一、望聞問切 — 電容問題引起主板 “ 體虛 ”
病征：直觀表現(xiàn)為液態(tài)電解電容膨脹、過熱、漏液。
致病緣由：高溫、電解電容用料不足。
病理分析：主板供電電路設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致電容工作環(huán)境溫度過高，電容發(fā)熱，從而使液態(tài)電容中的電解液揮發(fā)而失效；電容偷工減料，各項(xiàng)參數(shù)沒有達(dá)到電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而損壞。
電容在主板電路中廣泛使用，打開機(jī)箱觀察主板，可以看到星羅棋布、數(shù)量眾多的電解電容。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供電電路中不可或缺的重要元件，主板上的各類板卡、芯片組需要使用多種類型電壓的電源，如+12、-12、+5、-5伏等，要保證主板及板卡的穩(wěn)定運(yùn)行需要采用電容器用于過濾電源，確保電壓穩(wěn)定。當(dāng)然在CPU供電電路中，電容更是起到提高電源質(zhì)量的關(guān)鍵作用。
計(jì)算機(jī)主板和顯卡等板卡上主要使用兩類電解電容：鋁電解電容和鉭電解電容。鋁電解電容價(jià)廉且容量較大，主要用于電源濾波部分。鉭電解電容各項(xiàng)性能均優(yōu)于鋁電解電容，但價(jià)格較高。一直以來，諸如系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，花屏、無法開機(jī)，超頻后易死機(jī)以及主板的諸多問題都與液態(tài)電解電容有著千絲萬縷的聯(lián)系。而液態(tài)鋁電解電容的漏液、壽命短等缺陷也為電腦玩家所詬病。要想使主板穩(wěn)定、高效運(yùn)行，采用固態(tài)鋁電解電容通常起著關(guān)鍵作用，對(duì)于一些先天不足的主板更是可以起到大補(bǔ)功效。
在各類電容中，唯有鋁電解電容存在壽命問題。在確保電容質(zhì)量的前提下，高溫、超壓是導(dǎo)致液態(tài)電解電容失效的重要因素。液態(tài)電解電容的工作溫度每上升十?dāng)z氏度其使用壽命就會(huì)縮短一半以上。電容的熱量一方面來自主板和其他板卡散熱排出的熱量，這是工作環(huán)境造成的，可以通過改善散熱措施減少這種熱量傳遞。另一方面則是因電容的電解質(zhì)存在電阻，電流流過電容時(shí)在其內(nèi)部產(chǎn)生的，要減少這種情況引起的發(fā)熱只有通過電解質(zhì)的技術(shù)創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)。
那么主板上電容接受的熱量究竟從何而來的呢？主板上的許多部件在工作中都會(huì)發(fā)熱，但發(fā)熱量最大的有三個(gè)部分：CPU、北橋芯片、場(chǎng)效應(yīng)管。
通常CPU和北橋芯片都會(huì)使用專用的散熱裝置降低溫度，但是用于CPU供電的場(chǎng)效應(yīng)管卻沒有任何的散熱措施。PWM(脈寬調(diào)制)電路是CPU電源供給電路中的核心組成部分，其核心器件MOSFET在工作中會(huì)釋放大量熱能，而這區(qū)域也是電子器件最為密集的部分。通常情況下，MOSFET緊貼主板裝配，借助主板進(jìn)行散熱，從而直接將熱量傳遞給其周圍的電容(圖1)。
圖1 備受“煎熬”的電容
CPU電壓調(diào)節(jié)模塊的電路位于CPU附近，由于CPU工作中消耗的能源并不恒定，導(dǎo)致電壓發(fā)生波動(dòng)，從而需要電容來穩(wěn)定電壓。由于CPU的頻率越來越高，更多的電腦玩家樂于超頻，電腦長時(shí)間連續(xù)工作，這些都直接導(dǎo)致整個(gè)主板發(fā)熱量直線上升，如果散熱措施不到位，熱量在電容周圍積聚從而導(dǎo)致液態(tài)電解電容漏液和提前失效。
二、固態(tài)電容原理揭示
