Как делают конденсаторы

Технология изготовления керамических конденсаторов

В качестве исходных продуктов в производстве керамических конденсаторов применяются, как природные сырьевые материалы: глина, тальк, мрамор, так и продукты химической промышленности: двуокись титана, двуокись циркония, углекислый барии и другие.

Природное сырье необходимо очищать от посторонних включений и примесей (особенно железа). Их удаление производят магнитной сепарацией.

Для получения керамической массы нужного состава производят измельчение и смешивание входящих в нее компонентов на шаровой мельнице. Обычно проводят мокрый помол в присутствии воды и получают жидкую массу – шликер, которая затем обезвоживается на фильтр-прессе. С фильтр-пресса керамическая масса снимается в виде пластичных коржей с влажностью 20-25%, после чего сушится и дробится в сухой порошок.

Чаще всего применяют вибропомол на шаровых мельницах для ускорения размола массы и увеличения степени ее измельчения.

Существует также способ вихревого помола с использованием вихревых (струйных) мельниц, в которых с помощью сжатого воздуха или пара осуществляется столкновение двух потоков предварительно измельченной керамической массы. Таким методом получают более мелкую степень измельчения, что позволяет снизить толщину керамических диэлектриков.

Для изготовления заготовок в производстве керамических конденсаторов используют следующие методы:

— прессование из сухого порошка – применяется для изготовления дисковых конденсаторов. Заготовки прессуются на прессах в специальных пресс-формах. Перед прессованием порошок увлажняют и вводят в него органическую связку (парафин, поливиниловый спирт). Получаемая толщина диска порядка 0,2-0,3 мм.

— протяжка трубок – из пластичной массы изготовляют трубчатые конденсаторы. Влажная масса в виде коржей поступает на вакуум-мялку, где происходит уплотнение массы для удаления воздушных включений, затем масса идет на пресс для вытяжки трубок. В массу вводят пластификаторы для увеличения пластичности. Толщина стенок до 0,2-0,3 мм.

— литье из жидкой массы в гипсовые формы – применяется для изготовления конденсаторов высокого напряжения (например, горшкового типа). Стенки гипсовой формы отнимают воду из массы и она загустевает. После подсушки раскрывают форму и вынимают заготовку. Метод литья дает более высокие значения . Для получения более точных размеров заготовку обрабатывают на токарном станке.

— горячее литье – применяется для изготовления конденсаторов сложной формы, в частности для производства «секционных» (щелевидных) конденсаторов типа КЛГ или КЛС. Жидкая керамика с пластификатором при температуре и давлении 4-5 атм поступает в форму, где застывает при охлаждении. Затем удаляют пластификатор и спекают керамику (при ). Толщина стенок составляет 0,2-0,5 мм, толщина щелей в которых создаются обкладки 0,1-0,2 мм.

Диэлектрик представляет собой прямоугольную призму, узкие прямоугольны прорези в которой образуют ряд тонких керамических пластин, на поверхность которых нанесен тонкий слой металла.

Общая емкость конденсатора складывается из параллельно соединенных емкостей отделенных пластин. У конденсатора КЛГ прорези глухие, что затрудняет регулировку емкости. Более простая технология у конденсаторов КЛС со сквозными щелями, которые позволяют регулировать емкость. Недостаток – малый межэлектродный зазор, который приводит к уменьшению влагостойкости конденсатора.

Для конденсаторов КЛГ и КЛС пробой одной из пластин вызывает потерю работоспособности всего изделия. Для секционных керамических конденсаторов применяют «резервирование» пластин – то есть между двумя соседними пластинами оставляют свободную прорезь, не подключенную ни к одному из общих электродов. Таким образом общая емкость складывается из емкости параллельно соединенных пар пластин с последовательным соединением между собой. Пробой одной из пластин вызовет изменение емкости конденсатора без потери его работоспособности. Этот способ позволяет повысить надежность конденсатора в 10-20 раз.

— литье керамических пленок с последующей вырубкой из них дисков малого диаметра – применяется при изготовлении миниатюрных конденсаторов. Шликер тонким слоем выливается на движущуюся металлическую ленту, покрытую слоем лака для предотвращения прилипания керамики к металлу. Лента проходит через сушильное устройство. Из керамической пленки вырубают диски. Затем идет обжиг, то есть подъем температуры, выдержка при максимальной температуре и охлаждение. Обожженные заготовки керамических конденсаторов подвергаются серебрению методом вжигания для образования обкладок конденсатора, после чего к обкладке припаивают выводы. После этого наносится влагозащитный слой, проводится испытание конденсаторов и их маркировка.

Керамика, применяемая в конденсаторах разделяется на высокочастотную и низкочастотную.

Высокочастотная керамика характеризуется низкими диэлектрическими потерями, а емкость таких конденсаторов при изменении температуры изменяется почти по линейному закону.

