可靠性论文铝电解电容的失效机理和失效模式

铝电解电容的主要的失效机理和失效模式何振林(桂林电子科技大学机电工程学院广西桂林541004)摘要：本文通过对铝电解电容基本结构的分析，重点讨论了铝电解电容的主要失效机理和失效模式，通过对铝电解电容的典型失效案例分析其失效机理和失效模式，提出预防铝电解电容失效的建议。关键词：铝电解电容失效机理失效模式预防失效ThemainfailuremechanismandfailuremodeofelectrolyticcapacitorsHEZhenlin(AcademyofmechanicalandelectricalengineeringofGuilinUniversityofElectronicScienceandTechnology,Guilin541004,China)Abstract：Thisarticlebasedontheanalysisofthebasicstructureofaluminumelectrolyticcapacitors,focusedonthemainfailuremechanismandfailuremodeofaluminumelectrolyticcapacitors,putforwardtopreventfailureofelectrolyticcapacitors,bywayoffailureofelectrolyticcapacitorstypicalcaseanalysisofitsfailuremechanismandfailuremode.Keyword：aluminumelectrolyticcapacitorsfailuremechanismfailuremode1.铝电解电容器的基本概念铝电解电容器是一种有正极、负极的电容器，大多数为圆柱形，它的电极主要是由铝箔制造而成的。铝电解电容器的基本结构是由一层阳极铝箔，一层阴极铝箔和中间夹有一层浸有电解液的衬垫纸以及天然氧化膜经重叠卷绕而成的，电极浸过电解液之后，再用铝壳和胶盖封闭起来就做成一个铝电解电容器。图一：铝电解电容的基本结构铝电解电容实际上起着阴极作用的是电解质糊体，衬垫张只不过是电解质载体，铝箔表面是致密的、无孔的AL2O3电解质。负极的表面有氧化膜的负极箔，和电解质糊体就构成一个电容，只是因为氧化膜薄，其构成的电容比阳极箔和电解质糊体构成的电容大许很多。阳极箔的表面有很多腐蚀出的柱孔，在柱孔的内壁等表面部位，经阳极氧化生成一层氧化膜(Al2O3)。这层氧化膜很薄而且非常致密，是一种绝缘的电介质，并起着耐电压的作用。氧化膜很薄意味着“两极”（阳极箔的金属基体与电解质糊体）的距离很短，可以使比容增加，因为厚度与比容成反比。氧化膜的致密可以减小漏电流，并增加耐电压的能力。阴极表面也被腐蚀出许多微细的蚀孔，类似于海绵体的形状。阴极的电解质糊体既渗透到阳极柱孔中，也渗透到负极海绵态蚀孔中。对于铝电解电容器而言，必须对阳极箔进行化学处理，来形成阳极箔表面介质氧化膜，从而使得阳极箔能够承受规定的电压。但是阴极箔通常无需像阳极箔那样处理，其表面为天然氧化膜，这种天然氧化膜仅在常温下就具有一定的耐压能力（1〜1.5V)。同时也由于这种天然膜的不均一性和不稳定性，根本无法保证阴极的精确的、稳定的耐压性，尤其是在高温的环境下。当铝电解电容器被施加与极性相反的电压时，因为一般铝电解电容所用的电解液都会有1%以上的水份，此时电解液中的水分会被电流分解，产生氧气，这有利于修补阴极氧化膜和提高特性，但是水易与铝反应(特别是在高温下)，发生水合反应，在阴极箔表面生成氧化铝膜，这种反应会使阴极箔容量降低，电容的总容量则会由于阳极箔和阴极箔的合成容量减少而减少，损失增加。另外由于水和铝反应时，在电容器内部产生氢气，造成电容器内部压力增加。当施加的反向电压增加时，电容周围的温度就越高，产生的气体就越多，而且增加电压和其周围的温度会使电容的外壳膨胀，有时还会使安全装置（如防爆阀）松动甚至打开，对于没有安全装置的电容器，其封口还有脱落的可能。