，这个系列是符合宇航级的应用。Vishay的液钽在整个行业里面也是技术非常领先的，我们有一个ST的系列，这个系列有什么优点呢？不管是液钽还是固钽，中间的芯子决定了其主要的性能参数，包括容值、电压、等效串联电阻等。我们就要想办法在同样的体积里面，把芯子尽量做大。ST系列在内部的结构上做了改进，使它的钽芯可以做到比传统的138D、135D的钽芯大一到两倍，所以这个系列是小型化的。我可以在相同的尺寸里面做到前面那个系列的两到三倍，它的好处在哪里呢？客户需要小型化，需要减重，因为它可以用少量的元器件，就能够达到相同的功能，这就是这个系列的优点所在。

这个系列是刚才的扩展系列，这个产品是有专利技术的，它的电压、容值范围都可以相对做得比较大，在航空器的一些电台里面使用是非常有技术优势的。同时Vishay还推出了贴片封装的液钽，这在业内是首创的。贴片封装的和前面讲的有什么差别呢？其实内部的芯子是一样的，只是贴片的，是135D和ST系列里面最小的尺寸，现在一共有4个尺寸，从T1、T2、T3到T4，这是T1尺寸，把它封装在里面，是小尺寸的。

这是一个才推出不久的新产品，主要是做超大容值的，在电源设计里面是储能作用。当客户对断电多少毫米有一个维持工作的要求时，就需要有一颗超大电容来维持电压的稳定，这时候就有这个系列存在的必要性了，同时这个系列有民用和高可靠性两个等级。

前面讲到的都是钽电里面的液钽和固钽，接下来给大家稍微介绍一下Vishay的贴片陶瓷电容器。陶瓷电容器主要的内部结构剖面图是这样的，大家都知道陶瓷电容器是由很多个电容器并联起来形成一个完整的电容器的。现在所有的陶瓷电容器叠加的工艺有两种，一种是干层叠加，另一种是湿层叠加，Vishay的工艺是干层叠加和湿层叠加都有，但是在高可靠性产品里面推广的只有湿层叠加。这两种产品工艺的过程有什么不一样呢？大家都知道陶瓷电容器是陶瓷粉用溶剂混合以后，在液态的条件下把它刷在一块极板上面，如果是干层叠加，刷在极板上很薄的陶瓷需要在高温条件下面先把单层的陶瓷粉烧结，使它固化，再烧上电极，再把它烧结，然后把烧结完有电极的陶瓷层叠加在一起，再经过挤压切削，这种工艺有什么好处呢？因为它是干的，所以它叠的层数可以很多，现在的技术甚至可以叠到1000层，也就意味着它在低电压的时候容值可以做得很大。它的缺点是什么呢？因为它需要经过挤压，干层叠起来的时候内部会有引力存在，所以叠层越多，它的可靠性就会相对下降。湿层叠加是怎么叠加起来呢？陶瓷粉混合以后，在液态没有固化的条件下，直接刷上电极，再刷上一层液态的陶瓷，再刷上一层电极，一次性去烧结。由于它是一次性烧结，内部比较均匀，结合比较紧密，所以它有一个很好的优点是可靠性比较好。缺点是什么呢？因为是液态叠加，它只能叠200层，所以不能做大容值，只能做容值相对比较小的产品。但是干层叠加的产品在高电压的产品上面，在容值上是相等的，没有优势，但是稳定性就相对比较差。还有一点要强调，由于是湿层叠加的产品，里面金属的电极是用银和贵金属，现在大部分陶瓷电容器都已经改成碱金属铜和镍，只有液态做高可靠的产品，Vishay是继续维持用贵金属，因为金属的稳定性比较好。

这是我们的一些产品系列，这个产品也有一个符合美军标的测试要求。另外，它的端电极引出材料有多种可以选择，除了银钯以外，我们还有含铅的银钯的产品，因为一些特殊行业对端电极的引出材料是有特殊要求的。它的尺寸还是标准尺寸，但由于高可靠性的要求，它的外形尺寸不会涵盖所有种类。为什么会有只做这几个外形尺寸的考量？因为太大或太小的尺寸，在一些特殊的应用，比如振动、温度的变化等应用上，它的可靠性会变差。所以高可靠性的系列，我们只做0805到1825，比较小的系列没有，比较大的系列也没有。这是另外一个系列，它的外形只有0402到1206，这也是由它的测试条件决定的。

Vishay高可靠性的电容主要是钽电和陶瓷电容器这两类。我刚才讲到干层叠加的工艺就可以达到，但是Vishay的工艺决定了我们只能做高电压，它的容值范围受到一定的限制，1μF以上的产品就相对比较少，它的外形尺寸会比较大。现在至少22μ的肯定有。47μ的我们Vishay肯定没有，但是一些日本厂商可能会有。不过我不能百分之一百确定，因为不是我们公司的产品，我没有研究过高容值方面，但像25V、22μ的已经开始有了。所以47μ的他们是不是有，这个要向他们询问一下，我们是没有的。谢谢大家！

本文整理自 2011西部工业开发者论坛的演讲内容，欲了解更多详细信息请访问www.52solution.com/data/datainfo/id/5171