鑒于液態(tài)電解電容的諸多問題，固態(tài)鋁電解電容應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)90年代以來，鋁電解電容采用固態(tài)導(dǎo)電高分子材料取代電解液作為陰極，取得了革新性發(fā)展。導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電能力通常要比電解液高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，應(yīng)用于鋁電解電容可以大大降低ESR、改善溫度頻率特性；并且由于高分子材料的可加工性能良好，易于包封，極大地促進(jìn)了鋁電解電容的片式化發(fā)展。目前商品化的固態(tài)鋁電解電容主要有兩類：有機(jī)半導(dǎo)體鋁電解電容(OS-CON)和聚合物導(dǎo)體鋁電解電容(PC-CON)。
有機(jī)半導(dǎo)體鋁電解電容的結(jié)構(gòu)與液態(tài)鋁電解電容相似，多采用直插立式封裝方式(圖2)。不同之處在于固態(tài)鋁聚合物電解電容的陰極材料用固態(tài)的有機(jī)半導(dǎo)體浸膏替代電解液，在提高各項(xiàng)電氣性能的同時(shí)有效解決了電解液蒸發(fā)、泄漏、易燃等難題。
圖2 有機(jī)半導(dǎo)體鋁電解電容構(gòu)造圖
固態(tài)鋁聚合物貼片電容則是結(jié)合了鋁電解電容和鉭電容的特點(diǎn)而形成的一種獨(dú)特結(jié)構(gòu)。同液態(tài)鋁電解電容一樣，固態(tài)鋁聚合物多采用貼片形式。高導(dǎo)電率的聚合物電極薄膜沉積在氧化鋁上，作為陰極，炭和銀為陰極的引出電極，這一點(diǎn)與固態(tài)鉭電解電容結(jié)構(gòu)相似(圖3)。
圖3 鉭電容的構(gòu)造
三、真是主板的 “ 治病良藥 ” ？ — 固態(tài)電解電容特性詳解
由于采用了新型的固態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解電容具有液態(tài)電解電容無法企及的優(yōu)良特性。這些電氣性能對(duì)于提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中以高頻為特征的應(yīng)用顯得尤為重要。固態(tài)電解電容的多種優(yōu)良特性可以為主板提供進(jìn)補(bǔ)療效，固態(tài)電解電容比液態(tài)電解電容的優(yōu)勢(shì)主要有三點(diǎn)。
1. 高穩(wěn)定性
固體鋁電解電容可以持續(xù)在高溫環(huán)境中穩(wěn)定工作，使用固態(tài)鋁電解電容可以直接提升主板性能。同時(shí)，由于其寬溫度范圍的穩(wěn)定阻抗，適于電源濾波。它可以有效地提供穩(wěn)定充沛的電源，在超頻中尤為重要。
固態(tài)電容在高溫環(huán)境中仍然能正常工作，保持各種電氣性能。其電容量在全溫度范圍變化不超過15％，明顯優(yōu)于液態(tài)電解電容。同時(shí)固態(tài)電解電容的電容量與其工作電壓基本無關(guān)，從而保證其在電壓波動(dòng)環(huán)境中穩(wěn)定工作。
2. 壽命長
固態(tài)鋁電解電容具有極長的使用壽命(使用壽命超過50年)。與液態(tài)鋁電解電容相比，可以算作“長命百歲”了。它不會(huì)被擊穿，也不必?fù)?dān)心液態(tài)電解質(zhì)干涸以及外泄影響主板穩(wěn)定性。由于沒有液態(tài)電解質(zhì)諸多問題的困擾，固態(tài)鋁電解電容使主板更加穩(wěn)定可靠。
固態(tài)的電解質(zhì)在高熱環(huán)境下不會(huì)像液態(tài)電解質(zhì)那樣蒸發(fā)膨脹，甚至燃燒。即使電容的溫度超過其耐受極限，固態(tài)電解質(zhì)僅僅是熔化，這樣不會(huì)引發(fā)電容金屬外殼爆裂，因而十分安全。
工作溫度直接影響到電解電容的壽命，固態(tài)電解電容與液態(tài)電解電容在不同溫度環(huán)境下壽命明顯較長。
3. 低 ESR 和高額定紋波電流
