最强最深入的电容讲座实战篇.docx
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最强最深入的电容讲座实战篇
本文作者万鹏简介：
95年开始接触显卡，97年开始在《电脑报》、《微型计算机》上发表文章，99年进入耕宇公司，目前任职耕宇公司市场部，PCPOP技术顾问。
曾用笔名：
ECLIPSE、INTENSE、万大善人。
假如您还没阅读过本文的上篇，那么我们强烈推荐您先阅读一遍：
会攒机不叫DIY，迄今为止最深入的电容剖析。
小地：
万鹏你好，在上次的文章当中，我们了解了电容的构造、原理、阴极和阳极的分类，并且对如今性能最优秀的电解电容——固体聚合物导体电容进行了详尽的剖析。
而这次，我们要谈些什么呢？
万鹏：
假如说上次我们所讲的内容，都是以理论为主的话，那么这次我们要谈的则更加的实际——这包括电容的制造过程、电容的寿命以及不同品牌、不同型号电容的性能特点。
在本章节我们首先讲一讲贴片铝电解液电容的制造方法，贴片铝电解液电容是如今的显卡上最常见的电容之一。
大家看完本章后，就能明白这种电容是如何从原材料变成现在的模样了。
事实上其它种类的贴片电解电容，例如铝固体聚合物电容的制造方法也和它类似，只是阴极采用的材料不是电解液，而是固体聚合物等等。
贴片铝电解液电容是显卡上最常见的电容
贴片铝电解液电容的制造过程包括九个步骤，我们就按顺序逐一为大家讲解：
第一步：
铝箔的腐蚀。
假如拆开一个铝电解液电容的外壳，你会看到里面是若干层铝箔和若干层电解纸，铝箔和电解纸贴附在一起，卷绕成筒状的结构，这样每两层铝箔中间就是一层吸附了电解液的电解纸了。
因此首先我们谈谈铝箔的制造方法。
为了增大铝箔和电解质的接触面积，电容中的铝箔的表面并不是光滑的，而是经过电化腐蚀法，使其表面形成凹凸不平的形状，这样能够增大7~8倍的表面积。
普通铝箔一平方米的价格在10元人民币左右，而经过这道工艺之后，它的价格将升到40~50元/平米。
电化腐蚀的工艺是比较复杂的，其中涉及到腐蚀液的种类、浓度、铝箔的表面状态、腐蚀的速度、电压的动态平衡等等。
我们国家目前在这方面的制造工艺还不够成熟，因此用于制造电容的经过电化腐蚀的铝箔目前还主要依赖进口。
第二步：
氧化膜形成工艺。
铝箔经过电化腐蚀后，就要使用化学办法，将其表面氧化成三氧化二铝——也就是铝电解电容的介质。
在氧化之后，要仔细检查三氧化二铝的表面，看是否有斑点或者龟裂，将不合格的排除在外。
第三步：
铝箔的切割。
这个步骤很容易理解。
就是把一整块铝箔，切割成若干小块，使其适合电容制造的需要。
第四步：
引线的铆接。
电容外部的引脚并不是直接连到电容内部，而是通过内引线与电容内部连接的。
因此，在这一步当中我们就需要将阳极和阴极的内引线，与电容的外引线通过超声波键合法连接在一起。
外引线通常采用镀铜的铁线或者氧化铜线以减少电阻，而内引线则直接采用铝线与铝箔直接相连。
大家注意这些小小的步骤无一不对精密加工要求很高。
第五步：
电解纸的卷绕。
电容中的电解液并非直接灌进电容，呈液态浸泡住铝箔，而是通过吸附了电解液的电解纸与铝箔层层贴合。
这当中，选用的电解纸与普通纸张的配方有些不同，是呈微孔状的，纸的表面不能有杂质，否则将影响电解液的成分与性能。
而这一步，就是将没有吸附电解液的电解纸，和铝箔贴在一块，然后卷进电容外壳，使铝箔和电解纸形成类似“101010”的间隔状态。
第六步：
电解液的浸渍。
当电解纸卷绕完毕之后，就将电解液灌进去，使电解液浸渍到电解纸上。
随着电解液配方的改进以及电解纸制造技术的提升，如今铝电解液电容的ESR值也逐渐得以提升，变成以前的若干分之一。
第七步：
装配。
