1引言  
電容器是使用最廣,用量最大,且不可取代的電子元件,其產量約占電子元件的40%,而鋁電解電容器又占三大類電容器(電解電容器、陶瓷電容器、有機薄膜電容器)產量的36.8%.電解電容器是10年來我國發(fā)展速度最快的元件之一,目前,國內電解電容器的年生產總量接近250億只,年平均增長率高達28%,占全球電解電容器產量的1/3.在發(fā)展過程中,鋁電解電容器也有來自集成電路、整機電路的改進和在高壓、高頻、長壽命、小容量應用領域中其它電容器(如多層獨石陶瓷電容器、金屬化薄膜電容器、鉭電解電容器等)的相互滲透.鋁電解電容器自身也在不斷改進、完善和創(chuàng)新.尤其是隨著科學技術的發(fā)展,社會需求的提高,環(huán)境的改善,新型整機的誕生,使小型化、片式化和中高壓大容量鋁電解電容器的應用領域不斷拓寬,需求量越來越大.因此,鋁電解電容器不僅不會萎縮,而且還具有更強的生命力和更廣闊的發(fā)展空間,會有更快的增長速度.  
2鋁電解電容器的結構與性能特點  
鋁電解電容器是由經過腐蝕和形成氧化膜的陽極鋁箔、經過腐蝕的陰極鋁箔、中間隔著電解紙卷繞后,再浸漬工作電解液,然后密封在鋁殼中而制成的.其性能特點如下所述.  
2．1單位體積電容量非常大  
電容器的電容量C=ε0εrS/d,  
其中,ε0是真空電容率(常數),εr是介質材料的相對介電常數,S是電極的有效面積,d是介質材料的厚度.對于鋁電解電容器,εr=8~10.陽極鋁箔和陰極鋁箔可以通過腐蝕使其表面積增加幾十倍到幾百倍.d=αVf,α≈1.4nm/V,Vf=10V~600V,則d約為0.014μm~0.9μm,比其它電容器小幾倍到幾百倍.因而,電解電容器的單位體積電容量比其它電容器大幾倍到幾十倍.
22額定容量非常大  
由于電解電容器采用卷繞結構,很容易擴大體積,因此,可以很容易地做到幾萬微法甚至幾十萬微法的額定電容量.  
23具有自愈作用  
由于電容器內部有電解液,因此,在工作中,電容器陽極鋁箔上的電介質一旦發(fā)生局部性破壞,電解液中的O2-或OH-或酸根離子在電場力的作用下迅速到達破壞位置,將破壞位置堵塞住,并將破壞的氧化膜修復,使電容器恢復正常狀態(tài).  
24工作電場強度高  
由于陽極氧化膜在形成過程中每伏特生長大約1.4nm,即陽極氧化膜生長時的電場強度約為7×107V/cm,其工作狀態(tài)下的電場強度約為5×107V/cm,這個值遠遠大于陶瓷電容器和薄膜電容器的工作電場強度.  
25價格優(yōu)勢  
由于制造鋁電解電容器所使用的主要原材料都是普通工業(yè)材料,所用設備屬于一般工業(yè)設備,自動化程度也較高,因此制造成本相對較低,尤其是單位容量的制造成本比其它類型的電容器具有壓倒性優(yōu)勢.  
3鋁電解電容器存在的缺點  
31有極性和有漏液的可能性  
由于電解電容器存在極性,在使用時必須注意正負極的正確接法,否則不僅電容器發(fā)揮不了作用,而且漏電流很大,短時間內電容器內部就會發(fā)熱,破壞氧化膜,隨即損壞.  
鋁電解電容器用鋁殼和橡膠塞密封,當工作電解液受熱汽化后,容易從引線的根部滲出.電容器長期工作后,導致電解液干涸,使電容器失效.這是鋁電解電容器的主要失效模式之一.  
32損耗角正切值較大,溫度、頻率特性相對較差  
工作電解液在鋁電解電容器中起著陰極的作用,由于工作電解液是離子導體,而離子的運動速度比電子的運動速度慢得多,導致工作電解液的電導率比電子導體的電導率低.再浸電解紙后其電導率進一步下降,因此,工作電解液所引起的等效串聯電阻比其它電容器的金屬電極所引起的等效串聯電阻大,從而導致鋁電解電容器的損耗角正切值較大,且頻率特性相對較差.另外,由于液體材料的電導率受溫度的影響較大,所以,鋁電解電容器的溫度特性也相對較差.  
