關(guān)于鋁電解電容器腐蝕失效的研究進(jìn)展

0 引言

鋁電解電容以其容量大、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于各種電子線路中，大多應(yīng)用于低頻濾波、音頻耦合、隔直流、儲(chǔ)能等方面，是現(xiàn)在不可取代的重要電子元器件之一。并且隨著電子元器件的量產(chǎn)化，市場(chǎng)對(duì)電解電容的質(zhì)量和可靠性要求也越來(lái)越高。但據(jù)近幾年市場(chǎng)產(chǎn)品售后異常統(tǒng)計(jì)，質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)最多的還是電解電容鼓包失效的問(wèn)題，其中多為400 V 以上高壓鋁電解電容產(chǎn)品失效。而一般在壽命實(shí)驗(yàn)中，鋁電解電容器的失效模式大致可分為：漏液、產(chǎn)品開(kāi)路失效、擊穿短路這幾種，其中絕大部分的電容失效均表現(xiàn)為陽(yáng)極引出條因斷裂而開(kāi)路、進(jìn)而造成產(chǎn)品失效，其中中高壓的產(chǎn)品尤為明顯。王錫清^[1]通過(guò)對(duì)不同廠家生產(chǎn)的電容分析，從X 射線透射均發(fā)現(xiàn)電容正極引出條均斷裂、只有負(fù)極引出條與引出端相連；從解刨芯子發(fā)現(xiàn)同樣是由于電容芯子正極鋁箔與正極引出條斷開(kāi)并產(chǎn)生了大量泥狀物進(jìn)而導(dǎo)致電容器開(kāi)路失效。所謂陽(yáng)極腐蝕，是指電容陽(yáng)極引出條與蓋板組件相連接的鋁鉚釘逐漸被電化學(xué)腐蝕，從而導(dǎo)致產(chǎn)品失效的現(xiàn)象，一般有兩種斷裂位置，一種是陽(yáng)極引出條斷裂，另一種是引出端鉚接部位斷開(kāi)，如圖1 所示。故本文章的目的在于總結(jié)鋁電解電容發(fā)生腐蝕的原因，為防止電解電容腐蝕提供方法和改善途徑。

圖1 電解電容內(nèi)部腐蝕圖

1 陽(yáng)極腐蝕發(fā)生的原因

本章節(jié)通過(guò)對(duì)以往學(xué)者的研究?jī)?nèi)容分析，詳細(xì)總結(jié)了雜質(zhì)離子對(duì)鋁電解電容器的危害，雜質(zhì)離子的來(lái)源，如果更好的避免生產(chǎn)制造中人為帶入氯離子的污染以及通過(guò)改善電容的存放環(huán)境和使用條件來(lái)降低雜質(zhì)離子對(duì)電容的不良影響這幾個(gè)方面的內(nèi)容。

1.1 雜質(zhì)離子對(duì)鋁電解電容器的危害

對(duì)鋁電解電容器有害的雜質(zhì)離子有Cl^-、SO₄^2-、Cu²⁺、Fe³⁺等，在電容器內(nèi)如沾有重金屬旁子Cu²⁺、Fe³⁺會(huì)導(dǎo)致閃火電壓下降，漏電流上升，電容器發(fā)熱產(chǎn)生熱擊穿或使引出片熔融。SO₄^2-在電場(chǎng)作用下移向陽(yáng)極也會(huì)在鋁箔表面上形成腐蝕的多孔膜，但影響不如Cl^-嚴(yán)重。其實(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中最有危害的是Cl^-，因?yàn)镃l^-存在比較普遍，比如在汗水、頭屑和塵埃中都有存在。而且它不僅腐蝕鋁，還能破壞氧化膜。Al₂O₃ 膜一旦被破壞就會(huì)引起局部電流上升、發(fā)熱量大增，高溫也會(huì)加速陽(yáng)極引出條的斷裂速度，從而影響電容的使用壽命。在此化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)附加產(chǎn)生氫氣，造成電容內(nèi)壓上升，嚴(yán)重情況還會(huì)發(fā)生電容鼓底爆炸現(xiàn)象。

