【導讀】高耐壓、高容量的電容器被廣泛應用在開關電源等行業中，盡管經過多年的發展，高耐壓、高容量的電容器的小型化進展還是十分有限。傳統解決方案占據空間較大且較重，并且價格昂貴，這里介紹一種StackiCap方案，可有效解決這一問題。
高耐壓、高容量的電容器在開關電源中作輸入輸出濾波、儲能、尖峰吸收、DC-DC轉換、直流阻隔、電壓倍乘等等，此外，在一些應用中，尺寸和重量非常重要，需要小體積的電子元器件。
高耐壓、高容值的電容器一般通過電解電容或者薄膜電容來實現，其體積一般較大。盡管經過多年的發展，高耐壓、高容量的電容器的小型化進展還是十分有限。當前取得的進展主要在高耐壓方面，但是很難同時兼顧高容量；或者是達到高容量但是電壓一般小于50V。
為了同時獲取高耐壓和高容量，業界常見的做法是依據DSCC 87106/88011和MIL-PRF-49470的規范將多個陶瓷電容器疊加在一起，這種做法占據空間較大且較重，并且價格昂貴。因此，業內一直存在著對更輕、更小的高耐壓、高容量的電容器的需求。
多層陶瓷電容器失效機理分析
失效模式決定了設計上的局限，而多種失效模式的存在也限制了中、高耐壓電容器的容值提升。有些失效模式是外在的，如機械應力或熱應力導致的斷裂，但同時我們也需要深入探討內在失效模式，這在制造商的管控范圍之內。
多層陶瓷電容器在設計上的限制因素，隨時代的不同而發生著變化。早期多層陶瓷電容器面臨的主要限制因素，是電介質材料本身的點缺陷和雜質，這些因素影響了材料的質量和純度，如圖1，從而限制了電容器內部層數的上限和每層厚度的最小值。
圖1：電介質材料本身的點缺陷和雜質是多層陶瓷電容器設計上的限制因素之一
隨著電介質材料本身質量的提高和操作流程的改進，限制因素轉變為電介質材料本身的強度，而該因素一旦得到了解決，我們本可以預期制造出更大更厚的電容器，而不必擔心產生介質擊穿或點失效，如圖2。
圖2：介質擊穿是多層陶瓷電容器設計上的另一個限制因素
可是一種新的失效模式出現了，我們稱之為壓電應力斷裂，通常指壓電效應或者電致伸縮現象，如圖3所示。這種失效模式迄今為止仍是多層陶瓷電容制造所面臨的 限制因素。它影響大多數的鈦酸鋇二類(Class II介質，并限制了1210以上尺寸、200V以上耐壓的陶瓷電容器的容值范圍)。
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如圖3所示，斷裂通常沿著一層或兩層介質層貫穿整個電容的中部。大多數的解決方案是將多個電容器通過添加引腳進行疊加，從而在給定尺寸下提高容值，但這需 要消耗大量人力，花費較多成本，并會產生可靠性問題。另外的解決方案使用特殊電介質配方，但同時以犧牲介電常數作為代價，并影響最終可獲得的容值大小。
圖3：壓電應力斷裂是一種新的多層陶瓷電容器設計限制因素
圖4：X7R多層陶瓷電容在直流偏壓下的形變
StackiCap解決方案
StackiCap是一種應對壓電失效限制的獨石電容解決方案。其應用的專利技術GB Pat./EP2013/061918創新性地在電容器內部加入了一層壓力緩沖層，使得該電容器既可展現出多個疊加電容的性能，同時在制造和加工流程上又具備單個電容器的優點。
圖5：應對壓電失效限制的StackiCap獨石電容解決方案
壓力緩沖層使用現成的材料系統組合，并經過標準的制造流程。壓力緩沖層加在機械應力最大的一個或多個部位，從而緩解由于壓電形變而帶來的機械應力。依據目 前為止的實驗，壓力緩沖層可以將多層電容器在內部分成2段、3段或4段，從而大幅緩解內部形變帶來的機械應力，同時通過FlexiCap柔性端頭技術釋放 端頭上的機械應力，這樣我們就不需要將多個電容器進行疊加了，我們也就不需要再給電容器組裝引腳，從而方便標準化的卷帶包裝以及自動化貼裝。
圖6：“海綿”狀壓力緩沖層的截面(SEM顯微圖)
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小型化的優勢
在大幅提高容值的同時，StackiCap可實現元件尺寸的顯著縮小。以下圖片直觀地展現了StackiCa的優越性。
圖7顯示了已經研發的StackiCap的各規格產品尺寸：1812，2220，2225和3640。圖8顯示了最多5顆電容疊加的引腳電容組件，單個電容尺寸為2225，3640,5550和8060。圖9和圖10顯示了單個StackiCap電容器所能取代的電容組件。一個極端的例子是8060,1kV,470nF的電容如今可被單顆2220,1kV,470nF的StackiCap替代；3640,1kV,180nF的電容如今可被單顆1812,1kV,180nF的StackiCapTM替代，體積分別縮小到原來的1/10和1/7。
圖7：StackiCap的各規格產品尺寸：1812，2220，2225和3640
圖8：最多5顆電容堆疊的電容組件
圖9：一個StackiCap和三個StackiCap堆疊電容對比
圖10：一個3640 500V 3.3uF的StackiCap和單個8060電容及五顆3640電容堆疊的組件對比
StackiCap可靠性認證
StackiCap已通過如下可靠性測試：
（1） 壽命測試。StackiCap系列電容在125℃,1倍或1.5倍的額定電壓下持續工作1000小時。
（2） 85/85測試。StackiCap系列電容在85℃/85%RH條件下持續工作168小時。
（3） 彎板測試。StackiCap系列電容被安裝在Syfer/Knowles的測試用PCB上進行彎板測試，以評估元件的機械性能。
