有關(guān)鋁電解電容器老練過(guò)程出現(xiàn)擊穿的原因及對(duì)策探究

溫俊機(jī) 彭游其 謝娟

摘 要 鋁電解電容器老練過(guò)程出現(xiàn)擊穿是電容器制程過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題，也是原因相對(duì)較為復(fù)雜的一類不良問(wèn)題。鋁電解電容器老練過(guò)程出現(xiàn)擊穿不僅僅只是受化成箔的影響，其還受內(nèi)部的所有材料基體的純度、外觀品質(zhì)狀況，制程環(huán)境及老練工藝等方面的影響。下面我們就針對(duì)鋁電解電容器老練擊穿的各種不良原因、對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象及改善的對(duì)策進(jìn)行具體探究。

關(guān)鍵詞 鋁電解電容器;化成箔;老練;擊穿;氧化膜

1鋁電解電容器擊穿的原理

擊穿原理：

固體電介質(zhì)的擊穿是在電場(chǎng)的作用下伴隨著熱、化學(xué)、力等等的作用而喪失其絕緣性能的現(xiàn)象。固體電介質(zhì)的擊穿是相當(dāng)復(fù)雜的，除了表征材料的特性以外，還受到一系列外界因素的影響。一般來(lái)說(shuō)固體電介質(zhì)的擊穿大致可分為電擊穿、熱擊穿、局部放電擊穿等幾種機(jī)制。

電擊穿：當(dāng)固體電介質(zhì)承受的電壓超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，就使其中有相當(dāng)大的電流通過(guò)，使電介質(zhì)喪失絕緣性能。電壓的波形和頻率對(duì)電介質(zhì)的擊穿也有明顯的影響。大部分的電介質(zhì)材料，在直流電壓作用下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比交流電壓作用下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)要高。隨著頻率的提高，局部放電的破壞過(guò)程加劇，并且熱效應(yīng)增加，會(huì)導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)進(jìn)一步降低。

熱擊穿：當(dāng)固體電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，由電導(dǎo)和介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量超過(guò)熱的擴(kuò)散時(shí)，電介質(zhì)中的熱平衡就被破壞，溫度不斷上升，最終造成電介質(zhì)永久性的熱破壞。顯然，熱擊穿除了與所加的電壓大小、類型、頻率和介質(zhì)的電導(dǎo)、損耗有關(guān)外，還與材料的熱傳導(dǎo)、熱輻射以及材料的形狀、散熱情況、周圍媒質(zhì)溫度等等一系列因素有關(guān)。

局部放電：因?yàn)殡娊橘|(zhì)本身是不均勻的，在電場(chǎng)作用下，會(huì)在電介質(zhì)的局部發(fā)生放電現(xiàn)象，這也是氧化鋁的絕緣性很高，耐電場(chǎng)強(qiáng)度也很高，但實(shí)際擊穿強(qiáng)度并不是很高的重要原因之一。

2鋁電解電容器擊穿的幾種常見(jiàn)情況及不良分析和改善對(duì)策

2.1 物理性能導(dǎo)致的鋁電解電容器擊穿。

鋁電解電容器擊穿可以分為物理性能導(dǎo)致和化學(xué)性能導(dǎo)致兩大類。物理性能方面主要分為以下四大類：化成箔折彎強(qiáng)度不足、裁切管控不足、化成箔外觀不良及電解紙絕緣性能不足。

（1）折彎強(qiáng)度不足，裁切時(shí)更容易出現(xiàn)箔邊塌陷，氧化膜脫落，具體表現(xiàn)為毛刺偏大。在鋁電容器老練過(guò)程中，毛刺偏大部分電流過(guò)大，出現(xiàn)爆開(kāi)。另外，折彎強(qiáng)度不足，裁切及釘卷過(guò)程產(chǎn)生的疵點(diǎn)就更多，需要修復(fù)的氧化膜就更多，耗費(fèi)的電解液就更多，產(chǎn)生的氫氣更多，溫度上升，電容器內(nèi)壓上升，電容器出現(xiàn)鼓底或擊穿。此類不良主要表現(xiàn)為鼓底或者鉚接位置擊穿，往往擊穿率偏高，因?yàn)檎蹚澆涣即蠖喽际窍到y(tǒng)性問(wèn)題。改善折彎問(wèn)題最直接的就是提高折彎控制以及保證過(guò)程穩(wěn)定性控制。

