電解電容芯子干枯失效的可靠性研究及應(yīng)用

電解電容對電路的主要作用有：隔直流、去耦、耦合、濾波、儲能、自舉等，對避免保護電路過電壓擊穿有不可或缺的作用，是維護電路穩(wěn)定工作的基石。電解電容失效會導致整個電控電路功能紊亂，最終導致電路失效。本文從器件結(jié)構(gòu)、核心關(guān)鍵參數(shù)方面進行分析，整改方案思路可以為同類型電解電容失效分析整改提供借鑒和參考。

1   事件背景

空調(diào)控制器使用X、Y 廠家同型號的電解電容時，在使用X廠家電解電容時，用戶經(jīng)常反饋主板通電現(xiàn)象，核實故障原因為電解電容鼓包導致，主要集中在1 個月內(nèi)失效，屬于早期故障，該問題已經(jīng)嚴重影響售后質(zhì)量。焊接失效原因及失效機理分析

1）外觀核實，發(fā)現(xiàn)鼓包、底部防爆閥有電解液滲出痕跡、套管表面有受高溫燙傷破損異常現(xiàn)象（如圖1）。

2）失效器件參數(shù)檢測分析：標稱容量47 μF±20%/450 V，實際容值測試容量：317.3 nF，損耗3.4，容值小，都不符合標準要求。

3）X 光觀察未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部不良，芯子內(nèi)部鋁箔位置無偏移，鉚接位置正確，內(nèi)部結(jié)構(gòu)無異常。

圖1 不良品電解電容

4）解剖異常樣品電容核實發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電解紙干燥，電解液揮發(fā)，且有電解液滲出現(xiàn)象。纏繞芯包的膠帶熱縮，底部外殼防爆閥打開；解剖展開電解紙，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部正負鋁箔電解紙無破損，內(nèi)部無爆點及過電損傷痕跡（表1）。

表1 X廠家失效電解電容解剖

5）陽極箔清洗后，采用TV 特性儀進行鋁箔耐壓檢測，陽極箔耐壓標準：660 V 以上，實測陽極耐壓達679 V，陽極箔性能符合產(chǎn)品質(zhì)量標準。

綜上，從樣品本身分析，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷；從樣品的失效形式上看，屬于發(fā)熱過大造成失效。主要表現(xiàn)為PET 套管耐高溫在200 ℃以上，異常樣品套管已出現(xiàn)破洞，說明外部溫度過高，燙破套管；纏繞芯包的膠帶溶點在160 ℃以上，膠帶已熱溶收縮，說明樣品使用過程內(nèi)部溫度過高，但樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)無異常，內(nèi)部無擊穿。一般都是使用過程遇到較大紋波電流引起發(fā)熱，超過樣品所能承受的紋波電流，使內(nèi)部發(fā)熱量過大，不足以應(yīng)對因電網(wǎng)電壓波動等情況帶來的紋波電流（因目前國內(nèi)各個區(qū)域使用電網(wǎng)存在一定的差異性），而此方面因素是無法預測的，在長期經(jīng)過一定的高壓脈沖后產(chǎn)品特性發(fā)生了變化，加劇了電介質(zhì)的電老化與熱老化，電解液的粘度逐漸增大且等效串聯(lián)電阻增大，發(fā)熱量增加沖破防爆閥，最終促使芯子干枯形成上述現(xiàn)象。

表2 X、Y廠家電解電容參數(shù)測試對比

3   電解電容可靠性分析

該型號電解電容同步使用的Y 廠家未發(fā)現(xiàn)異常，同比參考Y 廠家與X 廠家電解電容相關(guān)參數(shù)的核實對比優(yōu)化。

3.1 常規(guī)參數(shù)對比（如表2）

正負極鋁箔長度差異：產(chǎn)品設(shè)計陰極箔一定要比陽極箔長，陰極箔長一點對產(chǎn)品性能不會有影響；負極鋁箔面積比（正極鋁箔：負極鋁箔）X 廠家比Y 廠家小，正負極箔比不影響產(chǎn)品參數(shù)，減短負箔后可增加占比；膠塞材料成分有差異：X 廠家電解電容膠塞硬度高于Y 廠家，差值在15 ～ 20；

