211133639_大型高电压铝电解电容器早期失效的探讨

能源与环境工
大型高电压铝电解电容器早期失效的探讨
丁晓锋
（南通海立电子有限公司江苏南通226361）
摘　要：从目前的发展趋势看，全球范围内的铝电解电容器供应市场逐步完善，国内的生产供应技术已经在世界范围内名列前茅，尤其在日本产量萎缩减少的情况下，中国企业面临巨大的竞争机遇。

在上行压力、下游需求的影响下，大型高电压铝电解电容器的生产量逐步提升，但依旧面临早期失效问题，包括击穿、短路、压力阀释放等。

这些问题会影响高电压铝电解电容器的使用寿命与安全，需要采取有效的解决措施，本文就此进行了相关的阐述和分析。

关键词：高电压铝电解电容器早期失效失效模式
中图分类号：T M535文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)10(c)-0143-04
Discussion on Early Failure of Large High Voltage Aluminum
Electrolytic Capacitors
DING Xiaofeng
( Nantong Haili Electronics Co., Ltd., Nantong, Jiangsu Province, 226361 China ) Abstract: From the current development trend, the global aluminum electrolytic capacitor supply market is gradually improving, and the domestic production and supply technology has been among the best in the world.
Especially in the case of shrinking output in Japan, Chinese enterprises are faced with huge competitive opportunities.
Under the influence of upstream pressure and downstream demand, the production of large high-voltage aluminum electrolytic capacitors has gradually increased, but they still face early failure problems, including breakdown, short circuit, pressure valve release, etc. These problems will affect the service life and safety of high voltage aluminum electrolytic capacitors, and effective measures need to be taken to solve them.
Key Words: High voltage; Aluminum electrolytic capacitor; Early failure; Failure mode
在手机和通信设备使用的过程中，整体质量虽然主要受到高端芯片质量的影响，但电容器等基础元件的作用也不可小觑。

在现代通信技术迅速发展的背景下，包括5G、工业变频等技术的广泛应用，铝电解电容器的种类更加丰富，包括大型耐高纹波、螺栓式高电压等多种形式，应用领域愈加广泛，对整机性能的影响也更加明显。

由于该元件中有电解液，如果电解液质量不佳，则元件可靠性、使用寿命也会降低。

因此，通过对其早期失效进行研究，使元件的寿命延长，为整机使用提供更加可靠的配套支持。

1 铝电解电容器失效模式分析
1.1 失效模式
铝电解电容器采用高纯铝作为正极和负极引出电极，以及外壳。

介质在正极表面会生成三氧化二铝膜，本质上电解液才是负极，工作的过程中，可以将其视作电解槽，由于正极表面已经形成阳极氧化层，因此不会有电化学反应出现，所以电流为0［1］。

因为电极、电解液存在杂质，所以会出现细小的漏电流。

分局现象分析，常见的失效现象和模式包括电解液干涸、短路、漏电流过大等（见图1）。

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2211-5640-2966
作者简介：丁晓锋（1970—），男，大专，工程师，研究方向为电容器新技术及质量管理。

源与环境工程
如果铝电解电容器不存在质量问题，则通常受到应用环境的影响导致失效。

具体的设计应用环境包括温度、散热方式、电压等［2］。

从使用者的角度分析，短路、开路都为“灾难性失效”，会造成电容器功能完全丧失。

其他失效模式普遍归类为“劣化失效”。

1.2 失效机理
在电解电容器使用的过程中，电容量如果下降到80%初始值以下，则说明使用寿命已经结束。

早期有充足的电解液，随着使用会缓慢减少。

在负荷过程中，电解液不断修补阳极氧化膜，所以含量逐渐下降。

使用后期，因为挥发不断减少，粘稠度也会不断增大，很难处理氧化膜层，造成极板有效面积下降，也就是阳极和阴极的铝箔容量变少，造成电容量大幅度减少［3］。

所以，
容量降低主要受到电解液挥发影响，造成挥发的主要原因是环境温度较高或者发热。

漏电流增加造成铝电解电容器失效，不论是电压图1　铝电解电容器失效模式
能源与环境工过高，还是温度过高，都会增加漏电流。

为避免铝电解
电容器中受高温沸腾气体、电化学过程引发气体的影响，导致高气压爆炸问题，如果直径超过8mm ，则需要设置压力释放装置，这些释放装置可以释放压力，有效避免爆炸危险。

而在压力释放装置动作的同时，也代
表着已经失效［4］。

通常，芯包核心温度下降10℃，则寿命可以提升1倍。

核心通常在电容器中心，这个位置温度最高。

然而，升温到最大温度时，普遍为125℃，电解液受到芯包排挤，导致ESR 提升10倍。

在这种情况下，瞬间超温、过电流都会导致ESR 永久性增大，造成电容器失效。

上电压冲击产生瞬时电压如图2所示。

2 电容器失效浴盆曲线分析
电子元器件失效率与工作时间之间的关系可以通过曲线图来表示，这一曲线图的两头高，中间凹陷，与浴盆相似，所以命名为“浴盆曲线”。

时间表明，大型铝电解电容器的失效率与浴盆曲线相符。

浴盆曲线可以分为I 、II 、III 的3个阶段（如图3所示），在I 阶段，为早期失效阶段，这个阶段最容易发生失效问题，失效率处于峰值，但在时间的推移下，会逐渐降低，下降速度加
快［5］
；II 阶段为使用寿命阶段，该阶段失效发生的概率
最低，处于曲线底部位置，此时的失效具有偶然性，所以这个阶段也称为偶尔失效期；III 阶段为损耗失效期，失效率逐渐提升，随着时间推移再次回到峰值。