ESR(Equivalent Series Resistance)指串聯(lián)等效電阻，是電容非常重要的指標(biāo)。ESR越低，電容充放電的速度越快，這個(gè)性能直接影響到微處理器供電電路的退藕性能，在高頻電路中固態(tài)電解電容的低ESR特性的優(yōu)勢(shì)更加明顯�？梢哉f，高頻下低ESR特性是固態(tài)電解電容與液態(tài)電容性能差別的分水嶺。固態(tài)鋁電解電容的ESR非常低，同時(shí)具有非常小的能量耗散。在高溫、高頻和高功率工作條件下固態(tài)電容的極低ESR特性可以充分吸收電路中電源線間產(chǎn)生的高幅值電壓，防止其對(duì)系統(tǒng)的干擾。
目前CPU的功耗非常大，主頻已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出1GHz，同時(shí)CPU的峰值電流達(dá)到80A或更多，輸出濾波電容已經(jīng)接近工作臨界點(diǎn)。另一方面，CPU采用多種工作模式，大部分時(shí)間處于工作模式的轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)CPU由低功耗狀態(tài)轉(zhuǎn)為全負(fù)荷狀態(tài)時(shí),這種CPU的瞬間(一般小于5毫秒)切換需要的大量能量均來自CPU供電電路中的電容，此時(shí)固態(tài)電容高速充放電特性可以在瞬間輸出高峰值電流，保證充足的電源供應(yīng)，確保CPU穩(wěn)定工作。
圖4 固態(tài)電解電容與液態(tài)電解電容綜合對(duì)比圖
四、固態(tài)電解電容的鑒別指南
由于各固態(tài)電容廠家采用各自的產(chǎn)品標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)，所用要鑒別電解電容需要根據(jù)具體的生產(chǎn)廠家提供產(chǎn)品手冊(cè)進(jìn)行查閱。對(duì)于國產(chǎn)電容，其產(chǎn)品標(biāo)識(shí)一般由四部分組成，第一部分為產(chǎn)品名稱用字母C表示電容。第二部分一般用于標(biāo)識(shí)材料，鉭材料為A，鋁材料為D。后面則標(biāo)識(shí)容量和耐壓值，如容量47μF，電容耐壓25V。
區(qū)分固態(tài)電解電容和液態(tài)電解電容直觀的方法是查看電容頂部是否有“K”或“十”字形的防爆凹槽，固態(tài)電解電容頂部平整，沒有防爆凹槽。還有一種固態(tài)和液態(tài)混合型的電解電容，其頂部的防爆凹槽較淺。另外，液態(tài)電解電容一般有各種顏色的塑料外皮。
么如何分辨電容的外形呢？電解電容采用兩種封裝形式。
常見的是直插式封裝，其外形為圓柱形，下方有兩根金屬引線作為電極，垂直安裝在電路板上(圖5)。
圖5 SMT貼片式(Surface MounT)電容，一種是矩形顆粒平貼主板焊接
圖6 帶橡膠底座的電容
圖7 我們可以通過電容下端的底座來分辨SMT貼片式與直插式電容
另外一種采取帶橡膠底座的垂直主板安裝方式(圖6)，這種SMT貼片式電容方便使用貼片機(jī)大規(guī)模、高密度生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高效快速焊接，同時(shí)在主板上占用的面積很小。區(qū)分SMT貼片式與直插式電容的主要依據(jù)是電容下端的塑料底座(圖7)。
液態(tài)電容一般均采取立式封裝方式，但是電解電容的封裝形式與電容種類并無絕對(duì)聯(lián)系，所以不能僅從封裝外形來判斷電解電容的類型。液態(tài)和固態(tài)鋁電解電容都有SMT貼片式的產(chǎn)品，鉭電容和鋁電容都能做成貼片式顆粒狀的產(chǎn)品。
五、更換電容，請(qǐng)慎重考慮！
了解了固態(tài)電解電容的種種優(yōu)良特性后，你可能已經(jīng)迫不及待地想給主板進(jìn)行“大補(bǔ)”了吧？不過，在此我們要特別提醒：如果你有板卡焊接經(jīng)驗(yàn)，懂得挑選電子元器件的方法，同時(shí)又是超頻DIY的鐵桿發(fā)燒友，那么為你的主板更換固態(tài)電容的確是主板進(jìn)補(bǔ)的不二之選；但是如果你沒有電子制作的經(jīng)歷，最好不要?jiǎng)幼约焊鼡Q電容的念頭，還是選用使用固態(tài)電容的成品主板較為穩(wěn)妥。