Низкочастотная керамика обладает большей , вследствие чего эти конденсаторы имеют большую емкость при тех же габаритах, что и ВЧ конденсаторы. Но у них больше .

По температурным свойствам керамические конденсаторы делят на несколько групп. Конденсаторы, имеющие наименьший ТКЕ называются термостабильными (их применяют в колебательных контурах генераторов высокой стабильности). Конденсаторы, имеющие отрицательный ТКЕ называются термокомпенсирующими. Их следует применять в колебательных контурах, так как уменьшение их емкости при увеличении температуры приводит к увеличению собственной частоты контура. А нагрев других деталей контура способствует уменьшению его частоты. В результате этого, изменение собственной частоты контура при повышении температуры будет незначительным.

Низковольтные керамические конденсаторы (К10)

В настоящее время количество керамических конденсаторов, используемых в электронной аппаратуре, превышает половину всех применяемых конденсаторов.

Наиболее широко применяются дисковые (КД) и трубчатые (КТ) конденсаторы. Для большинства конденсаторов номинальное напряжение составляет 160-500 В постоянного тока. Керамические конденсаторы обладают большим набором значений (от 6 до десятка тысяч) и ТКЕ. Они бывают высокочастотные (тип 1) и низкочастотные (тип 2 и 3). У конденсаторов типа 1 нормируется ТКЕ, они имеют малые потери и малые значения индуктивности.

Повышенной надежностью обладают конденсаторы типа КТ-1Е, отличающиеся от традиционной конструкции трубчатых конденсаторов наличием глухого дна и, следовательно, одного наружного зазора. Конденсаторы КТ-1Е отличаются высокой влагостойкостью и имеют емкости от 1-15000 пФ.

Для применения в ВЧ цепях критичных к значениям собственной индуктивности, предназначены конденсаторы КДУ и К10У-2. Керамические дисковые ультракоротковолновые конденсаторы КДУ могут работать в цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов УКВ аппаратуры. Имеют ленточные короткие выводы. Клиновидные конденсаторы К10У-2 являются безиндукционными, безвыводными и предназначены для печатного монтажа.

Максимальные значения номинальной и удельной емкости среди керамических конденсаторов типов 1 и 2 имеют монолитные конденсаторы – представляют собой пакет из чередующихся слоев металла и керамики. На сырые керамические пленки наносят металлосодержащую пасту, после чего пленки складывают в пакеты, спрессовывают, разрезают на заготовки и обжигают при температуре . Металл для электродов в основном платина и палладий – дефицитные и дорогостоящие, что приводит к увеличению стоимости конденсаторов.

В последнее время выпускаются конденсаторы с электродами из неблагородных металлов (К10-20), однако электрические параметры у них хуже. Для применения в микросхемах, микромодулях, гибридных интегральных схемах предназначены незащищенные безвыводные монолитные конденсаторы. Эти конденсаторы имеют серебреные или луженые контактные площадки, посредством которых конденсаторы подключаются в аппаратуру. Контактные площадки имеют небольшие размеры. При механических нагрузках может произойти полное или частичное отслоение контактов от конденсатора или от внутренних электродов монолита, что вызывает полную или частичную потерю емкости.

Резкое уменьшение толщины диэлектрика получено в конденсаторах с барьерным слоем, которые называются также конденсаторами из восстановленной керамики. Конденсатор этого типа представляет собой (К10У-5) диск из сегнетокерамического материала, который при обжиге в водородной среде восстанавливается до полупроводникового состояния. После восстановления диск окисляется путем прогрева в воздушной среде, причем на его поверхности образуется слой диэлектрика. На обе поверхности диска наносятся электроды, при этом общая емкость конденсатора образуется из последовательно соединенных емкостей тонких слоев, расположенных по обе стороны полупроводящего диска. Последовательно включенный полупроводниковый слой вызывает увеличение (до 0,035-0,1 при частоте 1 кГц), что ограничивает область применения конденсаторов низкими частотами. Такие конденсаторы имеют малое сопротивление изоляции и большой ток утечки. Значительное улучшение сопротивления изоляции можно получить в конденсаторах с пограничным слоем прессованных из крупинок полупроводящей керамики, причем на каждой из крупинок создается тонкий слой диэлектрика. В этом случае между металлическими обкладками, нанесенными на две стороны диска, располагается ряд тонких слоев, покрывающих отдельные крупинки. Это дает снижение тока утечки и увеличение сопротивления изоляции. Эффективное значение диэлектрической проницаемости снижется, но имеет все же высокие значения.

