电容器的应用与筛选

陈思维

中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都 610036

1 概述

电容器是整机电子设备不可缺少的基础元件，且用量大。随着新材料的发展，电容器的性能也迅速得以提高。在选用电容时，不仅要考虑它的电性能参数特点，还要兼顾其可靠性。要保证整机的可靠性。我们通过开展器件的筛选试验来剔除不合格或可能早期失效的器件，极大地提高了整机的可靠性。这里介绍常用电容器的主要技术性能指标和特点，为方便使用者了解和掌握电容器的优劣点，合理选择。筛选，是指一种通过试验剔除不合格或有可能早期失效电子元器件的方法。电介质，是指一切绝缘体统称为电介质；或是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的物质。

2 电容器的基本原理

电容器是由两个电极与其间的介电材料构成。介电材料是一种电介质。电容器的基本功能是：“隔直通交”。理想的电容器对于恒定直流电来讲，就像一个断开的开关，表现为开路；而对于交流电来说，表现为导通。但实际上，电容器并非立刻将直流电阻隔，在电路刚接通时，电路中会产生一个极大的电流，然后随着电容器不断充电，电流在不断减小，最终电容器电压和电源电压相等且反向，最终达到平衡状态。有一点需要明确：无论是直流还是交流条件，理想的电容器内部是不会有任何电流通过的，只是两极板电荷量发生了变化，从而产生了电场。

2.1 电容器的型号主要命名方法

电容器广泛应用于隔直、耦合、滤波、控制电路等方面。一般常用“C”表示电容量，容量单位有pF、μF、F。电容器的型号一般用字母表示名称，电容器用“C”；用字母表示材料；用数字表示分类，个别用字母表示；用数字表示序号。

例如 ∶CD 11 - 50V-100μF (±20%)

2.2 电容器的分类

1）按照结构分为：固定电容器、可变电容器和微调电容器；

2）按电解质材料分为：有机/无机介质电容器、电解电容器等；

3）按用途分为：高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合等。

2.3 常用电容器

1）铝电解电容：用浸有糊状电解质的吸水纸夹在两条铝箔中间卷绕而成，氧化膜作介质。优点：容量大、能耐受大的脉冲电流；缺点：容量误差大、漏电流大、不适用于高频和低温环境；

2）钽电解电容：用烧结的钽块作正极,用固体二氧化锰作介质。优点：漏电流小，贮存性良好、寿命长、容量误差较小和体积小；缺点：对脉冲电流的耐受力差，易损坏；

3）瓷介电容：优点是引线电感极小，频率特性好，介电损耗小，有温度补偿作用；缺点是容量较小，受振动会引起容量变化。但特别适于高频旁路；

4）独石电容：具有体积小、容量大、高可靠和耐高温的优点。属于高介电常数的低频电容；

5）薄膜电容：用聚脂、聚苯乙烯等低损耗塑材作为介质。频率特性好，介电损耗小。但容量较小，耐热力差；

6）微调电容：电容量可在某一小范围内调整，并可在调整后固定于某个电容值。通常都采用弹簧式，结构简单，但稳定性较差；

7）镍电容：作为一种新型材料的电容器。具有很多优点：频率特性好、体积小、容量大、耐热力强。

2.4 电容器主要特性参数

2.4.1 标称电容量和允许偏差

电容量是指电容器加上电压后储存电量的能力。标称电容量： C=Q/U。对于理想的电容器其容量与电极面积和介电常数成正比与电极之间的距离成反比。但是电性能的测试必须在规定的条件下进行，比如：需要在某个特定的频率、电压下测量，才能得到正确的测量值。在正常情况下电容器的允许偏差指实际电容量可允许的最大偏差如下：

CR ＜10PF CR ≥ 10PF符号 允许偏差（PF） 符号 允许偏差（%） 符号 允许偏差（%） 符号 允许偏差（%）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 额定工作电压、击穿电压和试验电压

电容的额定工作电压UR，是指电容在规定的时间内，能够可靠工作的最高电压。击穿电压是当电容上施加的电压达到击穿电压Ub时，漏电流急剧增加某一规定值时的电压；试验电压Ut是在电容批量生产中，为了验证此批电容承受电压是否符合要求，而抽样试验所施加的电压。为了让电容能长期可靠的工作，既要保证在瞬间过压时不发生击穿，还要保证能长期稳定工作。在选用电容器时，就必须正确选用电容器的三种电压。

2.4.3 绝缘电阻及漏电流

绝缘电阻和漏电流是电容器绝缘性能的两项重要指标，主要是生产过程中原材料的一些孔洞、瑕疵、裂缝引起的。对于瓷介、云母介质的电容器可直接用绝缘电阻来表示绝缘性能，绝缘电阻越大越好。在直流电压下，电容的的阻值一般取决于介质电阻和绝缘子漏电阻的并联电阻。而绝缘子电阻取决于介质的种类、温度、电压和充电时间。但是潮湿的测试环境也可降低器件的绝缘性能。对于绝缘性能，电解电容用漏电流来表示，漏电流越小越好。漏电流的计算公式为：I=K·C·U（K为常数，C为容量，U为施加电压）。

2.4.4 损耗（tgδ）

电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容第二损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有的金属部分的电阻所引起的。损耗角正切的大小是衡量电容器品质优劣的一项重要指标。损耗越大，电容器发热越严重，表明电容器传递能量效率越差，失效率越高。对高频电容器的评价，有时采用品质因数Q 作为评价质量的指标。其定义是电容器在电场中的无功功率与损失的有功功率之比：Q=1/tgδ。

2.5 电容器的筛选

电容的筛选也是整机装配前必不可少的一道工序。筛选的基本原理就是：在适当的试验及应力条件下，劣质品会出现早期失效，而优良品则会通过。给器件施加一种应力或多种应力试验，就可以暴露元器件的固有缺陷而不破坏它的完整性。我们利用二次筛选来剔除早期失效的器件，从而保障装机器件的质量可靠性。下面以瓷介电容为例介绍常见的电容应力试验。

序号筛选项目 筛选条件 失效标准 备注1高温老化正极限温度条件下，加额定直流电压，至少48h击穿、外观变形、机械损伤等2温度循环正极限温度 负极限温度，在2min内完成正、负变化，每次极限温度内保持30min以上，至少循环5次外观变形、机械损伤等

2.6 老化的预处理

为了避免老化干扰的作用，在这些试验之前应进行专门的预处理，在极限温度下保持一小时，然后在试验用标准大气压下保持24小时。对距离温度低于极限温度的电容，就会导致消除老化，随后使电容器进行24小时老化。如果介质的居里温度高于极限温度，那么专门预处理不会完全使电容器消除老化，但是将仍然会使电容器变成一种状态，在这种状态下，它的电容量与它以前的历史无关并将达到仍然是完全消除老化同样的效果。为了使电容器完全消除老化，可以要求温度升高达160℃，在这个温度可能对包封层有损伤。因此，在要求这种电容器完全消除老化的少数情况下，各种必要的措施应在细节中考虑。

[1]GJB360A《电子及电气元件试验方法》.

[2]卢昆祥.整机系统可靠性设计理论与实用技术[M].天津科学出版社.

[3]电子元器件可靠性实用指南.电子元件专业质量管理协会.