毛喜平，张红旗，武林玉，潘齐凤

（1.中国空间技术研究院，北京 100094；2.中国振华 （集团）新云电子元器件有限责任公司，贵州 贵阳 550018）

0 引言

近年来，随着电子整机朝着小型化、轻量化和高性能方向不断发展，对体积小、重量轻和电性能优异的片式电容器的需求与日俱增，导电聚合物叠层铝电容器作为一种新型铝电容器，以其独特的优势受到了越来越多的电子电路设计师的青睐。传统的液体电解质铝电容器存在等效串联电阻 （ESR：Equivalent Series Resistance）大、易漏液、可靠性低和长期高温工作会导致电解液干涸而失效等问题，只适用于对环境条件要求不高的民用电子产品和部分地面军用整机。钽电解电容器虽然具有体积小、漏电流小、寿命长和贮存稳定性好等优点，但使用不当也会造成产品因短路而发生燃烧，从而损伤线路板及其他元器件。

本文研究的导电聚合物叠层铝电容器作为一种新型的铝电容器，以导电高分子聚合物为电解质[1-2]，采用多层芯子并联组合、环氧树脂封装固化的贴片式结构设计，除具有片式钽电容器体积小、漏电流小、寿命长和贮存稳定性好等优异性能外，同时还具有重量轻、ESR低和不燃烧等特点，但国内对导电聚合物叠层铝电容器的研究起步较晚。本文根据叠层铝电容器的特点，参照相关标准，通过一系列的试验获得了其性能和应用方面的数据，以期为导电聚合物叠层铝电容器的应用提供一定的支撑。

1 产品的结构和特点

导电聚合物叠层铝电容器的制造流程一般是：首先，采用切刀或冲压切割方式将阳极铝箔加工成需要的尺寸，并将其作为电容器的基体；其次，通过高分子聚合反应，在阳极铝箔氧化膜表面生成导电高分子聚合膜作为电解质；然后，由石墨、银浆引出阴极，通过堆叠工艺把铝箔阳极焊接在载带上，阴极通过银浆粘接堆叠在一起；最后，通过模压工艺进行高温树脂封装[3-4]。

导电聚合物叠层铝电容器的典型产品结构图如图1所示。

图1 典型的导电聚合物叠层铝电容器结构图

1.1 导电聚合物电解质

20世纪70年代，美国物理学家A.J.Heeger、美国化学家A.G.MacDiarmid和日本化学家白川英树这3位科学家成功地制造出了一种高分子导电聚合物，其导电率高达102s/cm，约为铜的一半。自此，高分子聚合物不能导电的观念被彻底地改变，3位科学家也因此获得了2000年的诺贝尔化学奖[5]。

自由电子是金属的载流子，电子或空穴是半导体的载流子，而聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等导电聚合物能形成极化子和双极化子，因此，可以将它们当作是导电聚合物的载流子[6]。

几类电容器电解质的导电性对比如图2所示，从图2中可以看出，高分子导电聚合物的导电性远远地优于传统的电解质[7]。

图2 几类电解质的导电性对比

1.2 超低ESR

钽电解电容器根据电解质的不同分为非固体电解质钽电容器和固体电解质钽电容器，固体电解质钽电容器的ESR值低于液体钽电容器，而在固体钽电容器中，以导电聚合物为电解质的片式有机钽电容器的ESR值最低。传统的铝电解电容器内部有电解液，ESR值较大，采用高分子导电聚合物为电解质的叠层铝电容器，ESR值远远地低于片式钽电容器，加之叠层铝电容器是由多片铝电容器芯子并联堆叠而成的，这种结构方式决定了叠层铝电容器具有极低的ESR值。相同规格的片式有机钽电容器和片式有机铝电容器的ESR对比图如图3所示。

图3 叠层铝电容器与片式有机钽电容器的ESR值对比

1.3 劣势

由于材料、工艺和设备的限制，叠层铝电容器的最高额定电压比片式有机钽电容器的要低。代表世界领先水平的日本松下公司所生产的叠层铝电容器的最高额定电压仅为35 V，国内多数厂家仅生产额定电压在16 V以下的产品，额定电压高于35 V的产品目前还在研发、试验阶段。而片式有机钽电容器的额定电压可高达100、125 V。

2 主要性能分析

2.1 试验产品抽样

目前，国内外厂家均生产低压产品 （额定电压低于16 V）。松下、基美两家公司生产额定电压为10 V和16 V的大容量产品，松下公司的产品的额定电压最高为35 V。应用于军用领域的叠层铝电容器的额定电压一般大于6.3 V，以16 V以上的居多，因此本文选取以下几个典型规格的产品进行试验： 6.3 V150 μF、 10 V100 μF、 16 V68 μF、 30 V10 μF、 50 V4.7 μF。