1.2 原材料的品質(zhì)對(duì)電容質(zhì)量的影響

產(chǎn)品的質(zhì)量與原材料的品質(zhì)息息相關(guān)，所以要嚴(yán)格控制原材料的廠家選用與入庫(kù)檢測(cè)環(huán)節(jié)。鋁電解電容器結(jié)構(gòu)是以鋁化成箔為陽(yáng)極、吸附電解液的電解質(zhì)和負(fù)極箔為陰極，配合蓋板、鋁殼、引出線、膠塞等材料組合而成，如圖2 所示。陳中煒等^[2]從鋁電解電容的組成結(jié)構(gòu)分析，提出蓋板、鋁殼、鋁箔、電解紙、電解液、引出條等材料的質(zhì)量、制作工藝水平及純度對(duì)電容器氯離子是否超標(biāo)有至關(guān)重要的作用。要仔細(xì)選擇純度較高、含氯離子雜質(zhì)較少的原材料。比如選擇添加緩蝕劑的電解液、經(jīng)過(guò)高壓化成處理的陽(yáng)極引出條等等。下面重點(diǎn)說(shuō)明了蓋板、密封膠塞、電解液對(duì)陽(yáng)極腐蝕的影響。

圖2 鋁電解電容器結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 蓋板對(duì)陽(yáng)極腐蝕的影響

電容在工作中，蓋板中氯離子等雜質(zhì)離子會(huì)游離出來(lái)，向陽(yáng)極引條移動(dòng)，從而破壞陽(yáng)極引條引起陽(yáng)極腐蝕。朱緒飛等^[3] 對(duì)蓋板及鉚釘做預(yù)處理工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，利用配制的乙二醇+ 硼酸+ 防腐蝕劑+ 磷酸二氫銨清洗液提前處理蓋板并與未用清洗液處理的蓋板做了壽命實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了加入腐蝕阻止劑提前處理蓋板可有效減少電容器陽(yáng)極鉚釘?shù)母g。朱緒飛等^[4] 幾年后又對(duì)比分析了蓋板在不同條件下的陽(yáng)極腐蝕情況：針對(duì)相同蓋板，不同電解液的陽(yáng)極腐蝕先后次序不同，結(jié)果是，含水電解液腐蝕速度最快，非水系電解液較含水系電解液的腐蝕速度慢，無(wú)機(jī)酸鹽的腐蝕速度更慢；徐榮等人^[5] 提出一種新型的鋁電解電容器蓋板改變蓋板本體的結(jié)構(gòu)，在蓋板本體下方設(shè)置有凸楞以削弱正負(fù)極間的電場(chǎng)強(qiáng)度及陽(yáng)極腐蝕發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的局部電場(chǎng)強(qiáng)度，阻止電場(chǎng)中被汽化的正負(fù)離子的擴(kuò)散遷移，達(dá)到防止腐蝕發(fā)生的目的。所以，應(yīng)該選含有雜質(zhì)離子含量較少的蓋板，制作過(guò)程中也要注意封口工序，防止有害氣體從蓋板封口邊緣處以及鉚釘與膠皮之間滲透進(jìn)入，可以考慮給電容器端面增加絕緣墊片或采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝來(lái)阻止外界異物滲透，延緩腐蝕時(shí)間的建議。

1.2.2 密封膠塞對(duì)陽(yáng)極腐蝕的影響

電容器密封橡膠的特性對(duì)電容器壽命有重要影響，而現(xiàn)有的鋁電解電容密封使用不同類型的橡膠材料，郭思琪等^[6]研究了硅橡膠密封膠片（SR）、丁基橡膠密封膠片(IIR)、三元乙丙橡膠密封膠片（EPDM）耐洗板水性能、對(duì)氯的阻隔性及通過(guò)SEM 表征、熱重分析測(cè)試等發(fā)現(xiàn)由于EPDM 橡膠和IIR 橡膠結(jié)構(gòu)致密，有機(jī)溶劑在其內(nèi)部擴(kuò)散緩慢，所以它們耐溶劑性要更優(yōu)，而SR橡膠對(duì)洗板水中氯的阻隔性最差，所以它也會(huì)導(dǎo)致電容器的壽命較短。

