铝电解电容器的失效机理的详细分析
金属化纸介电容失效机理
一、电参数恶化失效
“自愈”是金属化电容器的一个独特优点，但自愈过程颇为复杂，自愈虽能避免电容器立即因介质短路而击穿，但自愈部位肯定会出现金属微粒迁移与介质材料受热裂解的现象。电容器纸由纤维组成，纤维素是碳水化合物类的高分子物质。在高温下电容器纤维素解成游离状态的碳原子或碳离子，使自愈部位表面导电能力增加，导致电容器 电阻下降、损耗增大与电容减小。严重时可使电容器因电参数恶化程度超过技术条件许可范围而失效。金属化纸介电容器在低于额定工作电压的条件下工作时，自愈能量不足，电容器纸中存在的导电杂质在电场作用于下形成低阻通路，也可导致电容器绝缘电阻降低和损耗增大。
电容器纸是多孔性的极性有机介质材料，极易吸收潮气。电容器芯子虽浸渍处理，但如果工艺不当或浸渍不纯，或在电场作用下工作相当时间后产生浸渍老化现象，则电容器的绝缘电阻将因此降低，损耗也将因此增大。 电容量超差失效产金属化纸介电容器的一种失效形式。在高温条件下储存时金属化纸介电容器可能因电容量增加过多而失效，在高温条件下加电压工作时又可能因电容量减少过多而失效。高温储存时半密封型金属化纸介电容器免不了吸潮，水是强极性物质，其介电常数接近浸渍电容器介电常数的20倍。
因此，少量潮气侵入电容器芯子，也会引起电容量显著增大。烘烤去湿后电容呈会有所下降。如果电容器在高温环境中工作，则水分和电场的共同作用会使金属膜电极产生电解性腐蚀，使极板有效面积减小与极板电阻增大，导致电容量大幅度下降。如果引线与金属膜层接触部位产生腐蚀，则接触电阻增大，电容器的有效电容量将更进一步减小。个别电容器的电容量可降到接近于开路的程度。
二、引线断裂失效
金属化纸介电容器在高湿环境中工作时，电容器正端引线根部会 遭到严重腐蚀，这种电解性腐蚀导致引线机械强度降低，严重时可造成引线断裂失效。
铝电解电容器的失效机理：铝电解电容器正极是高纯铝，电介质是在金属表面形成的三氧化二铝膜，负极是黏稠状的电解液，工作时相当一个电解槽。铝电解电容器常见失效模式有：漏液、爆炸、开路、击穿、电参数恶化等，有关失效机理分析如下。
A、漏液
铝电解电容器的工作电解液泄漏是一个严重问题。工作电解液略呈现酸性，漏出的工作电解液严重污染和腐蚀电容器周围的其他元器件和印刷电路板。同时电解电容器内部，由于漏液而使工作电解液逐渐干涸，丧失修补阳极氧化膜介质的能力，导致电容器击穿或电参数恶化而失效。产生漏液的原因很多，主要是铝电解电容器密封不佳。采用铝负极箔夹在外壳边与封口板之间的封口结构时很容易在壳边渗漏电解液。采用橡胶塞密封的电容器，也可能因橡胶老化、龟裂而引起漏液。此外，机械密封工艺有问题的产品也容易漏液。总之，漏液与密封结构、密封材料与密封工艺有密切的关系。
B、爆炸
铝电解电容器在工作电压中交流成分过大，或氧化膜介质有较多缺陷，或存在氯根、硫酸根之类有害的阴离子，以致漏电流较大时电解作用产生气体的速率较快，大部分气体用于修补阳极氧化膜，少部分氧气储存在电容器壳内。工作时间愈长，漏电流愈大，壳内气体愈 多，温度愈高。电容器金属壳内外的气压差值将随工作电压和工作时间的增加而增大。如果产品密封不佳，则将造成漏液；如果密封良好，又没有任何防爆措施，则气压增大到一定程度就会引起电容器爆炸。高压大容量电容器的漏电流较大，爆炸可能性更大。目前，已普遍采用防爆外壳结构，在金属外壳上部增加一道褶缝，气压高时将褶缝顶开，增大壳内容积，从而降低气压，减少爆炸危险。
C、开路
