大容量超高压铝电解电容器的研究_廖振华
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)-0143-04Discussion on Early Failure of Large High Voltage AluminumElectrolytic CapacitorsDING 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。
超高压铝电解电容器化成箔制备工艺研究
收稿日期:2021-03-31通信作者:董晓红,高级工程师,硕士,主要从事铝电解电容器阳极箔工艺研究㊂E-mail :570130981@qq .com电子元件与材料Electronic Components and Materials第40卷Vol .40第5期No .55月May2021年2021超高压铝电解电容器化成箔制备工艺研究董晓红,尹君驰,黄㊀勇,刘克毅,武玉柱(新疆工程学院机电工程学院,新疆乌鲁木齐㊀830047)摘㊀要:化成箔是铝电解电容器的关键原材料,要制造超高压铝电解电容器,必须提供超高压化成箔㊂通过在阳极铝箔上预形成一定厚度的多孔膜阻挡层,经过封孔后进行多级高压阳极氧化,形成了超高压(1000V 以上)化成箔㊂借助扫描电子显微镜(SEM )对氧化膜厚度进行测量,研究了不同氧化条件对多孔膜的厚度的影响以及对化成箔耐压值的影响㊂通过IR 红外光谱和X 射线衍射图谱测试分析发现,铝箔表面氧化膜中含有无定形Al (OH )3㊁γ1-Al 2O 3㊁三水氧化铝㊂研究结果表明:在一定范围内,伴随着氧化时间的增加㊁氧化温度的升高,多孔膜的厚度值则越大;该方法克服了传统工艺的局限性,取得了超高压化成箔制备工艺的技术突破㊂关键词:超高压;铝电解电容器;阳极箔;多孔氧化膜;化成工艺中图分类号:TM 535文献标识码:ADOI :10.14106/j .cnki .1001-2028.2021.1871引用格式:董晓红,尹君驰,黄勇,等.超高压铝电解电容器化成箔制备工艺研究[J ].电子元件与材料,2021,40(5):430-435.Reference format :DONG Xiaohong ,YIN Junchi ,HUANG Yong ,et al.Preparation technology of ultra -high voltage aluminum electrolytic capacitor formed foil [J ].Electronic Components and Materials ,2021,40(5):430-435.Preparation technology of ultra -high voltage aluminum electrolyticcapacitor formed foilDONG Xiaohong ,YIN Junchi ,HUANG Yong ,LIU Keyi ,WU Yuzhu(College of Mechanical and Electrical Engineering,Xinjiang Institute of Engineering,Urumqi㊀830047,China)Abstract :Formed foil is the key raw material for aluminum electrolytic capacitors.To manufacture ultra -high voltage aluminum electrolytic capacitors ,ultra -high voltage formed foil must be provided.By pre -forming a porous membrane barrier layer of a certain thickness on the anode aluminum foil and multi -stage high voltage anodization after sealing ,an ultra -high voltage (above 1000V )foil was formed.The effect of the oxidation conditions on the thickness of the porous film andthe pressure resistance value of the chemical foil was investigated by measuring the thickness of the oxide film with scanning electron microscopy (SEM ).IR infrared