元器件基础学习笔记——薄膜电容

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

一、薄膜电容的发展史

薄膜电容一开始还不是薄膜电容，其技术起源于19世纪。

1876年，在还没有塑料薄膜之前，人们用一条浸渍油、石蜡的纸插在金属铝箔中并将它卷成圆柱体，这圆柱体就是纸介电容器，它是薄膜电容器的前身，薄膜电容器是以纸介电容器技术为基础在20世纪30年代开发出来的。

20世纪初开始，它们被用作电信（电话）中的去耦电容器，用来滤除电话中产生的高频噪声，使电压稳定无噪音，保证元件的正常工作接收息。不过纸介电容器有个缺点是会吸收大气中的水分，减少电介质的绝缘电阻。于是到了1931年～1945年期间，有个化学家开发了塑料材料，这种塑料材料能用来制造电容器，和纸相比塑料材料更薄更坚韧更不容易坏，人们用更薄的聚合物塑料薄膜代替纸作为电介质制造电容器，用聚合物塑料薄膜作为电介质制造出来的电容器称为塑料薄膜电容，也就是后来的薄膜电容。

人们发现同样的电容值，用塑料材料为电介质的薄膜电容器在尺寸上比纸介电容器要小，节约成本和安装空间。而且塑料材料的吸湿性远低于纸，不用担心大气中水分会对电容器造成的有害影响，而且大多数塑料在长时间受到的化学变化少，电容器的电器参数稳定性较好。

到了1980年左右，纸介电容器和金属化纸介电容器大部分被薄膜电容器取代，薄膜电容器迎来了真正的时代。直到现在，薄膜电容器因其绝缘阻抗高，温度范国广，使用期限长，频率特性优异，介质损失小，具有自愈性等优势，在电子行业中得到广泛应用。

二、薄膜电容的内部结构

        薄膜电容内部构成方式主要是： 以金属箔片（或者是在塑料上进行金属化处理而得的箔片）作为电极板，以塑料作为电介质 。通过绕卷或层叠工艺而得。

        卷绕型薄膜电容器

        卷绕型薄膜电容器的结构主要是以金属箔为电极，使用塑料薄膜如聚乙酯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚碳酸酯作为电介质。具体来说，这种电容器的制作过程包括以下几个步骤：

        ① 电极材料：选择金属箔作为电极，这是为了确保良好的电气性能和耐久性。

        ② 电介质材料：采用高质量的塑料薄膜，如聚丙烯或聚乙酯等，这些材料具有良好的绝缘性能和稳定的物理特性。

        ③ 结构设计：将金属箔和塑料薄膜从两端重叠后，卷绕成圆筒状结构。这种设计有助于增加电容器的电容值，并且可以提高其耐压性能。

        ④ 封装：卷绕好的电容器会被封装在适当的外壳中，以保护内部结构不受外界环境的影响

        卷绕型薄膜电容器有有感型与无感型。有感型是在内部电极上附着导线进行缠绕的类型，无感型是在端面安装导线或端子电极的类型。具体结构如下图所示：

        无感型薄膜电容器与有感型薄膜电容器在结构和性能上存在明显差异：

        ① 有感型薄膜电容器通常是通过将两层金属箔和介质材料卷绕成圆柱形的电容器芯组来构建的，电极从铝箔顶端引出，沿长度方向卷绕而成。而无感型薄膜电容器则采用端面安装导线或端子电极的方式，电感成分小，高频特性优异

        ② 于有感型电容器的结构，充放电电流的路径是沿着卷绕方向传导，类似一个电感线圈，因此会产生一定的电感量。相比之下，无感型电容器的等效电感小到可以忽略不计，因此在高频应用中表现更为优异

        ③ 无感型电容器由于其低自感和低损耗角正切值，具有更优异的频率响应特性，适用于高频电路。而有感型电容器在高频时可能会受到自身电感的影响，导致性能下降

        无感型薄膜电容器因其较小的等效电感、低损耗和优异的高频性能，在需要快速充放电和高频应用的场合更为适用。而有感型薄膜电容器可能更适合于对电感不敏感的低频应用。在选择薄膜电容器时，应根据具体的应用场景和频率要求来决定使用无感型还是有感型。

        叠层型薄膜电容器

        叠层型薄膜电容器的结构特点是多层薄膜交替堆叠，形成并联连接的小型电容器单元，整个电容器的总电容值是所有单元电容值的总和。具体来说，叠层型薄膜电容器通常由以下几部分组成：