以人类的寿命周期对比，I 阶段可以看作幼年、少年时期；II 阶段视作青壮年时期；III 阶段为中老年时期。

随着阶段的变化，失效率也会不断浮动变化。

从生产、使用的角度分析，I 阶段属于生产阶段，II 、III 阶段都在整机使用的过程中进入［6］。

为提升产品质量，使生产厂商有更强的竞争力，应该在I 阶段就做好失效率控制工作，也就是在生产环节就剔除早期失效，确保电容器整机工作效率，使其在使用过程中更加稳定可靠。

3 大型高电压铝电解电容器早期失效探究
从高压铝电解电容器的角度分析，如果没有控制好早期失效，则会影响后期使用。

所以，应该分析早期失效模式和原因，然后采取有效的控制措施。

通常包
括电容器击穿、短路、电性能参数异常等失效模式［7］。

大部分早期失效都是老化导致，包括常温老化和高温老化两类工艺，所以要对老化工艺进行控制，才能降低早期失效率。

具体如下。

3.1 电容器击穿
击穿的类型有很多，包括阳极箔击穿、阴极箔击穿、阳极箔边缘击穿。

边缘击穿的主要原因为上下边缘阳极箔存在较大的纵向毛刺，在通电老化的情况下，毛刺
位置不断出现闪火，将隔离纸戳穿，最终导致正负极短路。

面对这种早期失效情况，可以对裁切阳极箔的刀具进行定期更换，确保裁切效果，避免出现毛刺。

不仅如此，在包卷工序中，操作人员需要监控上下边缘毛刺情况，如果发现不良品需要及时汇报处理。

如果阳极箔的中间位置击穿，则与毛刺无关，且难以发现。

这种击穿
通常因为阳极箔本身存在缺陷，或者有一些瑕疵［8］。

这
个位置氧化膜比较薄弱，在通电老化的情况下，会出现较大的漏电流，导致内部严重发热，影响纸绝缘能力，最后导致局部击穿。

针对此类击穿问题，通常在生产过程中发现，所以要在生产中解决，通过提升老化电压，使产品老化电压提升为450V ，将老化温度提升，使其尽快进入早期失效状态，为剔除失效提供条件。

从本质上分析，电解液才是真正的负极，阴极箔具有负极引出作用。

在设计的过程中，耐压不超过1Vf ，在使用的过程中，通常会出现反向电压，如果阴极箔无
法承受，则会出现击穿现象，造成失效［9］。

为避免此类
失效，应该采用加压阴极箔。

在对各个工序严格控制的情况下，避免氯离子污染，才能降低击穿失效的发生概率。

3.2 电性能参数异常
在电容器出厂之前，需要进行全面检测，主要对额定容量、损耗、额定工作电压条件下的漏电流进行检测。

如果这3项参数不符合标准数值，
则说明电容器失效。

不同厂家对参数的规定范围不同，
通常在寿命周期内容量变化不超过初始值±20%的情况下，损耗应
图2　上电压冲击产生瞬时电压
图3　浴盆曲线
源与环境工程
该在初始值的2倍以内，漏电流不能超过规定值［10］。

在严格的老化工序、出厂检验下，电容器参数与标准参数完全一致，如果有早期失效的产品，会在生产过程中淘汰。

在工作状态下，使用寿命过程进入II阶段，通常不会发生电性能参数异常的问题。

如果进入III阶段，则可能出现容量减小、损耗加大、漏电流增多等参数异常情况，这是因为氧化膜已经劣化或者出现缺陷，而且电解液量也变少。

所以，在选择电容器的过程中，应该对寿命、额定工作温度、电压进行分析，结合成本预算选择恰当的电容器，确保电容器性能与实际使用需求相符。

3.3 压力阀释放
压力阀释放主要原因为芯包内部压力上升，通常防爆压力约为0.7MPa（螺栓品），在内压超过这个数值的情况下，压力阀会打开。

内压增加主要因为芯包中温度上升，气压也突然增加，导致温度升高的原因有很多，包括过电压较大、纹波电流超出标准、反向电压施加、频繁充放电等［11］。

根据这些原因，在选择电容器的过程中，应该对厂家说明书进行详细解读，掌握具体的参数标准和使用要求。

例如，电解电容器有专门的额定工作电压，在电压超出额定值的情况下，极端过压情况，会造成阳极氧化膜受损，损耗随之增加，等效串联电阻ESR也会因此加大，电容温度更容易上升，内压随之升高，造成阀开［12］。

不仅如此，纹波电流低于规定值。

纹波电流就是在温度最高的条件下，电容器可承受的最大交流纹波电流有效值，这种电流不同于其他性能参数，无法使用仪器测试，厂家会在使用说明书上对电流大小进行标注，使用时应该控制在标注值的范围内。

如果纹波电流过大，芯包热度会大幅度上升，内电解纸碳化变黑，还会出现一些干斑，造成固定剂融化，内部压力快速积累，造成阀开。

如果在温度较高的环境中使用导致阀开，应该根据说明书中指定的温度进行调整，通常为85℃和105℃。

如果超出规定温度，则电容器会在预计时间之前进入III阶段，造成电解液干涸，不仅漏电会明显上升，损耗也会大幅度增加，芯包发热造成阀开［13］。

所以，在使用的过程中，根据说明书控制温度十分重要，可以确保电容器处于正常工作状态，避免提前进入III阶段。

4 结语
综上所述，为有效控制大型高电压铝电解电容器的早期失效问题，需要从生产过程入手，分析造成早期失效的主要原因和常见的失效类型，针对不同类型的失效问题，采取对应的解决措施。

主要控制生产制造环节，同时进行全方位的检测，确保各个出厂电容器都符合标准要求。

在使用过程中，要严格按照厂家说明书规划使用，也要根据需求合理选择，确保使用安全。

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