Высокой рабочей температурой обладают фольгово-керамические конденсаторы с уменьшенной толщиной изоляции. При их изготовлении используется шликер, полученный из обжигаемой керамики заданного состава с жидкой алюмофосфатной связкой. В жидкий шликер погружается гребенка из алюминиевой фольги, на зубцах которой откладывается тонкий слой керамической массы. Используют гребенки двух размеров с узкими и широкими зубцами, которые после нанесения покрытия складываются в стопки, зажимаются и спекаются. Отрезая зубцы, получают секции конденсаторов, которые герметизируются в керамических коробках, заливаемых с торца стеклом. Эта технология позволяет снизить толщину диэлектрика до 10-15 мкм. Конденсаторы такого типа являются высокочастотными.

Что такое конденсатор и как он работает?

Если вы рассмотрите печатную плату даже самого простого электронного устройства, то обязательно увидите конденсатор, а чаще всего встретите множество этих элементов. Присутствие этих изделий на различных электронных схемах объясняется свойствами данных радиоэлементов, широким диапазоном функций, которые они выполняют.

В настоящее время промышленность поставляет на рынок конденсаторную продукцию различных видов (рис. 1). Параметры изделий варьируются в широких пределах, что позволяет легко подобрать радиодеталь для конкретной цели.

Рис. 1. Распространённые типы конденсаторов

Рассмотрим более подробно конструкции и основные параметры этих вездесущих радиоэлементов.

Что такое конденсатор?

В классическом понимании конденсатором является радиоэлектронное устройство, предназначенное для накопления энергии электрического поля, обладающее способностью накапливать в себе электрический заряд, с последующей передачей накопленной энергии другим элементам электрической цепи. Устройства очень часто используют в различных электрических схемах.

Конденсаторы способны очень быстро накапливать заряд и так же быстро отдавать всю накопленную энергию. Для их работы характерна цикличность данного процесса. Величина накапливаемого электричества и периоды циклов заряда-разряда определяется характеристиками изделий, которые в свою очередь зависят от типа модели. Параметры этих величин можно определить по маркировке изделий.

Конструкция и принцип работы

Простейшим конденсатором являются две металлические пластины, разделённые диэлектриком. Выступать в качестве диэлектрика может воздушное пространство между пластинами. Модель такого устройства изображена на рис. 2.

Рис. 2. Модель простейшего конденсаторного устройства

Если на конструкцию подать постоянное напряжение, то образуется кратковременная замкнутая электрическая цепь. На каждой металлической пластине сконцентрируются заряды, полярность которых будет соответствоать полярности приложенного тока. По мере накопления зарядов ток будет ослабевать, и в определенный момент цепь разорвётся. В нашем случае это произойдёт молниеносно.

При подключении нагрузки накопленная энергия устремится через нагрузочный элемент в обратном направлении. Произойдёт кратковременный всплеск электрического тока в образованной цепи. Количество накапливаемых зарядов (ёмкость, C) прямо зависит от размеров пластин.

Единицу измерения ёмкости принятоназывать фарадой (Ф). 1 F – очень большая величина, поэтому на практике часто применяют кратные величины: микрофарады (1 мкФ = 10 -6 F ), нанофарады ( 1 нФ = 10 -9 F = 10 -3 мкФ), пикофарады (1 пкФ = 10 -12 F = 10 -6 мкФ). Очень редко применяют величину милифараду (1 мФ = 10 -3 Ф).

Конструкции современных конденсаторов отличаются от рассматриваемой нами модели. С целью увеличения ёмкости вместо пластин используют обкладки из алюминиевой, ниобиевой либо танталовой фольги, разделённой диэлектриками. Эти слоеные ленты туго сворачивают в цилиндр и помещают в цилиндрический корпус. Принцип работы не отличается от описанного выше.

Существуют также плоские конденсаторы, конструктивно состоящие из множества тонких обкладок, спрессованных между слоями диэлектрика в форме параллелепипеда. Такие модели можно представить себе в виде стопки пластин, образующих множество пар обкладок, соединённых параллельно.

В качестве диэлектриков применяют:

• бумагу;
• полипропилен;
• тефлон;
• стекло;
• полистирол;
• органические синтетические плёнки;
• эмаль;
• титанит бария;
• керамику и различные оксидные материалы.

Отдельную группу составляют изделия, у которых одна обкладка выполнена из металла, а в качестве второй выступает электролит. Это класс электролитических конденсаторов (пример на рисунке 3 ниже). Они отличаются от других типов изделий большой удельной ёмкостью. Похожими свойствами обладают оксидно-полупроводниковые модели. Второй анод у них – это слой полупроводника, нанесённый на изолирующий оксидный слой.

Рис. 3. Конструкция радиального электролитического конденсатора

Электролитические модели, а также большинство оксидно-полупроводниковых конденсаторов имеют униполярную проводимость. Их эксплуатация допустима лишь при наличии положительного потенциала на аноде и при номинальных напряжениях. Поэтому следует строго соблюдать полярность подключения упомянутых радиоэлектронных элементов.