spectroscopy and X -ray diffraction measurement revealed that the surface oxide film of the aluminum foil contained amorphous Al (OH )3,γ1-type alumina ,and alumina trihydrate.The results show that the thickness of the porous film increases with the increase of oxidation time and oxidation temperature within a certain range.This method overcomes the limitations of the traditional process and makes a technological breakthrough in the preparation ofultra -high pressure chemical foil.Key words :ultra -high voltage ;aluminum electrolytic capacitors ;anode foil ;porous oxide film ;chemical formation process㊀㊀近年来,随着5G 通信技术与新能源汽车迅速发展,对UPS 电源㊁混合动力及电动汽车的电源控制系统㊁太阳能与风能发电电源管理系统等配套使用的铝电解电容器也提出了新的要求,特别是对超高压铝电解电容器的需求量激增[1]㊂同时,大型设备中的电器电源需要提高效率且不增加电流,也要求铝电解电容董晓红,等:超高压铝电解电容器化成箔制备工艺研究器具有较高的耐压值㊂李彦江等[2]在超高压铝电解电容器用阳极箔腐蚀工艺中,腐蚀箔经过二级阳极氧化,化成箔耐压值达到664V;迟慧等[3]通过对特高压电容器用化成箔微观形貌的理论计算得出,用于700V化成的腐蚀箔的孔径应大于0.99μm,且化成电压越高,要求腐蚀箔的孔径越大㊂李焱根等[4]对超高压铝电解电容器工作电解液闪火电压进行了研究,开发了适用于600V超高压铝电解电容器的电解液㊂大量文献表明,国内600V以内的铝电解电容器及其主要原材料腐蚀化成箔的制备工艺研究已经有了深度积累,但是超高压电容器及其阳极箔的研究仍然较少[5]㊂目前日本已推出工作电压750V的超高压铝电解电容器产品,而国内在工作电压600V以上的超高压铝电容器技术还不成熟㊂以现有的制备技术无法使铝电解电容器的耐压值进一步提高,尤其是该产品的关键原材料 阳极箔氧化膜的制备仍是一个难题㊂因此,对超高压(1000V 以上)化成箔制备工艺研究与开发,对于我国铝电解电容器行业乃至电子产业的发展都具有非常重要的意义㊂笔者对超高压化成箔阳极氧化溶液的选择进行了大量的研究,无论是有机溶液体系还是无机溶液体系,要实现1000V以上的超高压化成,电解液的闪火问题是一个难以解决的关键点㊂即使有闪火电压超过1000 V的电解液,其化成的电流效率很低,电耗成本极高,因而按常规的阳极氧化方法难以实现1000V以上的工业化生产㊂本文通过一种特殊的化成工艺,先形成前置多孔氧化膜[6-11]再进行常规阳极氧化,通过TV测试仪检测化成箔耐压值达到了1000V以上,并通过SEM和XRD等检测方法分析氧化膜的特点㊂1㊀实验1.1㊀试验原料原料采用新疆众和股份有限公司生产的铝电解电容器用高压铝箔(99.99%Al)㊂所用试剂硼酸㊁磷酸为电容级,其余为AR级㊂1.2㊀实验过程1.2.1㊀多孔氧化膜制备将裁制尺寸为10mmˑ50mm的高压铝箔样片用质量分数2%NaOH溶液常温处理10min,去除表面的氧化膜和油污㊂然后将碱液处理过的铝箔试样在一定浓度的N溶液中加电压控温氧化,生成一定厚度的多孔膜㊂具体如下:将盛装250mL纯水的烧杯中加入12.5mL的分析纯N配置成体积分数为5%的N溶液㊂将表面处理后的高压铝箔试样接入电路正极,负极为对面电极铝板,放入配置好的N溶液中,连接电源㊂电源柜电压设定15V,电流设定75mA㊂1.2.2㊀多孔膜封孔处理将制备前置多孔膜的高压铝箔试样放入沸水中,生成密封性氧化膜㊂将试样进行热处理后再进行二次沸水处理封孔㊂具体如下:将纯水加热至100ħ左右,将形成前置多孔膜的铝箔放入沸水中20min左右,取出后将铝箔试样在马弗炉中515ħ热处理2min㊂然后再二次沸水处理10min,最后于515ħ热处理2min㊂1.2.3㊀超高压化成箔制备将封孔处理后的铝箔试样进行多级阳极氧化,最终形成耐压值大于1000V的化成箔㊂步骤如下:①在电解槽里配置质量浓度为35g/L硼酸溶液,温度加热至85ħ时检测电导率为42μS/cm㊂②电源电压设定550V,电流设定0.1A㊂将配好的硼酸溶液恒温85ħ,将铝箔试样接入电路正极,不锈钢槽体为阴极,恒压氧化10min㊂③将上述铝箔试样在马弗炉中515ħ热处理2min㊂④电压设定750V,电流设定0.08A,将电解液恒温至85ħ,铝箔试样接入电路正极,通电化成10min㊂⑤将上述铝箔试样515ħ热处理3min㊂⑥电压设定950V,电流设定0.08A,将电解液恒温至85ħ,铝箔试样接入电路正极,通电化成5min㊂⑦将上述试样于515ħ热处理2min㊂⑧950V复片化成5min㊂1.3㊀氧化膜的剥离分别将预形成多孔膜的阳极铝箔和高压化成后的阳极铝箔试样浸入剥离液中40min,剥离液为5.5 