这一步就是将电容外面的铝壳装配上，同时连接外引线，电容到这时已经基本成型了。
第八步：
卷边。
如果是那种“包皮”电容，就需要经过这一步，将电容外面包覆的PVC膜套在电容铝壳外面。
不过如今使用PVC膜的电容已经越来越少，主要原因在于这种材料并不符合环保的趋势，而和性能表现没有太大关系。
第九步：
组合装配。
如果是直插封装，就不需要经过这步
这是贴片铝电解电容制造的最后一步。
这一步就是将SMT贴片封装工艺所需要的黑色塑料底板元件装在电容底部。
对元件的要求，首先是密封效果要好；第二是耐热性能要好；第三还要具备耐化学性，不能和电容内部的电解液一类物质产生化学反应。
这块小塑料板叫做“端子板”，其制造精度要求是非常高，因为一旦大小不合适，要么影响电容的密封性（过小），或者阻挡PCB上电容附近其它元件的装配（过大）。
万鹏：
显卡上除了常见的贴片铝电解液电容外，偶尔还会出现比其更加高档的钽二氧化锰电容，也就是我们熟悉的钽电容。
钽二氧化锰电容的外观呈立方体，体积较小，与体积相对偏大，且外观为圆筒状的铝电解液电容截然不同。
不仅是外观，钽二氧化锰电容的内部结构也和铝电解液电容不一样。
那么，这种电容又是如何制造出来的呢？
钽电容是“高档的象征”
可以说将二氧化锰作为阴极的钽二氧化锰电容的制造过程，比将固体聚合物作为阴极的电容还要复杂。
因为PPY和PEDT这类固体聚合物，只需要直接放置入电容内部，而钽二氧化锰电容内部的二氧化锰，由于溶解性较差，熔点较高，无法预先紧密贴合，所以只能用硝酸锰热分解生成。
制造钽电容首先需要高纯度的钽粉。
其纯度至少应该在99.9%以上，目前这方面能达到的最高工艺是99.9999%。
首先，将钽粉和有机溶剂掺杂在一起，按照一定的形状加压成形，同时埋入钽引线。
然后，在2000度以上的真空高温环境下，将掺杂有机溶剂的钽粉在真空中进行烧结变成类似于海绵的状态，同时和引线真正地融合在一起。
（一定要保证真空环境，杜绝氧气，因为钽的熔点非常高，低于2000度无法熔化，而在2000度时，钽会和氧气发生剧烈反应，也就是爆炸所以一定不能有氧气混入）
接下来就要把烧结以后的海绵状的钽进行氧化而得到介质——五氧化二钽。
这一步是将海绵状的钽，泡在磷酸溶液里面电解，氧化后表面即生成五氧化二钽。
五氧化二钽的介电常数非常高，在27左右，性能高于铝电解电容的三氧化二铝介质（介电常数7左右）。
然后就是阴极材质——二氧化锰的生成。
这一环节，是将液态的硝酸锰加入钽块，然后将其在水蒸汽（催化剂）环境中进行热分解，分别成二氧化锰与二氧化氮。
为了使氧化膜能够真正完全黏附在二氧化锰上，这道工序要进行好几次（掺入，分解，再掺入……）。
硝酸锰吸附性好，生成的二氧化锰可以完全吸附在海面状钽块内部的无数个小孔当中。
假如这里直接使用固体的二氧化锰，就无法达到这种效果，这就是为什么二氧化锰只能在制造过程中得到的原因。
假如使用PPY/PEDT等固体聚合物，因其溶点很低，就可以直接将其熔解然后放进去。
最后要将银粉和石墨涂在二氧化锰的表面上，减少它的ESR，增强它的导电性。
这一步骤看似简单，但实际也非常重要。
尤其是涂层的厚薄要均匀，密度要大，否则对降低ESR帮助不大。
另外使用PPY/PEDT做阴极的时候，也同样要施行这一道工序。
此过程也要反复进行好多遍才可以
如此这般，钽二氧化锰电容内部的那颗“芯”就已经制作完成了。
对于一些LOWESR的高档钽二氧化锰/钽固体聚合物电容而言，厂商往往会先做好几个“芯”，然后将其并联在一起，封装成一个电容，这样其ESR值会很低，性能更加出色，当然价格也不便宜。
最后就是一些安装的工序。
首先加入外引线，然后用环氧树脂进行封装。
钽电容从外观上看一般有黄色和黑色两种，而它们都是环氧树脂。