На корпусе такого прибора обязательно указывается полярность (светлая полоска со значками «–», см. рис. 4) или значок «+» со стороны положительного электрода на корпусах старых отечественных конденсаторов.

Рисунок 4. Обозначение полярности выводов

Срок службы электролитического конденсатора ограничен. Эти приборы очень чувствительны к высоким напряжениям. Поэтому при выборе радиоэлемента старайтесь, чтобы его рабочее напряжение было значительно выше номинального.

Свойства

Из описания понятно, что для постоянного тока конденсатор является непреодолимым барьером, за исключением случаев пробоя диэлектрика. В таких электрических цепях радиоэлемент используется для накопления и сохранения электричества на его электродах. Изменение напряжения происходит лишь в случаях изменений параметров тока в цепи. Эти изменения могут считывать другие элементы схемы и реагировать на них.

В цепях синусоидального тока конденсатор ведёт себя подобно катушке индуктивности. Он пропускает переменный ток, но отсекает постоянную составляющую, а значит, может служить отличным фильтром. Такие радиоэлектронные элементы применяются в цепях обратной связи, входят в схемы колебательных контуров и т. п.

Ещё одно свойство состоит в том, что переменную емкость можно использовать для сдвига фаз. Существуют специальные пусковые конденсаторы (рис.5), применяемые для запусков трёхфазных электромоторов в однофазных электросетях.

Рис. 5. Пусковой конденсатор с проводами

Основные параметры и характеристики

Ёмкость.

Важным параметром конденсатора является его номинальная ёмкость. Для плоского конденсатора справедлива формула:

С = (ε*ε₀*S) / d,

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, S – размеры обкладок (площадь пластин), d – расстояние между пластинами (обкладками).

Реальная емкость отдельных элементов обычно невелика, но можно получить конструкцию ёмкостью в несколько фарад, если параллельно соединить огромное число обкладок. В этом случае реальная ёмкость равняется сумме всех ёмкостей обкладок.

Максимальные емкости некоторых конденсаторов могут достигать нескольких фарад.

Удельная ёмкость.

Величина, характеризующая отношение ёмкости к объёму или к массе радиодетали. Данный параметр важен в микроэлектронике, где размеры деталей очень важны.

Номинальное напряжение.

Одной из важных электрических характеристик является номинальное напряжение – значение максимальных напряжений, при которых конденсатор может работать без потери значений других его параметров. При превышении критической величины равной напряжению пробоя происходит разрушение диэлектрика. Поэтому номинальное напряжение подбирают заведомо большее любых возможных максимальных амплитуд синусоидального тока в цепи конденсатора.

Существуют характеристики, такие как тангенс угла потерь, температурный коэффициент ёмкости, сопротивление утечки, диэлектрическая абсорбция и др., которые интересны только узким специалистам, а их параметры можно узнать из специальных справочников.

Классификация

Основные параметры конденсаторных изделий определяются типом диэлектрика. От материала зависит стабильность ёмкости, тангенс диэлектрических потерь, пьезоэффект и другие. Исходя из этого, классификацию моделей целесообразно осуществлять именно по виду диэлектрика.

По данному признаку различают следующие типы изделий:

• вакуумные;
• с воздушным диэлектриком;
• радиоэлементы, в которых диэлектриком является жидкость;
• с твёрдым неорганическим диэлектриком (стекло, слюда, керамика). Характеризуются малым током утечки;
• модели с бумажным диэлектриком и комбинированные, бумажно-плёночные;
• масляные конденсаторы постоянного тока;
• электролитические;
• категория оксидных конденсаторов, к которым относятся оксидно-полупроводниковые и танталовые конденсаторы;
• твёрдотельные, у которых вместо жидкого электролита используется органический полимер или полимеризованный полупроводник.

В твёрдотельных моделях срок службы больший, чем у жидко-электролитических и составляет около 50 000 часов. У них меньшее внутренне сопротивление, то есть ЭПС почти не зависит от температуры, они не взрываются.

Классифицируют изделия и по другому важному параметру – изменению ёмкости. По данному признаку различают:

• постоянные конденсаторы, то есть те, которые имеют постоянную емкость;
• переменные, у которых можно управлять изменением ёмкости механическим способом либо с помощью приложенного напряжения (варикапы и вариконды), а также путём изменения температуры (термоконденсаторы);
• класс подстроечных конденсаторов, которые используют для подстройки или выравнивания рабочих ёмкостей при настройке контуров, а также с целью периодической подстройки различных схем.

Все существующие конденсаторы можно условно разделить на общие и специальные. К изделиям общего назначения относятся самые распространённые низковольтные конденсаторы (см. рис. 6). К ним не предъявляют особых требований.

Рис. 6. Конденсаторы общего назначения

Все остальные ёмкостные радиоэлементы принадлежат к классу специального назначения:

• импульсные;
• пусковые;
• высоковольтные (см. рис. 7);
• помехоподавляющие,
• дозиметрические и др.;

Изображённые на фото устройства могут работать в высоковольтных цепях сравнительно низкой частоты.