        ① 金属化薄膜：每一层薄膜都会有一个金属化面，这些面通常是通过蒸发或溅射金属（如铝）形成的导电层。

        ② 绝缘层：在金属化薄膜之间会加入绝缘层，以隔离不同层的金属化面，防止短路。

        ③ 端电极：电容器的两端会有端电极，用于连接外部电路。这些端电极可能是金属箔或者导电墨水印刷而成的。

        ④ 封装：为了保护内部的薄膜和电极，电容器会被封装在塑料或橡胶外壳中。

        此外，由于每个小型电容器单元在电气上是并联的，因此整个电容器的总电容值是所有单元电容值的总和。这种设计使得叠层型薄膜电容器具有较大的电容值，同时由于并联连接，也有助于提高电容器的稳定性和可靠性。具体结构如下图所示：

三、薄膜电容的分类

3.1 内部结构

        薄膜电容器根据内部结构的不同分为卷绕型、积层型、有感型与无感型等。（参考第二节）

3.2 内部电极的形成方法

        薄膜电容器根据内部电极的形成方法不同而大致分为箔电极型与蒸镀电极型(金属化薄膜型)。

        箔电极型

        箔电极型薄膜电容是一种利用塑料薄膜为电介质，以金属箔作为电极的电容器。这种制造工艺相对简单，耐电流强度高，但这类电容器没有自愈能力，峰值耐压较差。

        箔电极型薄膜电容器的主要优点：

        ① 高耐电流能力：由于直接在塑料膜上加一层薄金属箔作为电极，制造工艺相对简单且耐电流强度高

        ② 高绝缘电阻：具备较高的绝缘电阻，可靠性优异，适用于各种电子设备

        ③ 频率特性优异：具有宽广的频率响应和较小的介质损失，适合用于模拟电路中信号的传送与处理

        箔电极型薄膜电容器的主要缺点：

        ① 无自愈能力：与金属化薄膜电容相比，金属箔型电容没有自愈能力，峰值耐压较低

        ② 体积较大：相对于积层陶瓷贴片电容器，较难实现小型化

        ③ 成本较高：使用的材料如铝、锡、铜等金属材料成本相对较高，可能影响整体成本

        对于需要高耐电流能力的场合，选择箔电极型薄膜电容器可能较为合适；而对于需要小型化或者高频应用的场合，则可能考虑其他类型的电容器。

        金属化薄膜型

        金属化薄膜型电容器是一种使用塑料薄膜作为电介质，并在其表面蒸镀一层金属膜来代替传统金属箔作为电极的电容器。

        金属化薄膜型电容器的主要优点：

        ① 温度稳定性好：金属化薄膜电容器适用的温度范围较宽，受温度的限制较小

        ② 使用寿命长：这种电容器的使用寿命超长，只要没有损坏，几乎不会有使用寿命的限制，可以长期使用

        ③ 自愈功能：金属化薄膜电容器具有自愈功能，在出现小的损坏时，能够自动修复

        ④ 耐高压：工作时可以承受很高的电压，适用于中高压应用场合

        ⑤ 良好的频率特性：金属化薄膜电容器等效串联电阻（ESR）非常低，具有良好的频率特性，适用于高频电路

        金属化薄膜型电容器的主要缺点：

        ① 容量稳定性较差：与金属箔式电容器相比，金属化薄膜电容器的容量稳定性较差，长期工作条件下容易出现容量丢失

        ② 耐受大电流能力较弱：由于金属化膜层比金属箔薄很多，承载大电流能力较弱

        对于需要高耐电流能力的场合，选择箔电极型薄膜电容器可能较为合适；而对于需要小型化或者高频应用的场合，则可能考虑其他类型的电容器。

        金属化薄膜型电容器因其小型化设计、自愈特性以及高可靠性在电子行业中占有重要地位。

3.3 介质不同

        薄膜电容器可以按照介质不同进行分类，如下表所示：

        PET介质电容器

        以PET为电介质的电容器被称为Mylar电容器。Mylar电容器得名于杜邦公司的一款名为Mylar的PET薄膜。PET，即聚对苯二甲酸乙二醇酯，是一种常用的塑料材料，具有良好的电气绝缘性能和稳定性，因此被广泛用作电容器的电介质。

        Mylar电容器的主要优点：

        ① 无感特性：Mylar电容器具有良好的无感性，这使得它们在高频应用中表现出色，不会引起电感效应，这对于高频电路是非常重要的

        ② 高频特性好：由于低介电常数和低损耗因数，Mylar电容器在高频应用中具有很好的性能，这使得它们在模拟电路尤其是信号交连部分得到广泛应用

        ③ 体积较小：Mylar电容器通常体积较小，适合在空间有限的电路板上使用

        Mylar电容器的主要缺点：

        ① 不适合大容量：由于其结构和物理特性，Mylar电容器不适合制造大容量的电容器

        ② 价格较高：与其他类型的电容器相比，Mylar电容器的价格通常较高

        ③ 耐热性能较差：Mylar电容器的耐热性能不如某些其他类型的电容器，如陶瓷电容器等

        总的来说，在选择Mylar电容器时，需要根据具体的应用场景和要求来权衡其优缺点。例如，在需要高频响应和小型化设计的应用中，Mylar电容器可能是一个合适的选择。然而，如果应用需要较大的电容值或者更高的耐热性能，可能需要考虑其他类型的电容器。