33易老化  
工作電解液盡管采用的是弱酸/弱堿鹽作為電解質,水和有機溶劑作溶劑,但仍然具有一定的腐蝕性,對電容器的陽極氧化膜和橡膠塞有一定的侵蝕作用.另外,電解質鹽與溶劑之間隨著時間的推移也會發(fā)生一定的化學反應.這些現象都將導致電容器的電性能劣化.  
總之,盡管鋁電解電容器具有一定的缺點,限制了它在某些場合的應用,但是由于它的高容量和價格優(yōu)勢等顯著的優(yōu)點,使它在同陶瓷電容器、薄膜電容器、鉭電解電容器的競爭中牢牢地占據著30%以上的份額.且隨著汽車電子、變頻技術等電力電子技術的發(fā)展,其所占比率將有大幅度上升的趨勢.  
4鋁電解電容器的生命力  
隨著科學技術的發(fā)展,尤其是集成電路(IC)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)的發(fā)展,整個電容器行業(yè)能否持續(xù)發(fā)展,甚至還有沒有生存空間受到人們的懷疑,然而,從1987年以來,全球電容器的生產量每年以20%以上的速度增長,使這種懷疑不攻自破.實踐證明鋁電解電容器具有極強的生命力.  
41IC的發(fā)展無法取代鋁電解電容器  
一方面,由于IC的出現使部分小容量的電容器被集成到電路內部;另一方面,IC的發(fā)展使電路系統(tǒng)的工作頻率大大提高,導致鋁電解電容器在部分電路中被別的電容器所取代.但是,IC電路中的電源部分卻始終離不開電解電容器.另外,鋁電解電容器自身性能的提高也向其它電容器的應用領域擴展.  
42整機電路的變化只改變了鋁電解電容器的型號  
開關電源的體積不斷縮小,能量轉換效率不斷提高,使得開關電源的工作頻率不斷提高(從20kHz到500kHz,甚至達到1MHz以上),導致其輸出部分的高頻噪聲加大,為了有效濾波,必須使用超低高頻阻抗或低等效串聯電阻(ESR)的電容器.  
43其它電容器與鋁電解電容器的相互補充  
——多層獨石陶瓷電容器使用的陶瓷介質的不斷開發(fā),介電常數不斷提高,再加上其高頻性能好以及片式化等有利條件,使其在低壓小容量的應用場合具有一定優(yōu)勢.  
——金屬化薄膜的制備技術不斷提高,使薄膜的耐壓性大大提高,另外,薄膜電容器具有可靠性高、ESR小等優(yōu)點,使薄膜電容器在中高壓小容量的使用中有一定特長.  
——鉭電解電容器不僅具有優(yōu)良的溫度和頻率特性,而且又具有片式化的優(yōu)勢,在低壓中小容量的應用領域有一定的增長.  
——雙電層電容器的材料及制備技術不斷進步,大大降低了其ESR,使其在低壓大容量的應用領域具有競爭性.  
由此可見,中高壓大容量鋁電解電容器并沒有受到其它電容器的沖擊,具有其獨特的優(yōu)勢.另外,在低壓小容量方面雖然存在一定的競爭,其出路在于加快相關技術的研究開發(fā),加強和繼續(xù)擴大鋁電解電容器現有優(yōu)勢,克服其自身的缺點.特別是近幾年來,鋁電解電容器已在多方面取得了長足的突破性進展,實現了質的飛躍.不僅其市場份額沒有縮小,相反,其應用領域不斷擴寬,呈現出高速增長,迎來了許多前所未有的發(fā)展機遇.  
5鋁電解電容器迎來難得的機遇  
  信息時代的到來,知識經濟的出現,不僅給全球經濟帶來了福音,也給電子工業(yè)帶來前所未有的繁榮,同樣,鋁電解電容器也得到空前的發(fā)展.  
51市場方面的機遇  
511通信市場爆發(fā)式增長  
信息時代的到來,使得各種通信手段、網絡技術得到蓬勃發(fā)展,程控交換機、電話機、手機、無繩電話機、呼機、臺式計算機、筆記本電腦、掌上計算機、顯示器、復印機、傳真機、打印機、掃描儀、充電器等等,得到迅速普及,在其電源部分大量使用鋁電解電容器.從低壓到高壓、從小容量到大容量,種類繁多,需求量巨大.  
512汽車電子來勢洶涌  
傳統(tǒng)汽車電子化涉及十大電子系統(tǒng),其中有電子儀表盤、電子噴油系統(tǒng)、汽車音響系統(tǒng)、發(fā)動機管理系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、剎車防抱死系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)、自動窗系統(tǒng)、自動鎖系統(tǒng)等.這些系統(tǒng)中全都或多或少地要使用鋁電解電容器.而未來的電動汽車更是鋁電解電容器新的增長點,每部電動汽車至少需要4只高壓大容量鋁電解電容器用在電池充電、電壓轉換、逆變器等電路中.  