Маркировка

Для маркировки отечественных изделий применялась буквенная система. Сегодня распространена цифровая маркировка. В буквенной системе применялись символы:

• К – конденсатор;
• Б, К, С, Э и т. д – тип диэлектрика, например: К – керамический, Э – электролитический;
• На третьем месте стоял символ, обозначающий особенности исполнения.

В данной системе маркировки иногда первую букву опускали.

В новой системе маркировки на первом месте может стоять буква К, а после неё идёт буквенно-цифровой код. Для обозначения номинала, вида диэлектрика и номера разработки используют цифры. Пример такой маркировки показан на рисунке 8. Обратите внимание на то, что на корпусе электролитического конденсатора обозначена полярность включения.

• Ёмкость от 0 до 999 пФ указывают в пикофарадах, например: 250p:
• от 1000 до 999999 пФ – в нанофарадах: n180;
• от 1 до 999 мкФ – в микрофарадах: 2μ5;
• от 1000 до 999999 мкФ – в миллифарадах: m150;
• ёмкость, больше значения 999999 мкФ, указывают в фарадах.

Обозначение на схемах

Каждое семейство конденсаторов имеет своё обозначение, позволяющее визуально определить его тип (см. рис. 9).

Рис. 9. Обозначение на схемах

Соединение конденсаторов

Существует два способа соединения: параллельное и последовательное. При параллельном соединении общая ёмкость равна сумме ёмкостей отдельных элементов: С_общ. = С₁ + С₂ + … + С_n.

Для последовательного соединения расчёт ёмкости рассчитывается по формуле: C_общ. = ( C₁* C₂ *…* C_m ) / ( C₁ + C₂+…+C_n )

Чтобы быстро посчитать общую емкость соединенных конденсаторов лучше воспользоваться нашими калькуляторами:

Применение

Конденсаторы применяются почти во всех областях электротехники. Перечислим лишь некоторые из них:

• построение цепей обратной связи, фильтров, колебательных контуров;
• использование в качестве элемента памяти;
• для компенсации реактивной мощности;
• для реализации логики в некоторых видах защит;
• в качестве датчика для измерения уровня жидкости;
• для запуска электродвигателей в однофазных сетях переменного тока.

С помощью этого радиоэлектронного элемента можно получать импульсы большой мощности, что используется, например, в фотовспышках, в системах зажигания карбюраторных двигателей.

История конденсаторов часть 2: современная эра

В начале истории конденсаторов они использовались в основном для получения первых представлений об электричестве, ещё даже до того, как были открыты электроны. Это было время для публичных демонстраций достижений науки, например, в виде держащихся за руки людей, через которых пропускали ток конденсатора. Современная эра развития конденсаторов начинается в конце 18-го века, когда началось практическое применение электричества, потребовавшее изготовления конденсаторов с определёнными свойствами.

Лейденские банки

Маркони с передающим аппаратом

Одним из примеров практического использования стали искровые трансмиттеры, появившиеся до 1900 года и существовавшие в первом и втором десятилетиях. Трансмиттеры набирали большое напряжение для разряда через зазор, и потому с этой целью использовались керамические конденсаторы, которые могли выдержать такое напряжение. Кроме того, для этого требовалась высокая частота. Это были, по сути, лейденские банки, и для получения нужной ёмкости им требовались большие размеры.

Слюда

В 1909 году Уильям Дубилье [William Dubilier] изобрёл слюдяные конденсаторы меньшего размера, которые использовались на принимающей стороне в резонансных контурах беспроводного оборудования.

Ранние слюдяные конденсаторы представляли собою слои слюды и медной фольги, сжатые вместе в «пакетные слюдяные конденсаторы». Они были ненадёжными, и из-за того, что между слоями слюды и фольги оставались воздушные зазоры, были подвержены коррозии и окислению, а расстояние между пластинами могло меняться, что приводило к изменениям ёмкости.

В 1920-х были разработаны слюдяные конденсаторы с применением серебра, в которых слюда была с обеих сторон заключена в металл, что устраняло воздушные зазоры. Благодаря тонкому металлическому покрытию их размер можно было уменьшить, и они были очень надёжными. Конечно, развитие не остановилось на этом. Давайте рассмотрим историю современных конденсаторов, отмеченную рядом прорывов, следовавших один за другим.

Керамика

Многослойные керамические конденсаторы вокруг микропроцессора

В 1920-х слюды в Германии было мало, и там экспериментировали с новыми поколениями керамических конденсаторов. Было обнаружено, что у рутила (диоксида титана) ёмкость линейно зависит от температуры, и они могут заменить слюдяные конденсаторы. Их сначала производили в небольших количествах, а затем более крупными партиями в 1940-х. Они состояли из дисков, покрытых с двух сторон металлом.