铝电解电容器在高温或潮热环境中长期工作时可能出现开路失效，其原因在于阳极引出箔片遭受电化学腐蚀而断裂。对于高压大容量电容器，这种失效模式较多。此外，阳极引出箔片和阳极箔铆接后，未经充分平，则接触不良会使电容器出现间歇开路。铝电解电容器内采用以DMF（二甲基酰胺）为溶剂的工作电解液时，DMF溶液是氧化剂，在高温下氧化能力更强。工作一段时间后可能因阳极引出箔片与焊片的铆接部位生成氧化膜而引起电容器开路。如果采用超声波焊接机把引出箔片与焊点在一起，可则减少这类失效现象。
D、击穿
铝电解电容器击穿是由于阳极氧化铝介质膜破裂，导致电解液直接与阳极接触而造成的。氧化铝膜可能因各种材料，工艺或环境条件方面的原因而受到局部损伤。在外加电场的作用下工作电解液提供的氧离子可在损伤部位重新形成氧化膜，使阳极氧化膜得以填平修复。但是如果在损伤部位存在杂质离子或其他缺陷，使填平修复工作无法完善，则在阳极氧化膜上会留下微孔，甚至可能成为穿透孔，使铝电 解电容器击穿。 此外，随着使用和储存时间的增长，电解液中溶剂逐渐消耗和挥发，使溶液酸值上升，在储存过程中对氧化膜层发生腐蚀作用。同时，由于电解液老化与干涸，在电场作用下已无法提供氧离子修补氧化膜，从而丧失了自愈作用，氧化膜一经损坏就会导致电容器击穿。工艺缺陷也是铝电解电容器击穿的一个主要原因。
如果赋能过程中形成的阳极氧化膜不够致密与牢固，在后续的裁片、铆接工艺中又使氧化膜受到严重损伤。这种阳极氧化膜难以在最后的老炼工序中修补完善，以致电容器使用过程中，漏电流很大，局部自愈已挽救不了最终击穿的命运。又如铆接工艺不佳时，引出箔条上的毛剌严重剌伤氧化膜，刺伤部位漏电流很大，局部过热使电容器产生热击穿。
E、电参数恶化
a、电容量下降与损耗增大
铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降，这是由于负荷过程中工作电解液不断修补并增厚阳极氧化膜所致。铝电解电容器在使用后期，由于电解液耗损较多、溶液变稠，电阻率因黏度增大而上升，使工作电解质的等效串联电阻增大，导致电容器损耗明显增大。同时，黏度增大的电解液难于充分接触经腐蚀处理的凹凸不平铝箔表面上的氧化膜层，这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小，引起电容量急剧下降。这也是电容器使用寿命临近结束的表现。
此外，如果工作电解液在低温下黏度增大过多，也会造成损耗增大与 电容量急剧下降的后果。硼酸一乙二醇系统工作电解液的低温性能不佳，黏度过大导致等效串联电阻激增，使损耗变大和有效电容量骤减，从而引起铝电解电容器在严寒环境中使用时失效。
b、漏电流增加
漏电流增加往往导致铝电解电容器失效。赋能工艺水平低，所形成的氧化膜不够致密与牢固，开片工艺落后，氧化膜损伤与沾污严重，工作电解液配方不佳，原材料纯度不高，电解液的化学性质与电化学性质难以长期稳定，铝箔纯度不高，杂质含量多??这些因素均可能造成漏电流超差失效。铝电解电容器中氯离子沾污严重，漏电流导致沾污部位氧化膜分解，造成穿孔，促使电流进一步增大。
此外，铝箔的杂质含量较高，一般铁杂质颗粒的尺寸大于阳极氧化膜的厚度，使电流易于传导。铜与硅杂质的存在影响铝氧化物向晶态结构转变。铜和铝还可在电解质内组成微电池，使铝箔遭到腐蚀破坏。总之，铝箔中金属杂质的存在，会使铝电解电容器漏电流增大，从而缩短电容器的寿命。
编辑：admin 最后修改时间：2018-01-05
