大型高电压铝电解电容器早期失效的探讨.pdf
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1、科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报2022 NO.30 Science and Technology Innovation Herald能 源 与 环 境 工 程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、
2、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:TM535文献标识码:A文章编号:1674-098X(2022)10(c)-0143-04Discussion on Early Failure of Large High Voltage Aluminum Electrolytic CapacitorsDING Xiaofeng(Nantong Haili Electronics Co.,Ltd.,Nantong,Jiangsu Province,226361
3、 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
4、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.The
5、se 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
6、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01。因为电极、电解液
7、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。143科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald能 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
8、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
9、是电压图1铝电解电容器失效模式144科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 能 源 与 环 境 工 程过高,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
10、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
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