Для увеличения ёмкости использовалась ещё одна разновидность керамики, титанат бария, и у неё диэлектрическая постоянная была в 10 раз выше, чем у слюды или диоксида титана. Но электрически параметры у неё были менее стабильными, и в результате её можно было использовать вместо слюды только там, где не требовалось надёжности. После Второй Мировой этот недостаток был исправлен.

Начавшая работу в 1961 году американская компания представила многослойный керамический конденсатор (multi-layer ceramic capacitor, MLCC), у которого размеры были меньше, а ёмкость – больше. К 2012 году ежегодное производство MLCC из титаната бария достигало уже 10 12 штук.

Алюминиевые электролитические

Электролитический конденсатор

В 1890-х Чарльз Поллак открыл, что слой оксида на алюминиевом аноде проявляет стабильность в нейтральной или щелочной среде, и получил в 1897 году патент на алюминиевый электролитический конденсатор с бурой. Первые «мокрые» электролитические конденсаторы» появились в радиоприёмниках в 1920-х, но их срок жизни был ограничен. «Мокрыми» их называли из-за содержания воды. Это была ёмкость с металлическим анодом, погружённым в раствор буры или другого электролита, растворённого в воде. Внешняя часть контейнера служила второй пластиной. Их использовали в телефонных АТС для уменьшения шума реле.

Патент на предка современного электролитического конденсатора был заявлен в 1925 году Сэмюэлем Рубеном. Он сделал бутерброд из гелеобразного электролита, расположенного между анодом, покрытым оксидом, и второй пластиной из металлической фольги, устранив необходимость в контейнере с водой. В результате получился «сухой» электролитический конденсатор. Всё это серьёзно уменьшило размер и стоимость конденсаторов.

В 1936-м компания Cornell-Dubilier представила свои алюминиевые электролитические конденсаторы, в которых были такие улучшения, как загрубление поверхности анода, помогавшее увеличить ёмкость. Компания Hydra-Werke, принадлежавшая AEG, примерно в то же время начала их массовое производство в Берлине.

После Второй Мировой быстрое развитие технологий радио и телевидения привело к увеличению производства конденсаторов и разнообразия их стилей и размеров. Среди улучшений были уменьшение утечек тока и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), увеличение температурных рамок и срока службы благодаря использованию новых органических электролитов. Дальнейшие разработки в 1970-1990-х годах продолжили эту тенденцию, уменьшая утечки, ESR и увеличивая рабочие температуры.

В начале 2000-х годов случилась т.н. «конденсаторная чума», из-за того, что производители использовали для изготовления конденсаторов украденный рецепт электролита, который оказался неполным. Отсутствие стабилизирующих компонентов приводило к раннему выходу конденсаторов из строя.

Танталовые электролитические

Танталовый конденсатор поверхностного размещения

Танталовые электролитические конденсаторы впервые начали изготавливать для военных нужд в 1930-х. Они использовали закрученную танталовую фольгу и жидкий электролит. В 1950-х в Bell Laboratories изготовили первый танталовый конденсатор с твёрдым электролитом. Они растирали тантал в порошок и спекали его в цилиндр. Сначала использовались жидкие электролиты, но потом было обнаружено, что диоксид марганца можно использовать в качестве твёрдого электролита.

И хотя основные изобретения были сделаны в Bell Labs, в 1954-м Sprague Electric Company улучшила процесс изготовления, и начала производить первые коммерчески доступные танталовые конденсаторы с твёрдым электролитом.

В 1975 появились полимерные танталовые электролитические конденсаторы с гораздо большей проводимостью. В них проводящие полимеры заменяли диоксид марганца, что приводило к уменьшению ESR. NEC выпустили полимерный танталовый конденсатор в 1995 году для поверхностного монтажа, а в 1997 за ними последовала и Sanyo.

Стоимость танталовой руды на рынке нестабильна, и пару раз скачки уже случались – в 1980 и в 2000/2001 годах. Последний скачок привёл к разработке ниобиевых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца, свойства которых были примерно сравнимы с танталовыми.

Полимерная плёнка

Конденсаторы на полимёрной плёнке

Конденсаторы на металлизированной бумаге были запатентованы в 1900-м году Г.Ф. Мэнсбриджем [G.F. Mansbridge]. Металлизировали бумагу, покрывая её связующим веществом, содержавшим частички металла. В начале 1900-х их активно использовали как развязывающие конденсаторы в телефонии. Во время Второй мировой Bosch улучшила процесс и производила их, покрывая бумагу лаком, который затем покрывался металлом путём вакуумного напыления. В 1954-м Bell Labs изготовили металлизированную лаковую плёнку толщиной 2,5 мкм отдельно от бумаги, что позволило создавать конденсаторы ещё меньшего размера. Этот конденсатор можно считать первым полимерным.