1.2.3 電解液對(duì)陽(yáng)極腐蝕的影響

電解液對(duì)鋁電解電容性能的影響至關(guān)重要。電解液影響主要有3 個(gè)方面的因素：①藥品的純度；②電解液中溶劑與溶質(zhì)的因素；③電解液與鋁箔的兼容性。王新龍等人^[7]分析發(fā)現(xiàn)電解液中過(guò)多的水分易破壞氧化膜結(jié)構(gòu)，過(guò)多的電極液易使最初的電化學(xué)腐蝕向純化學(xué)腐蝕轉(zhuǎn)移，加劇陽(yáng)極腐蝕，還發(fā)現(xiàn)加入緩蝕劑可有效降低腐蝕速度，所以制作過(guò)程中應(yīng)減少芯子及電解液水分，電容芯包內(nèi)電解液含量不能太多，可以用甩干的辦法除去多余的電解液，電解液中也可加入無(wú)雜質(zhì)離子的緩蝕劑用于保護(hù)氧化膜。

1.3 電解電容的生產(chǎn)對(duì)陽(yáng)極腐蝕的影響

鋁電解電容的生產(chǎn)流程大致分為原材料檢驗(yàn)、裁切、釘接、卷繞、烘干、含浸、組立、套管、老化、分選、加工、包裝、出貨。由于制作工序繁多，所以鋁電解電容的制作工藝及每道制作工序的質(zhì)量把控對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量好壞影響極大，每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都可能存在由于生產(chǎn)員工操作不當(dāng)引入雜質(zhì)離子污染產(chǎn)品，從而導(dǎo)致陽(yáng)極腐蝕情況出現(xiàn)，特別是前工序芯子未組立前的每道工序都極易帶入雜質(zhì)離子污染產(chǎn)品。何宵云等^[8]對(duì)內(nèi)部生產(chǎn)環(huán)節(jié)可能引起產(chǎn)品腐蝕的誘因做了氯離子檢測(cè)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)人體中的汗液、唾液以及芯子從鉚卷后到裝配前未完全密封保存好引入的氯離子雜質(zhì)含量最高。所以為了減少氯離子污染途徑，需要做到落實(shí)原材料來(lái)料的氯離子含量檢測(cè)；嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程中鉚卷、含浸、裝配工序的作業(yè)時(shí)間要求，減少芯子在空氣中裸露的時(shí)間；生產(chǎn)人員要嚴(yán)格按照規(guī)定穿戴凈化服、佩戴口罩、低氯乳膠手套并定期洗手和清理操作設(shè)備及產(chǎn)品周轉(zhuǎn)物品。

1.4 電解電容的使用環(huán)境及貯存環(huán)境對(duì)陽(yáng)極腐蝕的影響

導(dǎo)致電解電容陽(yáng)極腐蝕的外部因素也很多，比如在PCB電路板加工中可能洗板水（指電路板清洗劑）、助焊劑、密封膠等物質(zhì)中存在的大量鹵素及硫酸根離子、硝酸根離子等雜質(zhì)，在長(zhǎng)期使用后鹵素會(huì)滲入到電容器內(nèi)部也會(huì)對(duì)產(chǎn)品發(fā)生腐蝕。丁繼華等^[9]通過(guò)對(duì)洗板水中的鹵素和硫含量分析，研究驗(yàn)證洗板水中的雜質(zhì)離子是可以通過(guò)線路板接觸到電容器的表面并通過(guò)蓋板的焊針部位滲入到電容器的表面并通過(guò)蓋板的焊針部位滲入到電容器的內(nèi)部從而對(duì)產(chǎn)品內(nèi)在參數(shù)發(fā)生影響，當(dāng)濃度達(dá)到一定量時(shí)，其對(duì)電容器內(nèi)部會(huì)造成不同程度的腐蝕。除此之外，鋁電解電容器的儲(chǔ)存環(huán)境也會(huì)影響它本身的性能。劉慧從等^[10]發(fā)現(xiàn)鋁電解電容在濕熱環(huán)境下長(zhǎng)期貯存，則陽(yáng)極箔上的鋁氧化膜被腐蝕則進(jìn)而造成電容器的電容量和漏電流增大，還會(huì)使金屬引腳出現(xiàn)腐蝕、橡膠塞長(zhǎng)霉，所以電容器的貯存環(huán)境溫度對(duì)其外觀及電氣性能有很重要的影響。