环氧树脂的绝缘性、机械强度、耐湿性很好，比使用铝作为外壳的失效性更低。
不过铝电容也可以使用环氧树脂封装，这种铝电容的外观和钽电容是差不多的，这我们在上一篇文章里已经提到过，因此大家不能单凭外观来判断电容的阳极材质。
陶瓷电容经常出现在CPU、GPU等高频设备上
有一些朋友分不清钽电容和陶瓷电容有什么区别。
其实很简单，钽电容的外壳，采用的是不导电的环氧树脂，而陶瓷电容的外壳采用的则是导电的金属。
电子设备中看似最简单的电容，竟然也有那么多道工序，而且制造工艺那么考究，真是让人惊叹。
大家以后可不要小看了电容。
在熟知电容的制造全过程，了解了电容的基本构造和原理之后，我们就将面临一个新的问题——如何从参数上判断电容品质的好坏？
只有掌握了这一方法，我们才能以不变应万变，即使对电容的种类和品牌本身不了解，也能通过几个参数迅速判断出其性能档次。
关于电容的参数，我们将其分为“看得到的”和“看不到的”。
所谓“看得到的”，就是印在电容表面的一些基本参数，这些参数在我们看到一颗电容之后往往可以直接得知。
例如电容的容量（比如“470μF”等等）、容量偏差范围、耐温范围、电压值（比如“16V”）。
所谓“看不到的”参数，就是我们需要根据电容的型号来查询的参数。
例如我们常说的ESR值，如今已成为区别电容性能的重要参数，而我们在电容上是看不到这个参数的，我们得去相关的网站通过电容的型号来查询。
类似的参数还有不少，其中包括如下一些：
1.ESR值；
2.能够耐受的涟波电流值；
3.温度特性；
4.损耗角的正切（TAN），相当于无功功率和有功功率的比值，这个值跟电容的品质以及发热量有关系，这个值越小电容性能越好。
5.漏电流值：
无论绝缘体多大，总是会有细微的电流漏过电容，这个值则代表具体漏过的多少。
此外，ESL特性也是电容的性能指标之一。
但是随着电容技术的发展，现在的高档电解电容，其ESL特性一般都很好，到10MHz、20MHz以上的时候往往才能体现出区别，因此也就失去了比较的意义。
首先来说ESR。
ESR是高频电解电容里面最重要的性能参数，很多电子元器件都强调“LOWESR”这一性能特征，也就是ESR值很小的意思。
那么，我们如何正确理解LOWESR的实际意义呢？
由于现在电子技术的发展，供应给硬件的电压正呈现越来越低的趋势，例如INTEL、AMD的最新款CPU，电压均小于2V，相比以前动辄3、4V的电压要低得多。
但是，另一方面这些芯片由于晶体管和频率爆增，需求的功耗却是有增无减，因此按P=UI的公式来计算，这些设备对电流的要求就越来越高了。
例如两颗功耗同样是70W的CPU，前者电压是3.3V，后者电压是1.8V。
那么，前者的电流就是I=P/U=70W/3.3V大约在21.2A左右。
而后者的电流就是I=P/U=70W/1.8V=38.9A，达到了前者的近一倍。
在通过电容的电流越来越高的情况下，假如电容的ESR值不能保持在一个较小的范围，那么就会产生比以往更高的涟波电压（理想的输出直流电压应该是一条水平线，而涟波电压则是水平线上的波峰和波谷）。
此外，即使是相同的涟波电压，对低电压电路的影响也要比在高电压情况下更大。
例如对于3.3V的CPU而言，0.2V涟波电压所占比例较小，还不足以形成致命的影响，但是对于1.8V的CPU而言，同样是0.2V的涟波电压，其所占的比例就足以造成数字电路的判断失误。
那么ESR值与涟波电压的关系何在呢？
我们可以用以下公式表示：
V=R（ESR）×I
这个公式中的V就表示涟波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。
可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，涟波电压也会成倍提高，采用更低ESR值的电容是势在必行。