mol/L HCI㊁0.1mol/L CuCl2㊃2H2O㊁0.3mol/L FeCl3㊂然后再浸入0.5mol/L磷酸溶液30min,温度为30ħ,捞出后用去离子水洗净,自然干燥备用㊂1.4㊀表征仪器所制备样品的微结构㊁形貌和氧化膜厚度采用扫描电子显微镜(德国ZEISS,EV050)表征,晶相结构采用X射线衍射仪(德国布鲁克,D8)检测,超高压化成箔耐压值和升压时间等采用电解电容器阳极箔TV 特性测试仪(扬州双鸿电子有限公司定制,恒压值0~ 1200V)检测㊂2㊀结果及讨论2.1㊀氧化温度对多孔膜性能的影响将碱液清洗过的8组高压铝箔试样置于体积分数㊃134㊃电子元件与材料为5%的N 溶液中,并分别在10,15,20,25,30,35,40,45ħ下进行氧化处理,其氧化膜厚度如图1所示㊂可以看出,在溶液浓度和氧化时间不变的情况下,多孔膜的厚度随着氧化温度的升高而增加,达到某一最大值后,开始下降㊂因为氧化膜的增厚是铝/氧化膜界面的电化学成膜与膜/电解液界面的化学溶解共同作用的结果㊂通常随着电解液温度的提高,氧化膜的溶解速度也增大,当氧化膜的生成速度与溶解速度相等时,则氧化膜的厚度不再增加,达到一个极限值,如果电解液温度过高,增加膜的溶解能力,使膜的溶解速率大于其生成速率,膜的厚度降低㊂图2给出了不同温度条件形成多孔膜的截面SEM 照片㊂从图2可以看出,电解液温度控制在20ħ形成的多孔膜比较均匀㊂根据前人研究推断,要得到耐压值在1000V 以上的化成箔,需要确定预形成多孔膜厚度在1.2~1.6μm ㊂因此,在N 溶液体积分数为5%,氧化电压为15V ,氧化时间为10min ,温度控制在20ħ时,氧化膜厚度最佳㊂图1㊀不同氧化温度下的多孔膜厚度Fig .1㊀Thickness of porous film at differentoxidationtemperatures图2㊀不同氧化温度下氧化铝多孔膜的SEM 截面形貌图Fig .2㊀SEM cross -sectional morphology of porous alumina films at different oxidation temperatures㊀㊀按照上述条件制备前置氧化膜的铝箔经过多级阳极氧化后形成耐压值为1000V 的化成箔㊂从图3可以清楚地看出,氧化膜由内外两层组成:与高纯铝箔基体接触的较致密的阻挡型膜和外层较厚较疏松的多孔型膜㊂致密层厚度为0.353μm ,疏松层厚度为2.228μm ㊂在高倍电镜下观察,发现氧化膜中存在一些龟裂纹,这些裂纹将氧化膜分裂割开㊂这一现象充分说明,氧化膜层在生长过程中存在一个高温脱水的过程㊂灰色膜层的这种龟裂纹截面结构与常规铝阳极氧化法形成的氧化膜截面结构存在较大的差异,因此推断其成膜过程非一般阳极氧化理论所能解释[12-13]㊂㊃234㊃董晓红,等:超高压铝电解电容器化成箔制备工艺研究图3㊀阳极氧化后氧化膜结构SEM 图Fig .3㊀SEM image of oxide film structure after anodic oxidation2.2㊀氧化时间对多孔膜性能的影响采用尺寸10mm ˑ50mm 的高压铝箔试样,氧化液为体积分数5%的N 水溶液,溶液温度为20ħ,电源电压设定15V ,电流设定75mA ㊂通电氧化时间分别为5,10,15,20min ㊂将剥离液中处理好的多孔膜用扫描电镜来观察,测量不同阳极氧化时间时的阳极氧化铝膜的厚度,结果如图4㊂从图4可以看出,在溶液浓度和氧化温度不变的情况下,多孔膜的厚度随着氧化时间的延长而增加㊂由于氧化膜的稳定生长遵循法拉第定律,并可写成:M =KIt(1)式中:M 为氧化铝膜厚度;K 为包含电流效率在内的系数;I 为电流强度;t 为通电时间㊂上式表明,氧化膜厚度与氧化时间成正比关系㊂因为电流密度恒定,因而可以近似地推断K 为一常数,所以随着氧化时间的延长,氧化膜厚度近似线性地增加㊂图4㊀不同氧化时间下的多孔膜厚度Fig .4㊀Porous film thickness at different oxidation time图5是不同氧化时间的多孔膜SEM 照片,厚度为1.4~1.8μm ,符合本研究研制超高压阳极箔的需求,多孔氧化膜比较均匀㊂同时电镜观察也表明,在不同的条件下形成的多孔膜具有相同的结构,即由内层致密的阻挡层和外层的多孔层两部分组成㊂图5㊀不同氧化时间多孔膜厚度SEM 照片Fig .5㊀SEM photos of porous film thickness at different oxidation time㊃334㊃电子元件与材料2.3㊀封孔处理对氧化膜性能的影响将尺寸10mm ˑ50mm 的高压铝箔试样在体积分数为5%的N 溶液中,氧化温度20ħ,氧化时间10min 条件下制备的高压铝箔,按照1.2.2节多孔膜封孔处理方式得到密封性氧化膜试样B ㊂将试样B 与未经过封孔处理的前置氧化膜试样A 进行剥膜后晾干比较,如图6所示㊂图6㊀多孔膜封孔处理前后SEM 对比照片Fig .6㊀SEM comparison photos before and after porousmembrane sealing treatment从图6中SEM 照片可以看出,封孔处理前后氧化膜的厚度变化不大,处理前厚度为1.403μm ,处理后的厚度为1.497μm ㊂但是微观形貌有很大变化,说明箔片经过封孔处理后,多孔性膜转化为水铝石膜,后者的体积较原氧化物为大,因此将使膜上的无数小孔洞填封,结果成为一密封的氧化膜㊂2.4㊀多孔膜氧化时间对超高压化成箔性能的影响将不同氧化时间形成不同厚度前置氧化膜的试样按照1.2.2节封孔处理,再按照1.2.3节制备超高压化成箔㊂铝箔试样尺寸10mm ˑ50mm ,实验电源电压设定15V ,电流设定75mA ,前置多孔膜氧化溶液为体积分数为5%的N 溶液,氧化温度为20ħ,超高压化成液为质量浓度35g /L 硼酸溶液㊂采用电解电容器阳极箔TV 特性测试仪对高压化成箔耐压值和升压时间进行检测,结果如表1所示㊂表1㊀多孔膜不同氧化时间下的高压化成箔耐压值Tab .1㊀High -pressure chemical foil pressure resistance valuesfor porous films with different oxidation time注:T r 为升压时间;V t 为耐压值㊂从表1可以看出,在其他条件不变的情况下,多孔膜氧化时间分别为12,15,18,21min 时,高压阳极箔均能达到耐压值1000V ,平行试样重复性较好㊂由此可知,多孔膜厚度对超高压化成箔形成耐压值的高低没有决定性作用㊂只要在高压铝箔上有一定厚度的多孔膜阻挡层,也就是预先形成一层前置多孔氧化膜,在硼酸电解液中多级阳极氧化就可以制备出耐压值高于1000V 的化成箔㊂2.5㊀化成箔氧化膜物相分析将1000V 超高压化成箔按照1.3节所述剥膜方法,制取氧化膜试样,进行X 射线衍射图谱分析和IR 红外光谱分析,见图7和图8㊂经采用试样检测图谱和纯组分标准图谱对比的方法可知:图7检测图谱在d =1.9639处有强峰,在d =1.3902处有强峰,在d =2.2436处有弱峰;对照标准图谱可知,氧化膜中含有γ-Al 2O 3㊂图8检测图谱在波数为2800~3600cm -1处有宽峰,在波数为3452cm-1处有强峰,在波数为2926,3010和2820cm -1处有单峰,在波数为1637cm -1处有单峰,在波数为1300~1800cm -1处有宽峰,在波数为400~1000cm -1处有强宽峰,在波数710cm -1处有强峰,在波数为579cm-1处有强峰;经和标准图谱比对可知,氧化膜中含有γ-AlOOH ㊁无定形Al (OH )3㊂由于化成箔氧化膜是在水㊃434㊃董晓红,等:超高压铝电解电容器化成箔制备工艺研究溶液中形成,并在碱液中剥离,热处理温度不超过550ħ,因此判断氧化膜由水㊁无定形氧化铝㊁无定形氢氧化铝㊁γ-Al 2O 3㊁γ1-Al 2O 3㊁三水氧化铝和一水软铝石其中的一种或几种组分构成㊂综合分析可推断氧化膜中有无定形Al (OH )3㊁γ1-Al 2O 3㊁三水氧化铝㊂图7㊀化成箔氧化膜XRD 谱Fig .7㊀XRD spectrum of oxide film on formedfoil图8㊀化成箔氧化膜IR 红外光谱Fig .8㊀IR spectrum of oxide film on formed foil3 结论(1)在铝阳极氧化过程中,氧化温度㊁氧化时间对阳极氧化多孔膜的厚度有着较大的影响,氧化时间越长,氧化膜厚度越厚;氧化温度升高,膜厚会逐渐增加,但温度过高,膜厚会随温度的升高而逐渐降低㊂(2)利用扫描电子显微镜可观察到阳极氧化铝膜微孔分布均匀,在不同的条件下形成的多孔膜具有相同的结构,即由内层较致密的阻挡型膜和外层较厚较疏松的多孔型膜组成㊂(3)通过IR 红外光谱分析和XRD 光谱分析,可推断超高压化成箔表面氧化膜中有无定形Al (OH )3㊁γ1-Al 2O 3㊁三水氧化铝㊂(4)实验证明,高压铝箔通过预形成多孔膜阻挡层后进行高压化成,化成箔耐压值达到了1000V 以上,取得技术突破,实现了超高压化成箔的制备㊂参考文献:[1]季张林,丰骏,丁继华,等.105ħ超高压焊针式铝电解电容器的研制[J ].