        PP介质电容器

        PP介质电容器，也称为聚丙烯薄膜电容器，是一种使用聚丙烯（Polypropylene）作为电介质的电容器。PP介质电容器因其独特的性能和优点，在电子行业中占有重要的地位，被广泛应用于各种电路中，特别是在对稳定性和频率响应有较高要求的场合。

        PP介质电容器的主要优点：

        ① 高绝缘电阻：PP介质电容器具有非常高的绝缘电阻，这意味着它们在电路中几乎不会引起电流泄漏，适合用于需要高精度和低损耗的应用场合

        ② 稳定性好：PP介质电容器具有较好的温度稳定性和频率稳定性，使其在各种环境条件下都能保持性能不变

        ③ 低损耗：由于其低的介电损耗，PP介质电容器适用于高频应用，如无线电和电视接收器中的调谐电路

        ④ 高耐压能力:P P介质电容器能够承受较高的工作电压，适用于高压电路

         PP介质电容器的主要缺点：

        ① 成本较高：与其他类型的电容器相比，PP介质电容器的成本较高，这可能会影响其在成本敏感型项目中的应用

        ② 容量范围有限:P P介质电容器的容量范围相对较小，不适合需要大容量电容器的应用

        ③ 体积较大：与其他介质的电容器相比，PP介质电容器的体积可能较大，这在空间受限的设计中可能是一个考虑因素

        在选择PP介质电容器时，需要根据具体的应用场景和需求来决定是否适用。例如，在需要高精度和高稳定性的音频设备或高频电子设备中，PP介质电容器的优点可能会超过其成本和体积的缺点。而在成本敏感或对容量有特殊要求的项目中，可能需要考虑其他类型的电容器。

        PPS介质电容器

        PPS介质电容器是一种使用聚苯硫醚（Polyphenylene Sulfide）作为电介质的薄膜电容器，是一种高性能、高可靠性的电子元件，适用于多种高端应用场景。

        PPS介质电容器的主要优点：

        ① 机械强度和刚性:P PS材料具备出色的机械强度和刚性，这使得PPS介质电容器在面对外界力量作用时能够保持其稳定性

        ② 耐腐蚀性：PPS材料具有良好的耐腐蚀性，能够有效抵抗酸碱等化学物质的侵蚀，这对于提高电容器的使用寿命和可靠性是非常有利的

        ③ 温度稳定性:P PS电容器通常能够在较宽的温度范围内稳定工作，适用于多种环境条件

        ④ 电气性能:P PS电容器具有良好的电气性能，如高介电常数、低介电损耗和高绝缘电阻等

         PPS介质电容器的主要缺点：

        ① 成本问题：与一些其他类型的电容器相比，PPS介质电容器可能在成本上较高，这可能会影响到其在成本敏感型应用中的使用

        ② 热稳定性限制：虽然PPS电容器具有较好的温度稳定性，但在极端高温环境下，其性能可能会受到影响

        ③ 容量范围限制:P PS电容器的容量范围可能受到一定限制，对于需要大容量电容器的应用，可能需要考虑其他类型的电容器

        在选择PPS介质电容器时，需要根据具体的应用场景和性能要求来权衡其优缺点。例如，在需要高机械强度和耐腐蚀性的环境下，PPS电容器是一个很好的选择。然而，如果预算有限或者对电容器的容量有特殊要求，可能需要考虑其他类型的电容器。

        PEN介质电容器

        PEN介质电容器是一种采用聚萘二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Naphthalate）作为电介质的薄膜电容器，是一种高性能的薄膜电容器，适用于对稳定性和可靠性要求较高的电子电路。