这就是为什么如今的板卡等硬件设备上所用的电容，越来越强调LOWESR的缘故。
上图就是一个典型的滤波电路，这种电路也被应用在如今的显卡上。
其中的SWIC相当于显卡上的开关电源，将输入的5V直流电转换为核心或者显存需要的3.3V直流电。
而电路的L/C部分则构成电路的低通滤波器，目的就是尽量滤去直流电中的涟波电压。
而上图的表格则表明了，在L/C部分使用不同种类电容的情况下，这个电路中涟波电压的表现情况。
可以看出，具有LOWESR性能的铝固体聚合物导体电容（左边），其消除涟波电压的性能最强，钽二氧化锰电容（右边）性能次之，铝电解液电容（中间）表现最差。
同时最后的数值还将受温度影响，这点我们还将在后面详细说明。
容的性能并非一成不变，而是会受到环境的影响，而对电容影响最大的就是温度。
而在不同种类的电容当中，采用电解液作为阴极材质的电容例如铝电解液电容，受温度影响又最为明显。
因为在不同种类的阴极，例如电解液、二氧化锰、固体聚合物导体当中，只有电解液采用离子导电方式，而其余几种均采用电子导电方式。
对于离子导电而言，温度越高，其离子活动越强，电离程度也越强。
因此，在温度不超过额定限度的前提下，电解液电容在高温状态下的性能要比低温状态下更好。
上图代表25摄氏度下，三种电容降低涟波电压的能力（电路可以以上一章节中的电路图为参考）。
其中第一个表格所使用的OSCONSVP铝固体聚合物导体电容（1颗，100μF，ESR=40毫欧姆）），第二个表格所使用的是低阻抗铝电解液电容（3颗并联），第三个表格使用的是低阻抗钽电容（2颗并联）。
从表格中可以看出，在25摄氏度的常温状态下，三者所产生的涟波电压分别是22.8/23.8/24.8mV。
也就是说，1颗铝固体聚合物导体电容，在25摄氏度下降低涟波电压的能力，大致相当于2颗钽电容和3颗铝电解液电容。
上图同样是这三种电容，同一电路，在70摄氏度下降低涟波电压的表现。
可以看出，铝固体聚合物导体电容和钽电容的性能改变都不大，依然保持在24~25mV左右，但是3颗铝电解液电容并联下的涟波电压降低到了16.4mV，这时只需要并联两颗这种电容，即可达到25摄氏度状态下的25mV左右水平，其性能提升巨大。
下面我们就要看低温环境下这三种电容的表现了。
上图是在零下20摄氏度下三种电容的成绩。
可以看出，在低温环境下，铝电解液电容的性能降低得非常厉害。
3颗并联状态下的涟波电压由25摄氏度下的23.8mV猛增到了57.6mV。
要将涟波电压降低到和25摄氏度相同的数值，需要并联7颗这种电容。
相比之下我们还能看出，铝固体聚合物导体电容和钽电容的性能，无论是在25度、70度还是-20度环境下，其波动都不大。
从以上分析我们不难看出，铝电解液电容的ESR值受温度影响是极其明显的。
上面的图表则直接画出了不同种类电容，在不同温度状态下的ESR曲线。
其中铝电解液电容（蓝色线）随温度（Y轴）的增加，ESR值（X轴）降低明显。
而铝固体聚合物导体电容（紫色线）和钽电容（绿色线）以及高档陶瓷电容（红色线）则近似于直线，其ESR值受温度影响不大。
而普通陶瓷电容（粉红线）则受温度影响较大。
这里需要说明的是，上表中用做比较的铝固体聚合物导体电容，其容量较小（只有100μF），而且ESR并不太低（40毫欧）。
如换上大容量，ESR更低的同类产品，最终性能表现将更加突出。
看到这里，我想我们应该联系一些产品实例，来谈谈温度对电容的影响，在某些时刻会有多么严重。
同时，也希望借此说明，正确合理的电容用料对于硬件产品而言是多么重要。
这个实例就是著名的耕升Ti4200显卡花屏事件。
相信资深的DIY玩家，对当时闹得沸沸扬扬的这一事件，绝对是记忆犹新！