电子技术与软件工程,2019(23):217-218.[2]李彦江,吴洪达,刁历,等.超高压铝电解电容器用阳极箔腐蚀工艺研究[J ].轻合金加工技术,2015,43(8):49-53.[3]迟慧,洪涛,邹道兵.特高压电容器用电极箔腐蚀工艺研究[J ].电子元件与材料,2009,28(5):58-61.[4]李焱根,贾明,艾燕,等.超高压工作电解液闪火电压提升机理及应用研究[J ].电子元件与材料,2018,37(1):28-34.[5]徐志友,李三华,金恒.试析超高压铝电解电容器用阳极箔腐蚀工艺[J ].自动化应用,2018,12:157-158.[6]谭毅阳,方玉,程义,等.氧化铝㊁氧化钛多孔膜的阳极氧化制备与微结构比较[J ].电子元件与材料,2017,36(8):39-44.[7]张勇,冯辉,金远锋,等.多孔铝阳极氧化膜的制备及膜孔的影响因素[J ].电镀与精饰,2009,31(3);9-12.[8]杨培霞,安茂忠,郑铁帅.A /草酸混酸电解液中阳极氧化法制备多孔阳极氧化铝模板[J ].无机化学学报,2005,21(12):1908-1911.[9]张茂贵,王君,汤水,等.微米级三维多孔高纯铝材料的制备与特性研究[J ].中南大学学报(自然科学版),2020,51(11):3093-3099.[10]侯朝辉,刘建平,许岩,等.铝表面高压阳极氧化膜层结构分析[J ].中国腐蚀与防护学报,2001,21(3):177-180.[11]朱绪飞,宋晔,肖迎红,等.纳米多孔铝阳极氧化膜的形成机理研究[J ].真空科学与技术学报,2007,27(2):113-117.[12]陈国光,曹婉真.电解电容器[M ].西安:西安交通大学出版社,1994.[13]刘子涵,杜显锋,徐友龙,等.铝阳极氧化残存水合氧化膜热稳定性研究[J ].电子元件与材料,2015,34(5):15-18.㊃534㊃。
高比容铝电解电容器关键技术进展
高比容铝电解电容器关键技术进展摘要：电容器作为现代工业生产中必不可少的电子元件，其用量大，且使用范围广泛。
当前的常见的电容器主要有电解、有机薄膜、陶瓷等三大类，我国电容器的年产量在全球电容器年产量中所占比例约为33%，其中铝电解电容器在三大类电容器的产量中所占比例接近50%。
随着科学技术的不断发展，国内外的铝电解电容器技术也在不断的优化、完善和创新，铝电解电容器的应用范围不断扩大，其需求量也不断增加。
基于此，本文从铝电解电容器的结构及原理入手，介绍了当前铝电解电容器的关键技术，对国内外铝电解电容器技术发展进行了简单的比较，并对其未来的发展趋势进行了简要阐述。
关键词：铝电解电容器；国内外技术现状；发展趋势铝电解电容器以单位体积电容量大、体积小、重量轻、价廉而著称,在各种电子电路中被广泛用于低频滤波、音频耦合、隔直流、储能等,属于大量使用的、不可取代的电子元件之一。
近年来随着国际信息产业的飞速发展,显示器、电源供应市场、主板更新以及PS2对V-Chip、汽车电子的促进都给电容器市场注入了新的活力。
科学技术的发展使铝电解电容器的应用领域也在不断地拓宽。
可以预见,铝电解电容器的生产与销售在今后相当长的时间内不仅不会萎缩,反而将具有更强的生命力和更广阔的发展空间。
为适应电子整机不断向小型化、高密度组装化方向迅速发展,将进一步缩小铝电解电容器体积,提高比容,延长寿命,降低等效串联电阻。
1.铝电解电容器的结构及原理铝电解电容器是一种采用特殊制造工艺和特殊结构生产制造的电容器，其分为阴极和阳极两个电极板，其中阳极是采用特殊定制的阀金属，并借助电化学方法在阀金属的表面生成一层厚度极薄且具有单向导电性的氧化膜，并且将该层薄膜作为介质；铝电解电容器的阴极是一种采用固状电解质或能够生成和修复氧化膜介质的液状电解质。
目前，常用的铝电解电容器为是箔式卷绕型结构，其阳极为铝质金属箔，采用电化学方法在阳极的铝金属箔表面生成一层AL2O3氧化膜作为介质；而阴极则采用多孔性电解纸所吸附的工作电解质。
大容量铝电解电容在DAM中波发射机中的应用与维护
大容量铝电解电容在ＤＡＭ中波发射机中的应用与维护在各类电容器件中，铝电解电容因其体积小、容量高等特性，得到了广泛应用，主要用于交流电压整流后的滤波、储存能量等。
上海广播电视技术中心五二二台引进使用的哈广ＤＡＭ５０ｋＷ中波发射机，其功放电源整流滤波电路部分，就大量使用了此类电容。
然而，由于该发射机采用的未知品牌的电容，铝电解电容稳定性较差，影响了其寿命，为机器设备的日常运行及维护工作带来了一定困难。