由于更換電容將直接在主板上“動(dòng)刀”，對(duì)主板安全有著很大影響，在此之前應(yīng)確保主板的“健康狀況”。如果你的主板已經(jīng)發(fā)生故障或處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，首先應(yīng)排除其他故障隱患再更換固態(tài)電容。在發(fā)生了電容漏液、失效的情況時(shí)，首先應(yīng)該修復(fù)電路中導(dǎo)致電容失效的器件才能更換電容，否則并不能徹底解決問題。在更換電容前應(yīng)排除：開關(guān)電路是否短路，開關(guān)管是否損壞，機(jī)箱電源輸入的電源質(zhì)量是否穩(wěn)定，主板是否散熱不良等。在確定了的確是由于電容自身品質(zhì)或者電容老化導(dǎo)致的漏液后，更換電容才有實(shí)際的意義。
在進(jìn)行替換前，必須先確定替換電容的相關(guān)參數(shù)，否則無法保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正常功能，甚至?xí)䦟?dǎo)致主板損壞！
直徑：應(yīng)確保替換品與原液態(tài)電解電容直徑相同，這樣才能確保電容引腳與電路板上原引腳孔一一對(duì)應(yīng)。替換品尺寸過大，不但無法安裝，同時(shí)會(huì)因元件過密導(dǎo)致散熱性能下降，影響器件性能。替換品尺寸過小，電容引腳在插入元件孔焊接時(shí)發(fā)生彎曲，無法正常焊接或虛焊，導(dǎo)致電路運(yùn)行不穩(wěn)定(圖8)。
極性：電解電容均有極性，如果在焊接時(shí)接錯(cuò)極性，會(huì)在使用時(shí)增加漏電流而縮短壽命。因此在替換時(shí)應(yīng)按照電路板上標(biāo)示的極性安裝電容。
確認(rèn)額定性能：在選擇替換固態(tài)電容時(shí)應(yīng)嚴(yán)格依照被替換的電解電容的額定性能。如應(yīng)用的環(huán)境溫度應(yīng)一致，包括最高溫度和最低溫度；不能超過額定紋波電流，否則電容內(nèi)部將因ESR上的電流過大而過度發(fā)熱。
故障處理：如果不合理焊接導(dǎo)致電容發(fā)生短路故障，電容內(nèi)部會(huì)急劇發(fā)熱，當(dāng)短路電流過大，電容內(nèi)部的陰極物質(zhì)會(huì)熔融并產(chǎn)生大量氣體，內(nèi)部壓力升高，密封的橡膠或塑料材料將發(fā)生卷曲，此時(shí)如果有氣味或電解液外溢，切勿觸摸。如果發(fā)生氣體進(jìn)入眼睛或吸入口中應(yīng)及時(shí)用清水沖洗。
圖8 錯(cuò)誤的安裝方式
最后需要強(qiáng)調(diào)的是，不能僅從電容來判斷主板質(zhì)量的優(yōu)劣，如果廠商沒有良好的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)環(huán)境，最終產(chǎn)品沒有做老化檢驗(yàn)，元件也沒有做搭配測(cè)試，即使選用的全是名牌元件，也不能確保拼湊出來的產(chǎn)品的性能。
六、前瞻
液態(tài)鋁電解電容由于自身的特性，面臨著前所未有的壓力和挑戰(zhàn)．必定要退出歷史舞臺(tái)。新技術(shù)、新材料的發(fā)展，在創(chuàng)造出固態(tài)電解電容的同時(shí)，也為鋁電解電容的創(chuàng)新突破打開希望之門。將有機(jī)半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電高分子材料用作鋁電解電容陰極的嘗試，得到的頻率特性、溫度特性可以和片式陶瓷電容媲美，甚至高出固態(tài)鋁電解電容，比如松下公司2006年推出的TS-EE系列鋁電解電容具有400～450V的額定電壓范圍，將額定紋波電流增加了大約1.5倍，有效控制了自身發(fā)熱，同時(shí)體積卻縮小了三分之一，壽命可達(dá)到10年，而價(jià)格卻很低。
誰是電解電容世界中最終霸主還需時(shí)間來衡量！