那么，耕升Ti4200为什么会花屏？
可以说罪魁祸首就是电容。
耕升钛极4200是经典，但也是遗憾
在当时，NVIDIA公版对GF4Ti4200的要求，是使用4ns的现代DDR显存颗粒。
但是耕升为了提升显卡的超频性能，将显存换成了钰创3.5ns颗粒（后期换为3.3ns，在当时只有钰创能提供这种速度的TSOP颗粒）。
由于钰创显存颗粒对ESR值的波动，相对于现代颗粒而言特别敏感，再加上玩家要超频使用，所以为了提升显卡的稳定性，耕升特意将电容换成了阴极为固体聚合物/电解液混合型的铝电容。
但是耕升没有想到的是，虽然这种电容的ESR值很低，但是因为它的阴极是混合型的，具备电解液电容对温度敏感的特性，因此就此埋下了隐患。
钰创显存对电容ESR的极高要求是花屏原因所在
最开始Ti4200的花屏故障是在新西兰发现的，当显卡被送回气候温和的中国台湾之后，耕升工作人员发现这一现象消失了。
后来，在中国北方进入冬天之后，又陆续出现花屏故障。
最终，耕升才发现低温才是造成花屏的元凶。
最后耕升在换用SANYOSVP固体聚合物导体电容之后，才解决了这一问题。
通过这一事件，耕升也吸取了教训，投资几千万建立了低温实验室。
可以看出“对ESR要求极高的钰创显存+在低温下性能会大副降低的含有液体电解液的电容”是导致花屏的关键，假如将两者换掉其中一个，即不会出现花屏的惨剧。
其实不光是显卡，上图是数码相机的又一个实例。
当使用铝电解液电容的时候，在零下20度情况下，数码相机已几乎无法成相（右下）。
而使用固体聚合物导体电容，则在零下20度的时候依然可以正常拍摄。
随着电子设备的频率越来越高，对电容LOWESR性能要求越来越严格，未来将会有越来越多的产品可能是在低温上出问题，原因就出在电容上。
没有相应的低温检测设备的小厂，其产品可能会有很大隐患。
在电容的表面，会标明一个温度数据，例如125等等。
这个温度，代表着该电容所能承受的最高温度，在这一最高温度下，电容一般只能保证正常工作1000个小时左右。
而通过这个温度数值，我们可以使用公式计算出该电容在其它不同温度环境下的寿命。
铝固体聚合物导体电容的计算公式：
L2=L1×10^[（t1-t2）/20]（方括号内的算式结果作为10的幂，下同）
其中L2表示实际使用中电容的寿命，单位为小时、L1表示最高温度下的寿命（1000小时）、T1代表该电容所标明的最高工作温度（例如上面所说的125）、T2代表实际使用的温度（例如85度等等）。
假设一颗最高工作温度为125度的铝固体聚合物导体电容，在85度下工作，那么它的寿命，通过计算我们可以得出L2=1000x10的2次方=100000小时，也就是说大约能工作11年左右。
铝电解液电容的计算公式：
L2=L1×2^[（t1-t2）/10]
假设一颗最高工作温度为125度的铝电解液电容，在85度下工作，那么它的寿命，通过计算我们可以得出L2=1000x2的4次方=16000小时，也就是说大约只有不到2年。
假设两种电容在125度下能工作1000小时
65度
85度
125度
铝固体聚合物导体电容
L2=L1×10^[（t1-t2）/20]
约110年
（1000000小时）
约11年（100000小时）
1000小时
铝电解液电容
L2=L1×2^[（t1-t2）/10）]
约8年
（64000小时）
约2年（16000小时）
1000小时
上表列出了不同温度下，两种电容的寿命指标。
大家可以看一看温度对这两种电容的寿命的影响程度。
事实上温度对铝固体聚合物导体电容寿命影响的幅度还要更大，但由于其寿命基数大，所以绝对寿命要远超过铝电解液电容。
在对各种不同型号的电容的性能有所了解之后，我们又该如何在现实当中识别它们呢？