上海广播电视技术中心特邀请上海BIT-CAP技术中心对相关电容进行了分析。
１铝电解电容特质１．１电容构造铝电解电容是由经过腐蚀而形成氧化膜的阳极铝箔，中间隔着电解纸与阴极铝箔卷绕后，通过多片引出薄片，将阳极、阴极铝箔分别连接到电容的铝杆终端，再整体浸溃工作电解液，密封在铝壳中而制成。
如铝电解电容内部结构图，即图１所示，在非固态电解液的电容里，电介质为阳极铝箔氧化层，电解液是阴极铝箔和阳极铝箔氧化层之间的电接触，浸润着电解液的纸介层成为阴极铝箔与阳极铝箔之间的隔离层。
１．２电容寿命影响因素就电容自身而言，影响其寿命的因素主要为选材用料好坏、加工工艺优劣等；就电容应用的外部条件而言，影响其寿命的因素则涉及工作温度、安装方式、纹波电流、工作电压等。
１．３电容失效类型１．３．１开路失效开路失效一般因引出线与铝杆之间的焊接处被腐蚀断开而产生，由于选材及制作工艺等原因，引出线与铝杆对焊后会在焊点处形成Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｐｂ等共熔物，外加电解液含有水分时，上述共熔物将在其浸润中形成微电池腐蚀。
电容封盖还有可能因老化而析出Ｃ１－、Ｓ０４２－等杂质离子，也会加速对焊点的腐蚀。
在电容外加电压时，电解液中Ｃ１－、ＯＨ－等负离子在电场的作用下趋向正极焊点处，所以，断点大都出现在正极上，负极区域则缺少这些离子，焊点一般保持完好。
１．３．２电解液干涸失效造成电容电解液干涸失效的原因有两个，原因一为封装工艺瑕疵等问题造成电容密封不好，电解液通过泄压孔、引线孔或滚边处，过快逸出铝壳外；原因二为电容超出实际工作温度所对应的额定工作时限，在电性能上主要表现为电容容值C缓慢减少，串联电阻逐渐增大；１．３．３冒气漏液失效因外加电压超出电容额定电压、纹波电流过大或工作温度过高等原因，会使铝电解电容冒气漏液失效，造成电容严重受损，电性能快速劣化。
电解电容器用超低电阻率工作电解液
电解电容器用超低电阻率工作电解液
廖振华;徐永进;陈建军;赵方辉;蒋晓华
【期刊名称】《电子元件与材料》
【年(卷),期】2006(25)7
【摘要】用水作主溶剂,通过磷酸系和螯合物等多种添加剂的共同作用,成功开发出可用于超低阻抗电解电容器的超低电阻率工作电解液,该电解液的电阻率为7～10 Ω·cm.将此电解液用于6.3 V,1 000 μF电解电容器中,制得的电解电容器具有超低阻抗(≤8 mΩ),低漏电流,105℃贮存1 000 h无异常,且105℃寿命在2 000 h以上,可取代进口电解液用于工业生产.
【总页数】2页(P15-16)
【作者】廖振华;徐永进;陈建军;赵方辉;蒋晓华
【作者单位】深圳清华大学研究院,广东,深圳,518057;深圳清华大学研究院,广东,深圳,518057;深圳清华大学研究院,广东,深圳,518057;深圳清华大学研究院,广东,深圳,518057;深圳清华大学研究院,广东,深圳,518057
【正文语种】中文
【中图分类】TM535.+2
【相关文献】
1.铝电解电容器用工作电解液的常规分析方法 [J], 王慨
2.铝电解电容器用难燃性工作电解液 [J], 廖振华;徐永进;蒋晓华;赵方辉;陈建军
3.铝电解电容器工作电解液主溶质的研究进展 [J], 丁姣;谭杰安;辜国标
4.电容器用超低电阻率工作电解液与CP线腐蚀 [J], 廖振华;罗旭芳;徐永进;陈建军
5.铝电解电容器用新型宽温高压工作电解液 [J], 邓小成;王红强;李庆余;裴飞;雷桂秀;李素萍
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W / % 30 ～ 50 20～ 35 5 ～ 10 4 ～ 8 5 ～ 10 0. 1～ 2
2. 2 防芯子变形的设计 大容量超高压铝电解电容器产品一般用于大型
电子设备 , 使用过程中时常会出现内部压力值过大 的情况. 例如当电子设备发生故障 , 或者在误操作的 情况下 , 往往会将一个超出额定值的电压或者一个 反向电压加到电解电容上. 在电解电容上加上一个 超出正常值的电压 , 由于氧化铝膜的生成及超常发 热等原因 , 促使电容器内部压力上升. 即使在正常情 况下使用电解电容 , 如果在电容上长时间施加一定 的电压 , 由于阳极氧化铝膜的自修复作用 , 也会产生 气体 , 并使电解电容内部压力逐渐上升. 大容量超 高压铝电解电容器常设计为这样一种结构 , 一旦内 部压力超过某一定值 , 压力阀动作 , 从而防止发生电 容器破裂等危险 , 但由于大容量超高压铝电解电容 器外形尺寸超大 , 相应的芯子尺寸也超大 , 当内部压 力过大引起压力阀动作后 , 芯子在气体冲击下时常 会发生局部挤压变形(见图 1(a)所示), 导致阳极箔 与阴极箔发生短路 , 甚至可能引发燃烧事故.