性能參數(shù)：電容測試參數(shù)對比ESR、漏電流測試參數(shù)差異比較大，初步分析電解液存在差異。

3.2 X、Y 廠家鉚接點對比，未發(fā)現(xiàn)異常，正負極都是按照要求5 的點鉚接。

3.3 鋁殼入膠深度：X 廠家鋁殼無入膠（如圖2），Y廠家有入膠深度（如圖3）。

3.4 橡膠塞尺寸

對比X 廠家與Y 廠家引腳尺寸（表3），發(fā)現(xiàn)Y廠家弧度比X 廠家弧度半徑大2.46 mm；鋁殼束腰密封性能，由于X 光核實弧度一致，對比發(fā)現(xiàn)艾華的密封性比新元好。

3.5 導針尺寸：焊接引腳（0.8 mm）長度X 廠家比Y廠家長0.7 mm 左右；Y 廠家與橡膠塞接觸比X 廠家多0.7 mm左右，使其充分接觸增加密封性（如表4、圖4）。

圖4 電解電容導針外觀

4   電解電容優(yōu)化方案

●   性能核心參數(shù)對標Y 廠家優(yōu)化調(diào)整，如漏電流；

●   開發(fā)引入與Y 廠家同樣材料膠塞（硬度相同、材質(zhì)成分相同），開發(fā)完成后即可以對標Y 廠家調(diào)整縮腰深度、弧度、封口形貌；

●   導針長度對標Y 廠家加長。

5   整改效果驗證

5.1 對電解電容內(nèi)部電解液進行調(diào)整，電解電容測試漏電流數(shù)據(jù)明顯下降，X 廠家新制品對比X 廠家舊制品提升-88.99%，為Y 廠家的一半（如表5）。

表5 X廠家整改后性能參數(shù)測試

5.2 新開發(fā)X 廠家電解電容橡膠塞材料已經(jīng)調(diào)整，將混合丁基膠改為丁基膠；相關(guān)尺寸測試如下。

1）新制品橡膠塞厚度增加：由3.78 mm 提升到5.11 mm；

2）橡膠塞弧度減?。喊霃接芍暗?.55 mm 提升到7.1 mm，在束腰時增加密封性能；

3）橡膠塞孔徑減小：由0.87 mm 提升到0.82 mm；

4）開發(fā)完成后，使用X 光觀察束腰更加緊密。

5.3 鉚接柱尺寸調(diào)整，提高鉚接柱與橡膠塞密封性：新制品鉚接柱直徑由2.00 mm 增加到2.17 mm；新制品鉚接柱長度由3.65 mm 提升到3.77 mm。

5.4 可靠性試驗驗證：對X 廠家電解電容整改后制品進行專項型式試驗，加電耐久、高溫實驗后測試容值變化率即漏電流都符合要求（表6）。

表6 可靠性試驗驗證

6   可靠性整改總結(jié)及意義

通過對電解電容單體失效分析，從電解電容失效機理、失效因素、結(jié)構(gòu)可靠性、工藝等核實參數(shù)的收集，對比其他相關(guān)器件參數(shù)，找出差異點，對產(chǎn)品單體結(jié)構(gòu)可靠性對比論證。從器件本身進行整改，改善后進行對比分析，整改后效果明顯。對電解電容失效分析方法提供分析思路，對分析評估類似失效電解電容可靠性有良好借鑒作用。

經(jīng)過此次整改，電解電容在引入開發(fā)時需對電解電容關(guān)鍵參數(shù)進行對比驗證，進行充分評估，并持續(xù)跟蹤收集整理生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，以提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻：

[1] 陳錦輝.關(guān)于紋波影響電容鼓包的分析研究[J].日用電器,2018(10):86-89.

[2] 周慧德.開關(guān)電源中鋁電解電容可靠性的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2010.

[3] 黃兆軍,范凌云.電解電容加速壽命試驗的研究與應(yīng)用探討[J].日用電器,2013(8):26-28,43.

[4] 項永金,李帥.鋁高壓電解電容陽極箔氯離子腐蝕失效分析與研究[J].電子產(chǎn)品世界,2020(12):37-41.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）