在消费者选购显卡、主板等产品的时候，若能快速判断其所用电容的档次，恐怕对最后下决定还是很有帮助的——尤其是那些偏重产品做工的发烧友。
SANYOCVEX系列混合型电容：
图中绿色电容为SANYOCVEX
SANYO的CVEX系列电容，其阳极为铝（本章节介绍的所有电容阳极均为铝），阴极为固体聚合物导体加电解液的混合型。
这种电容顶端一半为绿色，这是最好的识别方式。
CVEX有插件封装的，也有贴片封装的。
某些型号的表面还有“E”字样。
SANYOOSCON系列之TCNQ有机半导体电容：
紫色为TCNQ电容（SANYO）
SANYOOSCON的TCNQ全系列
SANYOOSCON系列分两种，其中一种的阴极采用TCNQ（在我们上篇文章当中对各种阴极材质的性能有详细介绍和比对，大家可以参考）有机半导体材质。
这个系列的电容均采用直插封装，电容外部有PVC塑料外皮，外皮颜色为紫色。
按性能不同，还分为“SF、SPA”等等具体型号。
SANYOOSCON系列之固体聚合物导体电容：
SANYOOSCON固体聚合物导体系列
SANYOOSCONSVP铝固体聚合物导体电容
SANYOOSCON系列中性能更好的是采用固体聚合物导体（PPY/PEDT）作为阴极材质的电容。
这种电容的外壳没有塑料皮，铝壳直接外露。
大部分采用SMT贴片封装，但是也有少数，例如图中的SEP系列是采用直插封装的。
这种电容表面并没有SANYO字样，上表面的一半为紫色，是这种电容最好的识别方式。
CHEMICON的PS系列
CHEMICON的PS系列电容同样采用固体聚合物导体（PEDT）作为阴极材质。
为了和SANYO抗衡，CHEMICON的产品往往能做到与SANYO相同的价格，更好的性能。
PS系列电容外壳上表面一半是蓝色，并可能有PS字样，电容为铝壳无塑料皮，有直插的，也有SMT贴片封装的。
图中蓝色为CHEMICONPS系列电容
以上便是在显卡和主板所常见的，阴极非电解液的高档铝电容。
由于目前全球掌握固体聚合物技术的电容厂商还不多，而用在显卡、主板上的这类高档电容更是以SANYO和CHEMICON的产品为主。
因此，我们在板卡上见到的其它铝电解电容基本都是铝电解液电容。
比如我们常见的杂牌直插“包皮电容”，以及一些铝壳上端为黑色的贴片封装电容，它们无论是性能还是价格，与以上这些电容都有着较大的差距。
NICHICON
NICHICON是日本的老牌电容厂，其成名的时间和著名的RUBYCON（红宝石）差不多。
不过它如今的水平比RUBYCON要好一些，因为NICHICON现在已经有铝固体聚合物导体电容——F55系列。
不过NICHICON电容和SANYO、CHEMICON等厂牌相比，普遍的指标都比较低，其LOWESR的最高端产品，ESR值还停留在10几毫欧姆的水平（SANYO的钽聚合物并联电容能达到5毫欧姆）。
基本上，NICHICON的进步势头已经很慢了。
SANYO
SANYO在电解电容行业里面的地位，有些像三星在数字家电行业里面的地位。
因为SANYO电容的种类和产量都是最多的，研发技术水准也是数一数二的。
单从性能上看，SANYO可能并不算最高端的品牌，但是从生产规模、供货能力、品控能力和研发水平综合评判，SANYO绝对是如今电容行业里的龙头老大。
CHEMICON
CHEMICON也是一家非常老牌的厂，近年来收购了美国陶瓷电容大厂AVX，可谓如虎添翼。
如今的CHEMICON不仅在电解电容上造诣很深，在陶瓷电容方面其技术和产品也是数一数二的。
前文我们说过，为了和SANYO竞争，CHEMICON的产品，在价格相同的前提下，其规格往往会比SANYO更高。
这有些像AMD对付INTEL的方式。
PANASONIC
这是我们熟悉的松下。
PAN
升级会员 