2.2 试验方法和条件

产品经过常规的电老化、高低温测试和温度冲击等筛选项目后，参照GJB 2283A-2014《片式固体电解质钽固定电容器通用规范》、GJB 360B-2009《电子及电气元器件试验方法》和国外类似产品标准，分别对其典型的可靠性试验项目进行考核，主要包括高低温稳定性、温度冲击、高温储存、高温寿命和击穿安全性试验，具体的试验条件如下所述[8-9]。

a）高低温稳定性试验

将产品分别置于+25、-55、+125℃温度条件下恒温30 min，测试电容量值，检测产品在极限温度下的电容量变化率。

b）温度冲击试验

将产品分别在-55℃和+125℃温度条件下放置30 min，转换时间≤5 min，循环50次，试验结束后，测量产品的电性能参数。

c）高温储存试验

将产品放置于+125℃温度条件下，持续2 000 h，试验结束后，测量产品的电性能参数。

d）高温寿命试验

将产品放置于+125℃温度条件下，产品上施加额定电压，持续1 000 h，试验结束后，测量产品的电性能参数。

e）击穿安全性试验

将导电聚合物叠层铝电容器、导电聚合物片式钽电容器和片式锰系钽电容器过压充电，直至产品失效，然后观察产品击穿失效后的表现。

2.3 试验结果分析

2.3.1 高低温稳定性试验

产品电容量随温度的变化如图4所示，由图4可知，叠层铝电容器在-55℃时容量变化率均在-10%以内，容量衰减很小，而液体电解质铝电容器和液体电解质钽电容器在-55℃时电容量仅为初始值的50%～60%，用户选型时需选择较大电容量的产品，以保证其在负温条件下能正常工作，这会导致产品的体积增大。+125℃时电容量的变化率约为+10%～+15%，与片式钽固体钽电容器的电容量的变化率几乎相当，这是由于高温环境导致阴极电解质受热膨胀，与氧化膜的结合更加紧密，因而电容量有一定的增长。

图4 高低温稳定性

2.3.2 温度冲击试验

经过温度冲击后，产品的电参数测试数据如表1所示。

表1 温度冲击电参数测试数据

从表1中的数据可以看出，产品经过50次循环温度冲击后，电参数没有明显的变化。产品的导电聚合物电解质、石墨银浆等材料有较好的温度稳定性，经过温度的快速变化，恢复常温后仍然能够保持良好的电性能。

2.3.3 高温储存

在+125℃高温储存试验中，产品在1 000 h试验后其容量衰减均在-10%范围以内，损耗角正切值没有明显的变化，ESR的增长幅度在10%左右，说明产品的结构材料之间的接触良好，产品依然保持良好的电性能。在强氧化剂或高温有氧环境下聚噻吩 （PEDOT：PSS）会从深蓝色的氧化态向透明的中性态转换[10-12]，发生如下反应：

式（1）中：M+——正电荷离子；

e-——电子。

PEDOT只有在掺杂注入载流子的情况下才会导电，当聚合物在强氧化剂或高温有氧的环境下，上述平衡会被打破，PEDOT脱掺杂，失去导电性，电容器的ESR增大。

通过高温储存后，不同规格产品的漏电流均出现不同程度的增长趋势，整体漏电流值均不超过10 μA，漏电流出现增长的机制目前尚不清楚，具体的参数变化趋势如图5所示。

图5 高温储存试验中各种电参数的变化趋势图

2.3.4高温寿命试验

经过125℃的高温寿命试验后，电容量变化率在-6%～-3.8%之间，损耗角正切值无明显的变化，ERS有一定的增长，漏电流呈下降趋势。阴极电解质与铝箔、石墨银浆的热膨胀系数不同，在长期高温环境下，其会发生微观裂纹和缝隙，同时聚合物会发生类似高温储存的反应，导致产品的ESR增大[13]。由于试验过程中一直对产品施加额定电压，氧化膜和聚合膜会不断地修复，漏电流变小，参数变化趋势如图6所示。

图6 高温寿命试验中各种电参数的变化趋势图

2.3.5 击穿安全性试验

产品击穿失效后的照片如图7所示，导电聚合物叠层铝电容器不燃烧，不会损伤PCB板；导电聚合物片式钽电容器温和燃烧，易损伤PCB板；大容量锰系片式钽电容器则猛烈燃烧，易损伤PCB板。

叠层铝电容器的基体材料为阳极铝箔，该材料的表面是一层致密的氧化膜 （Al2O3），氧化膜的燃点为2 050℃。叠层铝电容器失效后很快开路，与电路断开，产品的温度远远低于铝箔的燃点（2 050℃），即使高温也不易燃烧。而钽金属颗粒与氧有较好的亲和性，表面经常附着一层氧，在500～600℃下着火，燃点较低，当钽电容器失效后会产生大量的热量，温度达到燃点电容器便会爆炸性燃烧。

