零件知識專欄 — 創造價值的電容課程邏輯

【請點我參閱 固態及液態電解電容策略】【請點我參閱 積層陶瓷電容策略】【請點我參閱 積層陶瓷電容策略TCD】

學習零件並且創造價值的邏輯如下：
Equation→Structure→Material→MFG→Characteristic→Comparison→Application→Marketing→Cost & Performance & Quality。
在此以電容為範例，宏觀地從電容理論 ( Equation) 開始，一直介紹到創造成本 (Cost) & 性能 (Performance) & 品質 (Quality) 的思考邏輯。

Equation：電容公式，「電容量(C)」與「極板面積(A)、介電層介電係數(ε)、極板距離(d)」有關。

電容極板示意圖

所以電容廠商以不同的「架構、材料」以達到期望的電容量。而因為架構、材料的不同，而衍生了不同的電容「製程」。

Structure：不同架構下可創造「極板面積(A)、極板距離(d)」的差異化。
範例一：鋁捲繞電解電容透過「正箔(正極)與電解液(負極)面積」串聯「負箔(正極)與電解液(負極)面積」得到整體電容。通常負箔產生的電容量遠大於 (10倍以上)正箔電容量，所以兩相串聯的結果，正箔電容量影響整體電容量的比重較高。
另外外了達到更大的電容量，所以需要在鋁箔表面進行腐蝕，以得到較大的面積。介電層(三氧化二鋁Al₂O₃)的除了提供介電常數外，另外也扮演了絕緣的角色。所以要更高的耐壓，則需要透過「化成」以達到更高的耐壓，但相對的介電層變厚，正負極的間距(d)變大，故電容量下降。這也是為什麼在同尺寸下耐壓越高，其可生產的電容量越低。
而在同樣的素子 (正負箔及電解紙捲繞後的半成品) 其電解液的含浸率越高，則相對可以提升電容量。故在含浸製程中，需要控制含浸時間及壓力。
注意：鋁捲繞電解電容真正的負極是「含浸電解液」

液態鋁捲繞電解電容架構

範例二：積層陶瓷電容 (Mult-Layer Ceramic Capacitor)

• 疊層及印刷內電極創造有限的極板面積(A)
• 陶瓷粉末提供不同的介電常數 (此可參考EIA Class的定義)
• 燒結後介電層之間的厚度決定極板的間距(d)
• 燒結後的Grain及介電層厚度決定耐壓

積層陶瓷電容架構

Material：
透過不同的介電材料決定電容量。

介電材料比較表

此外應考量整體材料比較完整的參數「電容量、耐壓、耐電流、漏電流、尺寸、可靠度..成本」。例如在鋁捲繞電解電容有「液態」及「固態導電高分子」的不同，造成整體的特性有很大的差異。

MFG：
因為架構、材料上的差異，所以在「製程」有很大的不同。甚至即使同架構、材料的零件，也會因為不同的零件廠商而有製程上的差異。稽核供應商務必了解材料及製程管控，開發高中低接策略供應商。

鋁捲繞及積層陶瓷電容架構製程差異

電容分類

註解：「電解電容」名詞定義
有兩個極板正負極之分，其中在正極採用特定的閥金屬例如鋁、鉭、鈮和鈦金屬，並在金屬表面藉由電化學方法生成一極薄且具有單向導電性的氧化模作為介質例如Al₂O₃、Ta₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂，而陰極通常採用能生成和修復介電氧化膜的電解質 (有液、固態之分)。

Characteristic：
從「Structure、Material、MFG」決定電容的特性。

電容等效模型

• C: Capacitance of an ideal capacitor (μF, nF, pF)
• IR: Insulation Resistance between two terminals
• ESL: Equivalent Series Inductance (nH)
• ESR: Equivalent Series Resistance(mΩ)

電容阻抗頻率響應

Comparison：
特性比較表，整理出參數差異，提供電路選料的參考。以下僅對捲繞電解電容與積層陶瓷電容的重點參數比較。

電容量：因為鋁捲繞及對鋁箔進行腐蝕，其一般整體極板面積 (A)，大於積層陶瓷電容。且在介電層厚度上，鋁捲繞電解電容其AL₂O₃的厚度為 (nm:10^-9m)，而積層陶瓷電容的介電層厚度為 (μm:10^-6m)，所以整體上鋁捲繞電容的電容量，大於積層陶瓷電容量。

ESL：鋁捲繞從正極引腳至負極引腳的路徑遠大於積層陶瓷電容，所以鋁捲繞電解電容的ESL大於積層陶瓷電容。

ESR：從整體結構積層陶瓷電容在高頻的ESR低於鋁捲繞電解電容。

電容比較表

Application：

整體基礎電路電容應用

電路原理 + 零件功能角色 + 選料原則 + 零件匹配 + 量測驗證手法
以下為個別電路展開

降壓式電路基本有下列電容功能：「Input Capacitor、Output Capacitor、DC Bias Bypass Capacitor、Soft Start Capacitor、Bootstrap Capacitor、Snubber Capacitor、Compensation Capacitor Of Type 2 & 3、RC-Network of Current Sense with Choke DCR」。

降壓式直流電源轉換電路圖

線性式直流電源轉換電路有下列電容功能：「Input Capacitor、Output Capacitor、Feed Forward Capacitor」。

線性式直流電源轉換架構

隔離反馳式電源轉換路有下列電容功能：「Input Capacitor、Output Capacitor、Snubber Capacitor of Primary Side、Snubber Capacitor of Secondary Side、Isolated Capacitor For EMI、Compensation Capacitor、(Option For PD) AC Impedance Capacitor」。

隔離反馳式電源轉換電路圖

電源濾波電路有下列電容功能：「Bulk Capacitor、Decoupling Capacitor」。

電源濾波電路

電源濾波電路有下列電容功能：「AC Termination Capacitor (Impedance match)、DC Blocking」。

信號傳輸示意圖

X’TAL電路有下列電容功能：「C_g (接反向器閘極)、C_d(接反向器汲極)」。

皮爾斯振盪迴路

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Marketing → Cost & Performance & Quality…：
「鋁捲繞電解電容」與「積層陶瓷電容」的供應鏈及市場完全不一樣，所以不同「市場分析手法」，及定義「高中低階策略廠商判定標準」，以追求成本&特性&品質&效率等競爭優勢。但整體的分析必須建構在 「零件專業知識」及「電路應用 vs 零件規格需求」。

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