2 電化學(xué)腐蝕機(jī)理及腐蝕所需條件

本章節(jié)簡(jiǎn)單概括了雜質(zhì)離子的腐蝕機(jī)理及發(fā)生腐蝕所需的條件。

2.1 鋁電解電容器陽(yáng)極腐蝕的機(jī)理

2.1.1 C1^-對(duì)陽(yáng)極腐蝕反應(yīng)機(jī)理

對(duì)鋁的腐蝕：有附加產(chǎn)氫

對(duì)氧化膜的腐蝕：

并且氯離子的腐蝕是不消耗氧離子，氯離子的腐蝕作用可以不斷反復(fù)進(jìn)行。他們最終的產(chǎn)物是白色或略綠色( 灰黃色) 的氫氧化鋁的堆積物及水。水分也是產(chǎn)生氯離子腐蝕的條件之一，也會(huì)加速氯離子的腐蝕。

2.1.2 SO₄^2-對(duì)陽(yáng)極腐蝕的反應(yīng)機(jī)理

上述反應(yīng)釋放的硫酸根離子會(huì)繼續(xù)對(duì)鋁發(fā)生酸性腐蝕反應(yīng)，同時(shí)破壞介質(zhì)氧化膜導(dǎo)致電容器漏電流不斷增大。

2.2 發(fā)生氯離子腐蝕的條件

沈行素等^[11]提出鋁陽(yáng)極引出片腐蝕屬局部腐蝕，也即局部氧化膜受到氯離子破壞引起的腐蝕。局部腐蝕在發(fā)生之前必先經(jīng)歷一個(gè)誘導(dǎo)期，誘導(dǎo)期內(nèi)電流保持較低水平、氧化膜沒(méi)有遭到破壞，此時(shí)在電場(chǎng)作用下在氧化膜缺陷處發(fā)生氯離子的富集過(guò)程，當(dāng)氯離子達(dá)到一定的臨界含量時(shí)，該處氧化膜便會(huì)被強(qiáng)電場(chǎng)所擊穿，電流突然上升、該處氧化膜便以較大速度發(fā)展下去。項(xiàng)永金等^[12]通過(guò)含氯腐蝕性氣體入侵試驗(yàn)以及電容加入不同濃度氯離子溶液做壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極箔出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象，說(shuō)明氯離子要發(fā)生腐蝕必須要達(dá)到一定的濃度才能發(fā)生。所以綜合看出，陽(yáng)極氯離子腐蝕需要的條件有，氯離子必須達(dá)到一定濃度，且在過(guò)酸或過(guò)堿的條件下才能與Al 或者Al₂O₃ 反應(yīng)，以及在高溫高壓條件下才容易發(fā)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

鋁電解電容發(fā)生腐蝕的原因眾多，有原材料純度低對(duì)產(chǎn)品的污染，有內(nèi)部生產(chǎn)過(guò)程中人為引入的雜質(zhì)污染產(chǎn)品，也有電容使用及貯存環(huán)境不當(dāng)引起的雜質(zhì)離子增多導(dǎo)致的陽(yáng)極引出條腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品失效情況出現(xiàn)。所以，我們?cè)谝院蟮匿X電解電容生產(chǎn)及使用中應(yīng)該盡可能的避免雜質(zhì)離子對(duì)產(chǎn)品的危害，減少產(chǎn)品開(kāi)路失效情況出現(xiàn)。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）