自從「電容器瘟疫(Capacitor Plague)」事件發生後，水性電解電容器在業界的形象就一直不佳。不過，隨著技術演進，它們現在已可滿足現代電子產品的關鍵要求，並且以聚合物混合電容器的形式成為新的替代性產品。
在本世紀初，水性電解電容器通常使用錯誤的抑制劑或鈍化劑混合物來製造，導致電解電容器出現通氣孔、橡皮塞被推出，或者因爆炸而使得元件完全被破壞，這就是所謂的電容器瘟疫。如今這些問題不再存在了。而要認識這些電容器的優勢及其為現代電子設備帶來的效益，就須要瞭解關於這些元件的基本知識。
電解電容器運作方式
與其他電容器技術相比，鋁電解電容器的一項主要優勢是：具有吸引力的實惠價格，可確保在最小的空間內實現高電容值。此外，它對過電壓不敏感，這是數據表中浪湧電壓參數突出強調的事實。鋁電解電容器的缺點則是其阻抗較高，電解液會隨時間的推移而變乾，低溫下阻抗大幅增加，以及對工作溫度的依賴性。這是由規定的元件參數決定的，而元件參數又由所使用的電解質來決定(圖1)。
圖1 電解電容器的設計
圖片來源：儒卓力
具有液態電解質的電解電容器(e-cap)基本上是由兩個由隔離紙隔開的鋁箔條所組成。電化學蝕刻可擴大陽極鋁箔的有效接觸面積。當施加電壓(成形)時，在表面上會形成一層薄薄的氧化鋁層，可充當電介質。液態或固態電解質則形成陰極，它通過第二鋁箔與外部接觸。兩個鋁箔會在預定點縫綴在一起，然後與隔離紙再纏繞在一起並浸泡在液態電解質中，以達到浸漬(Impregnation)的目的。最後，使用橡皮塞來密封帶有浸漬繞組的電容器罐(Capacitor Can)。
在設計電容器時，隨後的等效串聯電阻(ESR)值是由縫綴、所用的電解質和隔離紙決定的。
液態電解質特性比較
現今電解電容器中所使用的液態電解質形形色色，不一而足。含有乙二醇(EG)或硼酸的電解質主要是用於溫度高達85℃的中高壓電解電容器中。在這種情況下，電解質中的水含量約為5至20%。可使用抑制劑(化學抑制劑)來防止氧化鋁層受到水的負面影響。
諸如二甲基甲醯胺(DMF)、γ-丁內酯(GBL)和二甲基乙醯胺(DMA)之類的有機電解質則可在-55至+150℃的寬溫度範圍中使用。它們具有穩定的參數，例如低洩漏電流和良好的長期性能，因此可以長時間運作。這些有機電解質的含水量極低。
含水電解質的含水量可高達70%。這種高濃度具有以下優點：介電常數(介電導電率)ε=81的水具有結合極大量鹽離子的優異性能。這可帶來出色的導電率，而這會反映在極低的ESR中。相反地，與幾乎無水的傳統電解質相比，含水電解質可以實現明顯更高的紋波電流性能。此外，由於含水量高，電解質填充的材料成本也會顯著降低。
然而，它們也有一個嚴重缺點，就是水與鋁直接接觸時，會由於水合作用而發生反應。而堅固的氧化鋁層可以保護鋁。為了防止即使在損傷層出現的情況下(例如，由於生產錯誤或長期儲存)發生水合作用或腐蝕反應，可將抑制劑或鈍化劑添加到電解質中。如果未採取此一步驟，當水和鋁接觸時會形成大量的熱量和氣體(氫氣)，使電容器會受到很大的損壞，在極端情況下甚至會發生爆炸。
即使在現今，元件規格仍然會聲明，永遠不要使用水性電解電容器。但是，這項規格並沒有具體的定義，例如，定義所允許的最大含水量。此外，加入添加劑的負面影響也不再存在了，使得這類電容器成為使用壽命長或負載因數(Load Factor)高的應用的理想選擇。具有較高含水量的電解質常見於當今的低ESR類型產品，其特點是具有高紋波電流耐受性能，在105℃下的使用壽命至少為10,000小時。