图7 击穿安全性试验图片

3 电路应用分析

3.1 滤波及噪音吸收能力

旁路电容可将混有高频电流和低频电流的交流电流中的高频成分旁路滤掉，通常并联在电阻上，电容器的谐振频率越高，对高频信号的阻抗就越小，因而可以为高频干扰信号提供一条旁路，以减少外界对该局部的耦合干扰。叠层铝电容器具有极低的ESR和等效串联电感值，高频性能好，因而可以替代具有较大容量的液体铝电容器和钽电容器。通常情况下，1只47 μF的叠层铝电容器的降噪能力相当于3只100 μF的钽电容器、4只1 000 μF的液体电解质铝电容器，如图8所示。

图8 良好的噪音吸收能力

3.2 耐受纹波电流能力

随着手机、平板电脑等便携式电子产品不断地向小型化方向发展，设计师们在设计DC-DC变换器时，必须将电容器、电感器等元件的尺寸纳入考虑范围。输出电容器的选择取决于纹波电流、纹波电压和电路稳定性等要求。输出电容器的ESR和电感会直接影响输出纹波电压，因此应尽可能地选择ESR值低的电容器作为输出电容器，以取代需多只并联的钽电容器。

为了验证叠层铝电容器的滤波性能，在某DC/DC电路中分别使用国内某厂生产的MnO2阴极片式钽电容器 （20 V220 μF）、导电聚合物片式钽电容器 （16 V330 μF）和导电聚合物叠层铝电容器（16 V68 μF）安装在电路中，如图9所示。

图9 试验电路板

用示波器观测电容器的滤波效果，记录几类电容器在电源带10 A负载条件下的输出纹波电压和温升条件，如表2所示。

表2 DC/DC电源带10 A负载情况

从表2中可以看出，叠层铝电容器（16 V68 μF） 与更大电容量和更高电压的钽电容器 （16 V330 μF、20 V220 μF） 安装在同一电路中时，其纹波电压有效值、峰值等参数与其他两种电容器的接近，叠层铝电容器的温升最低，也就是说叠层铝电容器可以耐受更高的纹波电压或电流。在该电路中，叠层铝电容器完全可以取代更高电压和更大电容量的片式钽电容器。

表3 抗辐射试验电参数

4 宇航适用性

元器件的宇航适用性除了考虑产品本身的电特性和一般的环境适应性外，最重要的就是元器件的长期可靠性和宇航应用特有的耐空间辐射性能。

4.1 长期可靠性

从2.3.4节中高温寿命的试验数据中可以看出，导电聚合物片式铝电容器在经历125℃、2 000 h高温寿命试验后的性能仍能满足规范要求。由于国内对有机片式铝电容器的研发起步得较晚，相关国家军用标准正在计划起草过程中，国内几个重要的生产厂目前还没有正式的贯标产品和失效率等级数据，但根据几个生产厂的摸底数据的统计情况可以判断，有机片式铝电容器的失效率等级至少应能达到5级要求。

4.2 耐空间辐射性分析

片式有机钽电容器与叠层铝电容器的原材料基本相同 （除基材不同外，其他原材料完全相同），产品的制造工艺、结构和性能特点也极为相近，片式有机钽电容器的ESR高于叠层铝电容器。片式有机钽电容器 （16 V68 μF）在不同辐照剂量下的电参数测试值如表3所示，与初始值对比可知，电容器的电容量、损耗角正切值和ESR值有略微增长，在加电条件下，漏电流呈下降趋势，在不加电条件下，漏电流有一定的增长。

这是因为PEDOT是一种长链聚合物，不易辐射降解，具有很好的辐射稳定性。当分子链上有侧基时，聚合物的耐辐射性变差，试验中样品的损耗角正切值和ESR都有所增长，Ivan Karbovnyk等人的研究显示，离子辐射可同时并发聚合物分子链结构的破坏和缝合，即高分子分子链在离子辐射能的作用下出现断裂，破坏使聚合物具有导电性的π型结构[14]，最终导致电导率降低，ESR增大，损耗角正切值地随之增大。另一方面，辐射条件下，氧化膜可能产生微小裂纹，这也会致使产品的ESR和损耗角正切值增大，加电时氧化膜被修复，产品漏电流降低；不加电条件下氧化膜未得到修复，故不加电条件下产品的漏电流呈增长趋势。

试验结果表明，在一定的辐射条件下，导电聚合物片式有机钽电容器并未产生明显的参数劣化现象，产品有较好的耐辐射性。由于叠层铝电容器与片式有机钽电容器在材料、结构和工艺等方面有很高的相似度，可以预知导电聚合物叠层铝电容器应该具有良好的耐空间辐射性能。

5 结束语

导电聚合物叠层铝电容器具有小型化、低ESR、高频化、温度特性佳和耐高纹波电流等优异特性，因而可应用于需求低ESR的电子线路中。导电聚合物叠层铝电容器高频阻抗优于钽电解电容器，体积比率 （产品单位体积的容量和电压乘积）比陶瓷电容器高，可取代部分钽电解电容器和陶瓷电容器，起到整流、滤波和储能的作用。导电聚合物叠层铝电容器除了在高频应用中优于钽电容器外，其击穿失效后无燃烧隐患，具有更高的安全性。