        PEN介质电容器的主要优点：

        ① 高绝缘电阻:PEN介质电容器与陶瓷电容器和铝电解电容器相比，具有更高的绝缘电阻，这使得它们在高压应用中表现出色

        ② 理想的自愈性：薄膜电容器通常具有良好的自愈性，这意味着在发生局部击穿时，电容器能够自我修复，从而提高了可靠性

        ③ 超快充放电速率:P EN介质电容器具有超快充放电速率，这对于需要快速能量释放的应用非常有利

        ④ 超快充放电速率:P EN介质电容器具有超快充放电速率，这对于需要快速能量释放的应用非常有利

        ⑤ 低等效串联电阻（ESR）:P EN介质电容器的ESR较低，这有助于减少在高频率应用中的功耗和发热问题

         PEN介质电容器的主要缺点：

        ① 成本较高：与其他类型的电容器相比，PEN介质电容器的成本可能会更高，这可能会影响其在成本敏感型应用中的使用

        ② 温度稳定性：虽然PEN介质电容器的性能在很多方面都很优秀，但在极高的温度下，其性能可能会受到影响，尤其是在长期稳定性方面

        ③ 容量范围限制:PEN介质电容器的容量范围可能受到限制，对于需要大容量电容器的应用，可能需要考虑其他类型的电容器

        PEN介质电容器因其高绝缘电阻、快速充放电速率、高功率密度以及低ESR等优点，在电子电路中有着广泛的应用。然而，成本、温度稳定性以及容量范围的限制是其主要缺点。在选择电容器时，需要根据具体的应用需求和条件来决定是否使用PEN介质电容器。

        不同介质薄膜电容的性能比较

        因电介质的种类不同，薄膜电容器的性能存在差异。需要选择合适使用条件的类型。下图是按电介质分类的薄膜电容器的性能比较(概况)：

四、薄膜电容器的主要特性

        额定电压

        所谓额定电压就是，可恒常施加使用的最大电压。额定电压分为DC(直流)额定电压和AC(交流)额定电压。一般情况下，薄膜电容器的DC额定电压、AC额定电压都为数10～数100V左右，电力用高压型薄膜电容器的额定电压可达到AC数kV以上。AC额定电压是以仅用于交流电路为前提的电容器的电压。在AC电路上使用时，如果施加某个超过一定量的电压，就会产生电晕放电现象，而持续的电晕放电将导致绝缘破坏。另外，额定电压具有随温度上升而下降的倾向，因此选择时要留有充分余量。

        自身发热

        由于高频电流和脉动电流的影响，薄膜电容器会产生自身发热现象。一般认为自身发热是在5～10℃之内，因此需要使周围温度＋自身发热温度不超过使用温度范围。

        静电电容的温度特性和频率特性

        薄膜电容器的静电电容容易受温度影响。其变化率因作为电介质的塑料薄膜的种类而异。PPS几乎没有变化，而PET以正的温度系数变化，PP则以负的温度系数变化。也有对相反的温度系数进行组合以稳定静电电容的复合电容器。另外，静电电容还会因使用频率而如下图所示发生变化。PPS的特点是同时具有优良的温度特性与频率特性。

        tanδ (介质损耗角正切)的温度特性和频率特性

        虽然薄膜电容器具有tanδ(介质损耗角正切)值越小热损失也越小的优良性能，但tanδ值会随着频率的增高而上升。上升最少的是PP，适合用于大电流的情况下。而且，PP的tanδ值也基本不受温度影响。

        镀电极的自我修复功能／安全功能

        蒸镀电极型薄膜电容器有个很大的特点就是，蒸镀电极具有自我修复功能。指的是，当在薄膜上绝缘弱的地方被施加过电压导致绝缘击穿时，周围的蒸镀膜瞬时氧化，恢复绝缘状态的功能。

        另外，为了更加提高可靠性，在蒸镀膜上附加安全功能的类型成为主流。其不是在薄膜的整个面上形成蒸镀膜，而是以分割成瓷砖状的多个领域并用狭窄的熔断部相连接的模式进行蒸镀的类型。当发生超过自我修复功能极限的绝缘击穿时，熔断部会熔断从而避免绝缘击穿。有多种蒸镀模式。

五、薄膜电容器的失效模式

        容量下降

       薄膜电容器的容量大小取决于金属化膜层的有效面积。如果由于外界因素如高温、高湿度或过度的电压导致金属镀层氧化，会使得有效面积减少，进而导致电容量衰减。

        电压漏电

        当薄膜电容的绝缘层出现问题，如有缺陷、污染或破损时，会发生电压漏电现象。这是因为绝缘层的完整性被破坏，电流能够穿透绝缘层，造成电容器无法正常工作。

        短路

        如果薄膜电容内部的金属薄膜之间发生直接接触，或者由于污染物导致的导电，可能会发生短路现象，导致电容器失效。

        开路

        与短路相反，如果电容器内部连接断裂，可能会造成开路，这同样会导致电容器失去功能。

        强电场击穿

        当电场强度超过薄膜电容器所能承受的极限时，会导致电场击穿，使薄膜电容器失效。这种失效模式可能是由于电压过高或者绝缘层缺陷引起的。

        环境因素

        高温和高湿度是影响薄膜电容器性能的重要环境因素。在高温（如120°C或更高）下，聚丙烯（PP）薄膜可能会收缩降解，电极受损;而在高湿度环境下，水分子和氧气的侵入会引发电化学腐蚀，损害薄膜上的Al Zn层。