Исследования пластика, проводимые специалистами по органической химии во время Второй мировой, привели к развитию этой темы. Одним из них в 1954 году стал первый майларовый конденсатор. Торговую марку «майлар» в 1952 году представила компания Dupont, и это был очень прочный полиэтилентерефталат (PET), плёнка на основе синтетического полиэфирного волокна. В 1954 был произведён конденсатор на майларовой плёнке толщиной 12 мкм. К 1959 году список включал конденсаторы, сделанные при помощи полиэтилена, полистирена, политетрафторэтилена (PTFE), PET и поликарбоната. К 1970-м в электронных устройствах использовались конденсаторы из плёнки и фольги без бумаги.

Двойные (суперконденсаторы)

Суперконденсаторы

И вот история приводит нас к последнему типу конденсаторов, и очень интересному, поскольку их ёмкость измеряется уже в тысячах фарад. В начале 1950-х исследователи в General Electric использовали свои наработки в области топливных ячеек и перезаряжаемых батарей для экспериментов с конденсаторами с пористыми электродами из углерода. Это привело к патенту Беккера на «Электролитический конденсатор низкого напряжения с пористыми углеродными электродами». GE не стала заниматься дальнейшими разработками, но заложенные в патент принципы привели к созданию конденсаторов очень высокой ёмкости.

Компания Standard Oil из Огайо разработала ещё одну их версию, и в итоге продала в 1970-х лицензию компании NEC, которая довела их до коммерческого варианта под торговой маркой «суперконденсатор». Они работали с напряжением в 5,5 В и имели ёмкости до 1 Ф. Они достигали объёма в 5 куб.см. и использовались в качестве резервного источника питания для компьютерной памяти.

Профессор Брайан Эванс Конвэй из Оттавского университета работал над электрохимическими конденсаторами из оксида рутения с 1975 по 1980 годы. В 1991 он описал разницу между суперконденсаторами и батареями в электрохимическом хранении заряда, а полностью описал различия в 1999 году, снова введя в оборот термин «суперконденсатор».

Продукты и рынки для суперконденсаторов постепенно появлялись. Известные торговые марки – это Goldcaps, Dynacap и PRI Ultracapacitor, последняя из которых связана с первыми суперконденсаторами, обладающими небольшим внутренним сопротивлением, разработанными в 1982 году компанией Pinnacle Research Institute (PRI) для нужд военных.

Относительно свежие разработки на рынке включают литий-ионные конденсаторы, в которых аноды из активированного угля покрываются ионами лития. Их ёмкость составляет тысячи фарад при напряжении в 2,7В.

Производство многослойных керамических конденсаторов: оборудование и технология

Многослойные керамические конденсаторы (Multi-Layer Ceramic Capacitor, MLCC) представляют собой монолитные устройства, состоящие из слоев диэлектрических материалов в сочетании с системой металлических электродов. Это слоистое образование выпекается при высокой температуре для изготовления высокоэффективного электропроводного устройства. Затем соединение устанавливается путем интеграции проводящей барьерной системы на открытых концах чипа. Многослойные керамические конденсаторы показывают высокочастотные характеристики, предлагают чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и вместе с тем являются очень надежными.

Для описания свойств многослойных керамических конденсаторов используется множество различных характеристик и параметров. Ниже приведены основные и наиболее важные из них:

• Номинальная емкость/Capacitance value (пФ/нФ/мкФ). Является основным параметром керамического многослойного конденсатора;
• Рабочее напряжение/Rated voltage (В). Характеризует постоянное напряжение, которое может быть приложено к конденсатору без потери его эксплуатационных свойств во всем диапазоне рабочих температур;
• Параллельное сопротивление (Rp). Характеризует сопротивление поверхности керамического многослойного конденсатора и сопротивление самого диэлектрика;
• Последовательное сопротивление (Rs). Характеризует сопротивление контактов и выводов компонента;
• Последовательная индуктивность (L). Определяется индуктивностью выводов и внутренней индуктивностью конденсатора;
• Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ. Потери в конденсаторе характеризуют с помощью tgδ, который определяет отношение между активной и реактивной составляющей импеданса керамического многослойного конденсатора;
• Эффект смещения при постоянном токе (DC-bias). Представляет собой зависимость величины емкости от приложенного напряжения.

По типу используемого электрода многослойные керамические конденсаторы делятся на две группы:

• многослойные керамические конденсаторы с использованием электродов из благородных металлов (PME);
• многослойные керамические конденсаторы с использованием электродов из неблагородных металлов (BME).

Керамические конденсаторы с электродами из неблагородных металлов (BME) имеют широкое распространение на мировом рынке электронных компонентов, однако на территории Российской Федерации производители BME на данный момент отсутствуют.