513家用電器的普及  
彩色電視機、音響、照相機、VCD、DVD、磁帶錄像機、激光唱機、變頻空調、變頻冰箱、洗衣機、微波爐、電飯鍋、吸塵器、節(jié)能燈以及未來數字電視、機頂盒和數碼相機等都是鋁電解電容器的使用大戶.一臺數字電視機中鋁電解電容器的需求量是普通電視機的3倍.  
514工業(yè)領域  
隨著計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)、數字加工中心、自動裝配機等各種自動化技術的日益廣泛,促進了變頻技術的發(fā)展,工業(yè)領域大量使用開關電源、不間斷電源(UPS)、逆變器、監(jiān)視器、變頻電機、數控設備,其中大量使用鋁電解電容器.另外,激光加工、逆變焊機、電梯、石油勘探、第三代和第四代IGBT的開發(fā)、甚至發(fā)達國家高速公路的太陽能照明系統(tǒng)等等也需要使用大量的鋁電解電容器.  
515軍事及航空航天領域  
近幾年,軍隊作戰(zhàn)已逐步變成電子對抗,電子裝備水平的高低直接預示著戰(zhàn)場的勝負.航空航天領域更是大量使用先進的電子設備.在這些電子設備中同樣大量使用鋁電解電容器.  
總之,只要是使用電子設備的地方,基本上都離不開鋁電解電容器.有了這些機遇,鋁電解電容器保持每年以20%以上的速度增長是不會存在問題的.  
52技術方面的機遇  
521新型電容器的誕生  
近年來,由于材料科學的突飛猛進,使鋁電解電容器的技術得以飛速發(fā)展.最具代表性的是以有機半導體材料如TCNQ(1S/cm)和導電聚合物如聚吡咯(120S/cm)等作為陰極材料研制出固體片式鋁電解電容器.由于新型陰極材料具有比傳統(tǒng)電解液(10-2S/cm以下)高得多的電導率,使新型鋁電解電容器不僅實現了片式化,而且克服了傳統(tǒng)鋁電解電容器溫度和頻率特性差的缺點,達到近乎理想電容器的阻抗頻率特性.使鋁電解電容器的電性能和可靠性發(fā)生了質的飛躍,大大拓寬了鋁電解電容器的應用領域.  
522傳統(tǒng)電容器制造技術的改進  
高純度、高性能鋁箔材料的采用使材料的腐蝕性能大大改善,同時形成的介質氧化膜的漏電流大大降低;先進腐蝕和形成工藝的開發(fā),使陰、陽極鋁箔的比容量進一步增加,陽極箔的漏電流進一步下降;化學性穩(wěn)定的電解質和溶劑,尤其是特種添加劑的應用,減小了對電容器原輔材料的侵蝕,減小了電解液的泄漏;加上新型密封材料的采用,大大提高了電容器的使用壽命和擱置壽命(達到105℃、3000h~5000h);新型電解紙的開發(fā),大大提高了離子的穿透速度,使電容器的ESR降低5倍~7倍,使同樣容量的電容器在高頻下相當于5只~7只普通電容器.這些材料和工藝技術的改進使傳統(tǒng)的鋁電解電容器的工作溫度范圍、可靠性、使用壽命、外形尺寸等的綜合性能得到了大大提高.另外,液體立式片型鋁電解電容器(V-chip)的開發(fā)成功,不僅縮小了電容器的體積,提高了電容器的性能,而且適應了表面貼裝技術的發(fā)展潮流,進一步拓展了電解電容器的生存空間.  
523納米復合材料的應用  
鐵電材料如鈦酸鋇、鈦酸鍶等具有幾百到幾千的介電常數.納米級鐵電薄膜材料的制備與性能研究已經比較成熟.若能將納米級鐵電材料復合于陽極氧化膜上,形成復合氧化膜,必將大大提高陽極箔的比容,使鋁電解電容器的體積顯著縮小,可大大拓展其應用領域.  
6結束語  
鋁電解電容器一直處于不斷克服自身缺點,發(fā)揮本征優(yōu)點的創(chuàng)新與發(fā)展過程中.新材料、新技術、新工藝不斷涌現,新市場、新領域不斷召喚與挑戰(zhàn),極大地促進了鋁電解電容器的水平提高與性能改進,反過來又刺激了對鋁電解電容器的需求和發(fā)展.隨著鋁電解電容器的新材料、新技術、新工藝不斷的實用化,必將推動鋁電解電容器進入一個新時代.