所以使用时不能接反。铝电解电容的总的特点是容量比较大，但是漏电大，误差大，稳定性差，常常用作交流旁路或者滤波，有时候在要求不高时也用于信号耦合。2.失效机理2.1基本概念失效：指的是零部件失去原有设计所规定的功能称为失效。失效包括完全丧失原定功能，功能降低或阳极箔片pian作者简介：何振林，男，学号1200150311，桂林电子科技大学本科生，微电子制造工程专业有严重损伤功能，继续使用会失去可靠性及安全性。机理：指的是为实现某一特定功能，在一定的系统结构中各要素的工作方式以及诸要素在一定环境条件下相互联系、相互作用的运行规则和原理。失效机理：引起失效的物理、化学或其他的原因和过程。失效机理可以分为过载和耗损两类。过载失效，通常是瞬时的、突然发生的失效。耗（磨）损失效，指的是因磨损、老化、疲劳等长时间的损耗积累，引起性能逐渐下降后失效。过载失效机理中可分为机械（大弹性变形、屈服、断裂—脆性韧性、裂纹、爆裂、弯曲、界面分开）、热（热过载、接近Tg、融化、蠕变断裂温度）、电辐射（电磁干扰损伤、EOS、ESD、介质击穿、二次击穿），辐射（单粒子反转、死锁）。磨损失效机理可分为机械（高低周疲劳、蠕变、磨损），电（金属迁移（电/离子迁移）、应力驱动扩散、表面充电），化学（内部扩散，氢脆、腐蚀、解聚）。3.失效模式3.1基本概念失效模式:失效模式指的是一个系统或子系统或零部件没有满足它的设计的目的或功能，与系统、子系统或零部件功能有关的功能的现实结果偏离了顾客要求和设计的要求。失效模式与失效机理是不同的。可以这样理解：一个零部件可以有一个失效模式。比如：螺栓力矩≤60n*m，这个是测量结果，不满足≥70n*m的要求，此为失效模式。失效机理为失效模式的原因，可为一种或多种，比如装配力矩不到位，螺栓不合格导致秃扣，震动产生松动等等此为失效模式螺栓力矩不符合的失效机理。4.铝电解电容器失效机理和失效模式分析铝电解电容器的失效机理认为是：①由于铝电解电容器的封装系属半密封结构，在长期使用中由于工作电解液向外扩散而逐渐干涸。②介质氧化膜Al2O3的介质特性劣化，如产生水合氧化膜Al2O3·nH2O（n=1～3）或氧化膜被腐蚀。③工作电解液系在热应力等长期作用下发生物理化学变化，使电解液特性变差。④压力释放装置动作。⑤过电压击穿。下面表格详细列举了铝电解电容的失效模式，失效原因，失效部位，失效机理，失效类型和与失效相关的变量。失效分析的目的：通过对失效的分析，找出失效的原因，制定改进的措施（从设计，制造和使用方面），提高产品质量和成品率。表一：铝电解电容失效情况失效模式失效原因失效部位失效机理失效类型与失效相关的变量防爆阀开裂纹波电流过大环境温度过高快速的冲放电电容防爆阀处芯子内部温度过高，电解液汽化，压力过大，防爆阀动作耗散失效工作纹波电流、工作环境温度、快速冲放电过压，反压，交流电压电容防爆阀处过压、反压时，内部电化学反应产生氢气,压力过大，防爆阀动作突发性失效工作电压反向电压开路来料品质不良铝箔与引线铆接部位铝箔与引线（导电条）接触不良,电路开路早期失效来料质量来料品质不良，电容器受到卤素污染阳极导电条正极导电铝条与卤素发生电化学反应，将导电的金属铝条腐蚀成不能导电的氧化物，电路开路早期失效，突发性失效来料质量加工过程中对含卤素液体的控制如洗板水、消杀液单板加工时受到外应力损伤铝箔与引线铆接部位铆接部位因受外部应力而损伤、断裂早期失效单板加工运输时的外应力过压铆接部位导电条过高的瞬间电压将铆接部位，导电条击穿断裂突发性失效浪涌电压作者简介：何振林，男，学号1200150311，桂林电子科技大学本科生，微电子制造工程专业漏电流增大反向电压负极箔，正极箔负极箔没有耐电压的能力，有反向电压时，负极箔会发生电化学反应，释放热量，产生气体，同时也破坏正极箔的绝缘性能，再加电时漏电流增大突发性失效反向电压失效模式失效原因失效部位失效机理失效类型与失效相关的变量环境温度过高，纹波电流过大正极箔高温时绝缘介质性能下降，产生缺陷，加电时电容器因自愈性能而漏电流增大耗散失效环境温度纹波电流电容器存在缺陷电容器芯包铝箔上存在裂痕、毛刺，电解纸有空洞。