Основная мировая тенденция в отрасли производства керамических конденсаторов с электродами из неблагородных металлов заключается в вытеснении конденсаторов с электродами из благородных (драгоценных) металлов с рынка гражданского назначения.

По типу используемого диэлектрика керамические конденсаторы можно поделить на два класса:

• Класс 1 – конденсаторы с высокостабильным диэлектриком, имеющим высокую добротность, линейную температурную зависимость (диэлектрическая проницаемость εr меняется от 6 до 550). Конденсаторы такого типа применяются во времязадающих цепях и фильтрах, где основными требованиями являются низкие потери, высокая стабильность емкости и других параметров.
• Класс 2 – конденсаторы с более высоким уровнем потерь и нелинейной зависимостью εr. Конденсаторы такого типа используются как разделительные и блокировочные конденсаторы.

Многослойные керамические конденсаторы применяются практически во всех отраслях электроники. Для ряда отраслей критично иметь большие размеры компонентов, например, в высоковольтных схемах; но вместе с тем, анализ рынка продаж показывает, что существует четкая и уверенная тенденция к миниатюризации.

Технология производства многослойных керамических конденсаторов

Ниже представлено описание технологического процесса производства многослойных керамических конденсаторов.

Этап I. Конденсаторный материал взвешивают на весах, сушат до постоянной массы в сушильном шкафу, просевают через механическое сито и подают на приготовление керамического шликера в барабанную мельницу.

Этап II. Для приготовления шликера в мельницу загружают спирты (этиловый и бутиловый), пластификатор, раствор поливинилбутираля (ПВБ). В реактор загружают остальное количество растворителей и пленкообразователя и перемешивают для получения раствора пленкообрзователя. Затем суспензию керамического материала из мельницы смешивают с раствором пленкообразователя в реакторе, снабженным турбинной скоростной мешалкой и водяной рубашкой, до образования шликера. Шликер выдерживают 10-12 часов для стабилизации и вакуумирования в специальном кюбеле, проверяют его вязкость, а затем заливают в емкость с фильерой и закрепляют в литьевой машине.

Этап III. Для литья пленки в основном используется метод литья через плавающую фильеру на металлическую движущуюся подложку. Керамическая пленка в литьевой машине подсушивается воздухом, нагретым до температуры 7З-80 о С, а затем она вместе с подложкой сворачивается в рулон и выдерживается 1–1,5 суток. Затем происходит отделение керамической пленки от подложки и визуальный контроль пленки на столе с подсветкой. Проверяется наличие видимых дефектов: складок и инородных включений.

Этап IV. Одновременно с формированием внутренних электродов в литьевой машине происходит сборка группового пакета конденсаторов, состоящего по периферии из 5–7 холостых слоев с двух сторон и 25–35 металлизированных слоев. Линия металлизации паст состоит из печатающего устройства, транспортной ленты, пресса и сушильного транспортера.

Этап V. Далее пакет прессуют на гидравлическом прессе. Прессование осуществляют в 4 этапа: вакуумирование перед сжатием; прессование малым давлением; дегазация пакета; прессование при температуре 50-90 о С и давлении 60–170 кг/см 2 .

Этап VI. Далее пакеты разрезают (рубят) на отдельные заготовки конденсаторов на резальной (рубочной) машине.

Отдельную небольшую партию заготовок пропускают по технологическому циклу до конца и затем проверяют у них электрофизические параметры. Это делается с целью оценки годности заготовок конденсаторов для дальнейших операций.

Этап VII. Заготовки конденсаторов проходят операцию утильного обжига в низкотемпературной печи при подъеме температуры с определенной скоростью до 350-400 о С, выдержке при максимальной температуре 24 часа и последующем охлаждении. Общее время утильного обжига 48 часов.

Этап VIII. Затем осуществляют мокрую галтовку заготовок конденсаторов в барабане, куда загружают мелющие тела, продолжительность 15–35 мин. Это делается с целью придания нужной шереховатости поверхности заготовки для последующего лучшего совмещения наружной металлизации с поверхностью конденсатора.

Этап IX. Окончательное спекание и формирование керамического монолита и контакта внутреннего электрода с керамикой осуществляется в камерной садочной печи (поз. 16). Максимальная температура спекания (1100–1350 о С) зависит от состава конденсаторного материала. Продолжительность спекания 48 ч.

Этап X. Затем методом трафаретной печати на торцы остальных заготовок конденсаторов наносят наружные электроды (поз. 18–21). Материал наружных электродов – серебро, или серебро-палладий (95/5). Вжигание наружных электродов осуществляют в туннельной печи (поз. 22) при максимальной температуре 780–800 о С.

Этап XI. Далее конденсаторы проходят сортировку по емкости, лазерную маркировку, проверку электропараметров, приемосдаточные испытания ОТК и ПЗ, упаковку и отгрузку на склад готовой продукции.