解电容器(550 V , 8200 μF , Υ100 mm ×220 mm) , 可承受高纹波电流(120 Hz , 20. 5 A)且寿命长 , 耐久性达到 85℃, 5 000 h, 有
较好的应用前景.
关键词 :铝电解电容器 ;大容量 ;超高压 ;圆形支承片 ;铝片
中图分类号 :TM535. 2
第
30 卷 第 2 2007 年 4 月
期
电子器件
Chinese Journal Of Electron Devices
Vol. 30 No. 2 Apr. 2007
Research of High Capacitance and Extra-High Voltage Aluminum Electrolytic Capacitors
大容量超高压铝电解电容器的工作电解液. 经优化
试验所得的超高压工作电解液配方如表 1 所示. 电
解液性能参数 :σ30 ℃ ≈0. 5 ms / cm , U s ≥600 V , pH = 5. 5 ～ 6. 5.
组分
表 1 超高压工作电解液
带支链 乙二醇 二甘醇 的羧酸
铵盐
硼酐
高分子 添加剂 聚合物 和液氨
Abstract :Accordi ng to t he charact erist ics o f hig h capacit ance and ex t ra-hig h v olt ag e aluminum elect roly tic capaci to rs fo r large electro nic equipment , the desig n principle o f such alumi num elect roly tic capacit ors w as analyzed. A new capacit or o f this kind w as obtained by developing high vo ltage w o rking elect roly te and pro viding a met hod f o r avoiding t ransf orm ation of element w it h a disc shaped element suppor ter added and decreasing weld scat he w it h t he aluminum f oil chip superi mpo sed. Such capacito r(550V , 8200μF , Υ100mm ×220mm) had hig h ripple current capabilit y(120H z , 20. 5A) and excellent hig h-t emperat ure charact eri sti c fo r 5000h under lo ad , at 85 ℃. T he lat ter i s promi sing . Key words :aluminum electro ly ti c capacito rs ;high capacit ance ;ex tra-hig h vo lt ag e ;disc shaped element suppor ter ;aluminum f oil chi p EEACC :2 130
针对大容量超高压铝电解电容器具备的特点 , 本文从以下方面进行研究 :① 大容量超高压铝电解 电容器的额定工作电压超高 , 额定纹波电流大 , 其使 用的工作电 解液必 须具备 极高的 闪火电 压(大 于 600 V)和良好的氧化效率 ;② 虽然大容量铝电解电 容器都设计了压力阀 , 当电容器内部压力增大到一 定值时压力阀作用 , 可避免电容器发生破裂. 但电容 器外形尺寸超大 , 芯子体积也很大 , 压力阀开启时芯 子在气体压力冲击下往往会发 生挤压变形产 生短 路 , 并发生燃烧事故. 因此需考虑采用工艺优化来防 止芯子变形燃烧 ;③ 采用一定措施 , 减少因引箔条 焊接点造成的阳极氧化膜损伤 , 减少老化过程中电 容器击穿的发生.
L I AO Z hen-hua , XU Y ong-j in , CH EN J ian-j un , J I A NG X iao-hua , Z H AO Fang-hui
(Research Inst it ut e o f Tsi ngh ua Uni versi t y In Shenz hen , S henz hen Guang dong 518057 , China )
2 研制
2. 1 工作电解液的研制 工作电解液是铝电解电容器的实际阴极 , 是研
制大容量超高压铝电解电容器的关键. 针对产品具 有耐超高压 、耐大纹波电流的特点 , 所使用的工作电 解液必须具有良好的氧化效率 、极高的闪火电压(大 于 600 V)和较低的电阻率.