早期失效来料质量漏液电容密封不良封口处、引线端根部电容器密封不良，造成电解液从封口处或引线端根部溢出耗散失效来料质量密封材料质量差封口处密封材料稳定性差，长时间后密封不良，电解液从封口处溢出耗散失效来料质量短路电压电容器芯包铝箔，电解纸被击穿，开裂，烧毁，造成正负箔接触突发性失效过电压单板加工时受到外应力损伤铝箔与引线铆接部位铆接部位因受外部应力而损伤，产生毛刺使正负箔接触早期失效单板加工、运输时的外应力电容器内部存在短路点电容器芯包电容器内部存在短路缺陷点，造成电压加不上早期失效来料质量容量下降过高的内部温度电容器芯包高温时电解液挥发，电解液含量下降，造成电容容量降低耗损失效纹波电流、环境温度铝箔质量差正、负极箔正负铝箔的稳定性差，长期工作后比容下降耗散失效来料质量5.从铝电解电容的典型的失效案例分析主要是失效机理和失效模式5.1铝电解电容漏电流大导致整机异常案例：工厂在生产一款电子镇流器过程中，当第一次测试产品时，产品的振荡电路就会串烧，而铝电解电容在镇流器中起异常态保护作用。当即抽查了10只铝电解电容，发现样品充电过程较长时，表现出漏电流不能较快降低、漏电流大到某种程度上就反映了阻容时间常数的变大，造成产品异常态保护时间延长。由于异常状态下的输出回路晶体管处于过载状态，因此通过阻容时间常数回路对过载时间进行限制。而铝电解电容的漏电流偏大造成的异常状态保护时间延长，使得振荡电路中的晶体管承受不了过热而烧毁。经过研究发现，对抽查的电解样品经过几次充放电后，电解电容的漏电流就能得到恢复，保护用的电解电容器的电压异常波形，经过三次左右的测试后，就会恢复保护用铝电解电容的电压正常波形。分析：从电解电容生产厂商提供的产品相关资料看，生产过程属正常范围，未有品质异常的记录，但是通过了解，知道铝电解电容器生产厂商对所有的产品均会在限流电阻保护下进行充电老化。铝电解电容生产厂在产品老化时，如果老化夹具上的限流保护电阻烧毁或电解电容接触不良，就会导致对应夹具上的产品老化不充分，从而造成产品存在漏电流过大的现象。根据铝电解电容器固有特性，铝电解电容在不通电情况下电解液与铝箔产生电化学反应，铝电解电容中的绝缘介质受到损伤，从而使漏电流回升。图二为招电解电容器漏电流与存储时间的特性曲线，从图二的曲线可以看出，随着存储时间的延长，约6个月后漏电流逐渐增。作者简介：何振林，男，学号1200150311，桂林电子科技大学本科生，微电子制造工程专业图二：电容漏电流和存储时间曲线5.2铝电解电容电解液溢出无容量值导致整灯闪烁案例：有一款LED驱动在寿命试验点到1000h时发现整灯闪烁，经过测试，确认铝电解电容器有异常。细致分析后，产品本体外观正常、防爆阀微鼓，且顶部铝壳表面附有黄色物质（怀疑电解液溢出）。分析：用X光对电容内部结构进行透视看到其内部芯子结构正常。性能测试时发现铝电解电容的损耗角值超出正常的标准、漏电流值在规定的范围内、但已测不出容量值、这表明了均与电解质释放有关。同时解剖了内部芯子，发现内部的芯子卷绕整卉、芯子干枯、同时芯子顶部有轻微打火发黄现象，打火点与铝壳防爆阀孔洞处相对应。通过以上的分析，可以确认造成这次点灯过程中闪烁的原因就是电解电容防爆阀槽在异常的情况下打开，造成电解液挥发。产品经过长时间工作后，电解液从孔洞处溢出挥发较多、使内部芯子干枯、电容容量值减小、损耗值增大,从而导致输出电压的纹波电压过大，致使整灯闪烁。6.铝电解电容的预防失效通过对电解电容器的失效模式和失效机理分析研究，为预防铝电解电容失效提供了方法依据。预防措施应包括存储、电路设计、安装等各方面。铝电解电容器应在温度为5～30℃，湿度为75%以下的室内储存。当电解电容器经过了长时间放置后，由于原电池的作用使其漏电流有增加倾向。因此在使用经过长时