（2）裁切管控不足方面。裁切管控的能力在一定程度上反映了一家電容器企業(yè)的品質(zhì)管控能力。裁切管控的能力強(qiáng)的企業(yè)往往表現(xiàn)在裁切連續(xù)性強(qiáng)、損耗小、化成箔毛刺小，裁切后化成箔箔面無(wú)箔屑。而要做到以上幾點(diǎn)就需要滿足以下四個(gè)要素：裁切刀具強(qiáng)度大、刀具使用周期的嚴(yán)格管控、良好的裁切設(shè)備維護(hù)以及裁切能力強(qiáng)而又富有責(zé)任感的裁切師傅。裁切管控不足引起的擊穿主要是裁切刀具長(zhǎng)時(shí)間使用造成嚴(yán)重磨損后，化成箔裁切毛刺偏大導(dǎo)致鋁電解電容器擊穿。另外，裁切工藝衛(wèi)生管控不足，箔面有鋁屑附著，也會(huì)導(dǎo)致鋁電解電容器擊穿。提高裁切管控的能力是品質(zhì)穩(wěn)定控制的關(guān)鍵一環(huán)。

（3）化成箔箔面外觀不良方面主要是箔面有壓印、壓爛、刺點(diǎn)等，此類不良使箔面氧化膜厚度不足甚至遭到破壞，老練時(shí)疵點(diǎn)位置漏電流過(guò)大導(dǎo)致?lián)舸┗蛘叽檀╇娊饧堃痖W火。具體不良表現(xiàn)為擊穿率不高，擊穿點(diǎn)的位置沒(méi)有規(guī)律，素子除擊穿點(diǎn)外無(wú)其他異常不良。壽命要求高的牛角、螺栓類產(chǎn)品對(duì)外觀要求較高，而外觀的控制水平在一定程度上也反映了一家化成箔廠工藝衛(wèi)生控制水平及生產(chǎn)設(shè)備管理水平。

（4）電解紙絕緣性能不足方面。電解紙?jiān)阡X電解電容器中主要起到絕緣的作用，目前多數(shù)鋁電解電容器使用兩層密度不同的電解紙作為絕緣層。電解紙密度太小或者太薄，絕緣性不好，也會(huì)引起鋁電解電容器擊穿。另外，電解紙寬度不足，會(huì)導(dǎo)致電極箔上部與引出條直接接觸，充電過(guò)程出現(xiàn)短路不良。具體表現(xiàn)為素子頂部引線處擊穿燒黑。所以選用電解紙時(shí)一定要通過(guò)耐壓測(cè)試，牛角、螺栓類產(chǎn)品電解紙寬度則要滿足引出條彎折后不與正箔及負(fù)箔直接接觸，避免短路。

2.2 化學(xué)性能導(dǎo)致的鋁電解電容器擊穿

化學(xué)性能方面主要分為以下四大類：化成箔性能不良、化成箔的性能與鋁電解電容器老練工藝匹配性不強(qiáng)、鋁電解電容器老練工藝設(shè)計(jì)缺陷及鋁電解電容器原材料雜質(zhì)污染或者電容器制程過(guò)程中雜質(zhì)污染。

（1）化成箔性能不良主要包括耐壓離散率大（耐壓不均勻）、整體耐壓偏低、升壓時(shí)間偏長(zhǎng)或漏電流偏大。在測(cè)試化成箔橫向的△Vt時(shí)，發(fā)現(xiàn)△Vt小的只有4-6V，△Vt大的有20V，即化成箔的橫向抗耐壓能力是有明顯不均勻的，在抗耐壓能力低（△Vt小）的部分，更容易出現(xiàn)擊穿。為什么在化成箔的同一個(gè)面，其△Vt有較大的差異，目前還沒(méi)有深入調(diào)查，可能的原因主要有比容的不均勻、反應(yīng)區(qū)域溫度的不均勻、焙燒爐溫度不均勻等。整體耐壓偏低時(shí)，可能會(huì)達(dá)不到高溫老練時(shí)的電壓要求出現(xiàn)擊穿。而升壓時(shí)間偏長(zhǎng)或漏電流偏大，會(huì)出現(xiàn)老練升不上電壓或者降不下漏電流，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間修復(fù)，產(chǎn)生大量的氫氣同時(shí)發(fā)熱量大，溫度大幅上升，電容器內(nèi)壓隨著上升，導(dǎo)致電容器出現(xiàn)鼓底或爆炸。升壓時(shí)間偏長(zhǎng)或漏電流偏大導(dǎo)致鼓底的表現(xiàn)為整個(gè)素子因長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)發(fā)熱量大變得發(fā)黃甚至灼焦，電解液干涸。爆炸率與化成箔不良率相近。改善以上問(wèn)題，如果是局部異常，則需要加強(qiáng)異常的管控;如果是系統(tǒng)性不良，則需要通過(guò)提高耐壓控制或者工藝配方優(yōu)化進(jìn)行改善以上性能。