特殊聚合物混合型電容器實現低ESR
如果主要目標不僅是要獲得理想的電容值，還要得到非常低的ESR，則液態電解質可以部分或完全被導電聚合物代替。這些混合型產品完全通過了AECQ200認證。它們將液態無水電解質與固態聚合物的高導電性結合在一起。為此目的，液態電解質也是部分基於聚合物的。氧化鋁層和相對的陰極箔覆有導電聚合物，隨後以固態介質的方式存在於電容器中。
聚合物的高導電性顯著改善了氧化鋁對液態電解質和陰極箔的接觸電阻。結果是：非常低的ESR和實現高紋波電流耐受性能的可能性。改善後的ESR減少了運作期間的自熱情況，而固態聚合物減少了會變乾的液態元件之比例。這就是混合型電解電容器的基本使用壽命比水性低ESR標準型要長得多的原因。與標準型一樣，Arrhenius公式(-10℃溫度=兩倍使用壽命)可用來粗略估算各種溫度下的使用壽命。
在電路中設計混合電容器時特別重要的是，其在使用壽命、頻率和溫度曲線方面的性能表現。由於使用新的電解質，這些性能會與先前的產品完全不同。
雖然ESR會隨著電解電容器在負溫度範圍內工作以及其使用壽命的增加而上升，但是相對混合類型而言其表現絕對穩定。此外，混合電容器沒有出現電容對頻率的嚴重依賴性，因為這裡的頻率變化幾乎沒有超過100kHz。
另一方面，電解電容器在20kHz時至少擊穿40%。在名義上，設計具有混合電容器的電路時，可以顯著降低總電容，同時仍然可提高其效率。小型化也是可能的，因為混合技術可以在更小的結構形狀中實現更高的紋波電流性能。
具備更好ESR/紋波電流性能 固態聚合物價格高
如果希望完全不用液態組件，可以使用固態聚合物電解電容器。在這種情況下，液態元件會被固態導電聚合物代替，這樣可以獲得更好的ESR和紋波電流性能，同時消除電解液變乾的可能性。使用壽命大致可以表示為「-20℃溫度=10倍使用壽命」。但缺點是價格高，以及相當高的洩漏電流和濕度敏感性(圖2)。
圖2 出現通氣孔和洩漏電解質的電解電容器
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由於固態聚合物會吸收水分，因此這些元件以乾燥包裝供貨，且包裝一旦開封就要依照嚴格的處理要求來使用。這些類型的產品僅在特殊情況下通過AEC-Q200認證。此外，在實際結構形狀方面，這項技術總是要在電壓和電容之間作出取捨。由於固態電解質的緣故，與電解電容器或混合型電容器一樣的良好混合程度尚無法實現。
此外，因為缺少自由氧來自我修復電介質中與生產相關的缺陷，所以固態電解電容器中的殘餘電流比混合類型中的更明顯。混合型液態電解質含有氧氣，能夠自我修復並將殘餘電流保持在標準電解電容器的水準。另外，固態電解質不能完全滲透蝕刻鋁箔的每個孔洞，這對可實現的電容數具有負面影響，同時還增加了洩漏電流。在頻率、溫度和使用壽命的穩定性方面，固態聚合物電解電容器與混合電容器旗鼓相當。
水性電解電容器不可或缺
隨著業界對ESR、結構形狀、長期穩定性和元件價格的要求越來越高，水性電解電容器已不可或缺。如果技術方面無法滿足需求，聚合物電容器可以提供替代方案。值得一提的是，混合型產品代表了性能和價格之間的出色折衷，並受惠於供應商不斷的進步發展，成為電路設計提供了兼具小型化和高效率這兩個優點的新選擇。
(本文作者任職於儒卓力)