溶剂是工作电解液的基础 , 超高压工作电解液 的溶剂采用以乙二醇为主溶剂的混合溶剂体系 , 加 入二甘醇降低溶剂体系的蒸汽压 , 增强总体溶剂化 效应 , 且有助于提高工作电解液的闪火电压[ 3] .
图 2 圆形支承片的外形构造
2. 3 减少焊接点氧化膜损伤的设计 大容量超高压铝电解电容器最大外形尺寸已达
Υ100 mm ×250 mm , 相应阳极箔的几何面积可达数 平米 , 在其上焊接引箔条时 , 由于引箔条数量多 , 焊 接点很多 , 阳极氧化膜的损伤面较大 , 这种情况下大 容量超高压铝电解电容器老化时会产生非常大的热 量及很多气体 , 进行老化工艺时极易导致电容器鼓 底甚至击穿. 这种状况可以通过调整老化工艺来改 善 , 但效果还不够理想. 本研究从减少阳极氧化膜的 损伤面着手设计 , 在引箔条与阳极箔的焊接点表面 覆盖小块铝条(见图 3 所示), 铝条经表面加工和
1 大容量超高压铝电解电容器的主要 特点
大容量超高压铝电解电容器具备以下特点[ 2] : ① 电解电容器的耐电压非常高 , 额定工作电压通常 超过 550 V , 瞬间可承受的极限电压更高 , 通常超过 600 V ;②要求能承受特别大的纹波电流. 大容量超 高压铝电解电容器一般用于各种大型电子设备 , 其 额定纹波电流往往要求超过 20 A ;③ 大容量超高 压铝电解电容器的外形尺寸超大 , 如 nichico n 公司 最大产品外形尺寸已达 Υ100 m m ×250 mm , 如此
在溶质方面 , 为了使工作电解液具有极高的闪 火电压 , 选用硼酐和带支链的长碳链羧酸铵盐组成 混合溶质[ 7-8] . 通常用于高 压工作电解 液的无机 酸 (盐)为硼酸和五硼酸铵 , 可有效提高工作电解液的 闪火电压 , 但与乙二醇反应生成的水分较多 , 这对电 解液的综合性能非常不利. 选用硼酐可有效避免电 解液中水分增加 , 同时 也可获得高的 闪火电压. 然 而 , 单纯使用硼酐做溶质 , 工作电解液的氧化效率低 且高温稳定性较差. 大分子量的带支链的长碳链羧 酸铵盐耐电压高 、氧化效率好且高温稳定 , 和硼酐按 照一定比例添加到工作电解液中 , 可获得高的闪火
大容量超高压铝电解电容器的研究
廖振华 , 徐永进 , 陈建军 , 蒋晓华 , 赵方辉
(深圳清华大学研究院 , 广东 深圳 518057)
摘 要 :针对大型电子设备用大 容量超高压铝电解电容器的特点 , 分析了此类电容 器的设计 原理 , 通 过开发超 高压工作电 解
液 , 进行防芯子变形设计 , 增加带孔圆形支承片 , 并采用覆盖铝片 的设计来减少焊接 点氧化膜 损伤 , 研 制出大容 量超高压铝 电
电压 、良好的氧化效率和较低电阻率. 此外 , 在电解
液中加入一些高分子聚合物 , 可使工作电解液呈现
近似凝胶状态 , 降低电解液饱和蒸汽压 , 进一步提供 工作电解液的闪火电压[ 6] . 添加剂方面 , 可选用磷酸
及其盐类为抗水合剂 , 间苯二酚 、对硝基苯甲酸等为
消氢剂 , 添加少量液氨调节电解液 pH 值. 通过系列优化试验 , 本研究开发了性能优良的
收稿日期 :2006-05-15 作者简介 :廖振华(1979-) , 女, 硕士, 深圳清华大学研究院工程师 , 研究方向为新型电化学器件, liaozh01@mails. tsБайду номын сангаас. cn.
第2期
廖振华 , 徐永进等 :大容量超高压铝电解电容器的研究
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大体积的铝电解电容器在工作时 , 由于内部发热和 阳极氧化铝膜自我修复作用 , 电容器内部的压力值 和热值增长迅速 , 避免电容器发生破裂甚至燃烧事 故是研制的难点 ;④ 大容量超高压铝电解电容器最 大外形尺寸已达 Υ100 m m ×250 mm , 相应 阳极箔 的几何面积可达数平米 , 在其上焊接引箔条时由于 引箔条多 、焊接点多 , 阳极氧化膜的损伤面较大 , 在 老化时易导致电容器击穿. 因此 , 减少阳极氧化膜损 伤面 、提高老化合格率是研制中重点考虑的问题.