（2）化成箔的性能與鋁電解電容器老練工藝匹配性不強(qiáng)。例如含次磷酸銨的電解液對(duì)鋁電解電容器的影響。次磷酸銨是一種十分有效的添加劑，它能大大提高電解液的電導(dǎo)率，降低電容器額的損耗和漏電流，延長(zhǎng)其使用壽命，但缺點(diǎn)是老練是擊穿率偏高。作為一種強(qiáng)電解質(zhì)，次磷酸銨加入電解液后，升壓速度明顯加快，熱量累積過(guò)多，放出的氣體來(lái)不及和吸氫劑作用，導(dǎo)致?lián)舸┞势遊2]。所以，針對(duì)此類體系的電解液，就需要耐壓更高氧化膜致密性更好的化成箔與之對(duì)應(yīng)。另外一種情況是選箔不對(duì)應(yīng)，如有機(jī)酸工藝小孔型的化成箔并不適合做壽命要求高的牛角、螺栓產(chǎn)品，一旦使用，擊穿率也會(huì)嚴(yán)重偏高。所以，鋁電解電容器量產(chǎn)時(shí)，電解液、化成箔等主材通過(guò)驗(yàn)證后盡可能不做變更，如需要對(duì)鋁電解電容器進(jìn)行性能優(yōu)化調(diào)整，需要供主材應(yīng)商配合進(jìn)行工藝優(yōu)化調(diào)整時(shí)，必須通過(guò)小批量驗(yàn)證后方能量產(chǎn);同時(shí)，需要對(duì)主材進(jìn)行嚴(yán)格的工藝變更管理，當(dāng)主材出現(xiàn)工藝變更時(shí)，也必須通過(guò)小批量驗(yàn)證后方能量產(chǎn);避免產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重不良。

（3）鋁電解電容器老練工藝設(shè)計(jì)缺陷。偷電壓，簡(jiǎn)單說(shuō)就是使用低耐壓的化成箔替代高耐壓的箔進(jìn)行生產(chǎn)。如A鋁電解電容器制造商原使用耐壓590Vf的化成箔制成105℃400WV的長(zhǎng)壽命產(chǎn)品，為了降低成本，改用同工藝550Vf或560Vf的化成箔進(jìn)行替代，由于降耐壓后的箔高溫下耐電壓能力明顯下降，超過(guò)其承受能力，導(dǎo)致老練過(guò)程擊穿率急劇上升。老練溫度不均勻，如額定的老練溫度為85℃，但是由于烘箱設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致中間位置溫度偏高，達(dá)到90℃甚至更高的溫度，遠(yuǎn)超老練溫度，使化成箔在該條件的耐壓能力急劇下降，擊穿率上升。老練電壓設(shè)置過(guò)高，超出了化成箔的電壓耐受能力，也會(huì)導(dǎo)致?lián)舸?。具體不良表現(xiàn)為擊穿點(diǎn)集中在素子中間位置向外炸開(kāi)，其他方面無(wú)異常。改善偷電壓?jiǎn)栴}，需要在根據(jù)產(chǎn)品需求選擇工藝適合耐壓達(dá)到要求且通過(guò)驗(yàn)證的化成箔，如需降低耐壓，則需要重新驗(yàn)證。針對(duì)老練溫度不均則需要對(duì)老練設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，盡可能使設(shè)備條件達(dá)到工藝要求。針對(duì)老練電壓設(shè)置過(guò)高的問(wèn)題，一是降低老練電壓，二如果老練電壓確實(shí)要求較高則需要選擇耐壓更高或者優(yōu)化工藝后的化成箔進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。

（4）鋁電解電容器原材料雜質(zhì)污染或者電容器制程過(guò)程中雜質(zhì)污染。雜質(zhì)污染是導(dǎo)致鋁電解電容器鼓底（嚴(yán)重的底部炸開(kāi)）最常見(jiàn)的一種原因。腐蝕性較弱的雜質(zhì)具體不良表現(xiàn)為電容器鋁殼內(nèi)底部有晶體析出，正箔及負(fù)箔邊緣被腐蝕成鋸齒狀。腐蝕性較強(qiáng)的雜質(zhì)（如氯離子）具體不良表現(xiàn)為素子內(nèi)箔面出現(xiàn)大量腐蝕穿孔（見(jiàn)下圖1及圖2），素子干涸發(fā)黑。原材料雜質(zhì)污染主要是出現(xiàn)在正箔（化成箔）、負(fù)箔、電解紙、電解液、膠塞等材料在生產(chǎn)、運(yùn)輸或者存放過(guò)程中混入氯根、粉塵等雜質(zhì)。電容器制程過(guò)程中雜質(zhì)污染主要是制程過(guò)程中工藝衛(wèi)生管控不好或者部分余料存放不當(dāng)導(dǎo)致雜質(zhì)混入，再次使用時(shí)出現(xiàn)不良。

3結(jié)束語(yǔ)

鋁電解電容器在擊穿之后，很多的因素都無(wú)法再還原，以致鋁電解電容器的擊穿的原因分析相當(dāng)困難，但很多鋁電解電容器廠家以及化成箔制造方，都在積極努力的想方設(shè)法從各種環(huán)節(jié)上做好控制、匹配，減少鋁電解電容器擊穿的發(fā)生。當(dāng)鋁電解電容器擊穿發(fā)生時(shí)，也需要鋁電解電容器廠家以及化成箔制造方深入客觀的分析，以便找出真正的擊穿的原因。

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