常用電容器壽命研究

范凌云 喬志偉 唐雪瑾

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070； 2.中國(guó)家用電器研究院 北京 100037）

引言

電容是我們空調(diào)設(shè)計(jì)中常用的元器件之一，其可靠性直接影響著整個(gè)電路的能否正常工作，而鋁電解電容、片狀電容以及薄膜電容的壽命是影響其可靠性的重要指標(biāo)之一，本文從電容的結(jié)構(gòu)、機(jī)理以及使用環(huán)境的的角度出發(fā)，著重討論壽命的計(jì)算方法及影響電容壽命的主要因素。

1 鋁電解電容壽命研究

1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及失效機(jī)理

鋁電解電容器是電容器的一種，根據(jù)工藝的不同可以分為有極性電解電容與無(wú)極性電容。無(wú)論哪一種它們的兩極都是由鋁箔做電極并引出。有極性與無(wú)極性電容的正極都是相同的，也就是在電解液中經(jīng)過(guò)氧化處理的鋁箔。在此鋁箔表面通過(guò)電解會(huì)生成Al2O3薄膜，其厚度一般為 0.02 μm～0.03 μm。

電解液一般由硼酸、氨水、乙二醇等組成，但電解電容內(nèi)部并非充滿了液體，而是通過(guò)一張?zhí)厥獠馁|(zhì)的紙浸潤(rùn)電解液，充當(dāng)電容的負(fù)極。但一張紙顯然無(wú)法作為傳統(tǒng)電容認(rèn)知中的負(fù)極，因此需要另一根鋁箔與浸過(guò)電解質(zhì)溶液的紙貼合在一起。在無(wú)極性電容中，引出負(fù)極的鋁箔也會(huì)和正極一樣經(jīng)過(guò)氧化處理，耐壓更強(qiáng)。正負(fù)極鋁箔中間夾浸滿電解液的紙卷繞成圓柱形，這就構(gòu)成了電解電容的核心，也就是芯子，然后用鋁外殼套在芯子上封裝，底座加膠塞固定密封，如圖1所示。

圖1 鋁電解電容器結(jié)構(gòu)圖

通常我們所說(shuō)的壽命終止是電容量下降到額定初始值的80%左右，無(wú)力承擔(dān)電容在電路中發(fā)揮的作用。電容量下降的直接原因是鋁電解電容器電極的實(shí)際面積減少了，而陽(yáng)極在使用過(guò)程中基本上是不變化的，減少的是陰極。陰極的實(shí)際面積是由電解液來(lái)保證的，如果電解液由于揮發(fā)而減少將造成陰極實(shí)際面積的減少，那么電容壽命也會(huì)跟著降低。

對(duì)于電解電容的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，影響電解電容壽命和性能的因素主要有工藝制程、設(shè)計(jì)方案及原材料。而對(duì)于使用者來(lái)講，工作條件是影響鋁電解電容壽命的主要因素，如溫升（焊接溫度、環(huán)境溫度、交流紋波）、過(guò)高電壓、瞬時(shí)電壓、甚高頻或反偏壓等[1]。影響電解電容壽命的最大因素是溫升，溫度上升使得負(fù)極液體逐漸消失，當(dāng)減少到一定程度時(shí)，電容量跌破閥值，壽命結(jié)束。

1.2 環(huán)境溫度與壽命的關(guān)系

目前經(jīng)常使用的鋁電解電容的額定溫度一般有85 ℃、105 ℃、125 ℃及140 ℃，而在各種溫度條件下的壽命又各不相同，有1 000 h、2 000 h、5 000 h等。

鋁電解電容器未必工作在最高溫度下，大多數(shù)在低于最高溫度下存儲(chǔ)或工作。行業(yè)內(nèi)有一種簡(jiǎn)單的推算方法，又稱為10 ℃法則，此估算方法適用于無(wú)明顯紋波電流的電路，公式如下：

式中：

T—實(shí)際環(huán)境溫度；

T0—上限類別溫度；

L—環(huán)境溫度T時(shí)的壽命；

L0—上限類別溫度T0時(shí)的壽命。

從公式中可以簡(jiǎn)單推算出溫度每下降10 ℃，電容的實(shí)際使用壽命大約可以延長(zhǎng)一倍。因此無(wú)論使用還是存貯，都應(yīng)該首先考慮溫度因素。

用常用的85 ℃/1 000 h的鋁電解電容舉例，其在額定溫度85 ℃下連續(xù)工作的壽命為1 000 h（約42天）；若在45 ℃的條件下使用，其實(shí)際使用壽命為16 000 h（約1年10個(gè)月）；如果是在29 ℃的條件下使用，其實(shí)際使用壽命則約為5年6個(gè)月。因此在電解電容選型時(shí)溫度降額對(duì)其實(shí)際使用壽命的影響非常大。

1.3 紋波電流與壽命的關(guān)系

高溫時(shí)導(dǎo)致壽命減少的最大因素，造成高溫的原因除了環(huán)境高溫外還有自身發(fā)熱，而紋波電流是影造成本體發(fā)熱的最大原因。

紋波電流（Ripple Current）是流經(jīng)電容的交流成分。之所以稱為紋波電流是因?yàn)榀B加在電容的直流偏置電壓上的交流電壓的波形就像水上的紋波一樣。紋波電流對(duì)電解電容的影響也是很容易理解的，即紋波電流作用在等效串聯(lián)電阻上使得電容發(fā)熱。

行業(yè)內(nèi)對(duì)于流過(guò)紋波電流的鋁電解電容器的預(yù)期壽命有一個(gè)公式進(jìn)行推算，可以在選型時(shí)作為參考，如下：

式中：

T—實(shí)際工作溫度；

T0—上限類別溫度；

△T—電解電容的內(nèi)部中心溫升；

L—實(shí)際工作溫度下的使用壽命；

L0—上限類別溫度下的使用壽命；

K—紋波系數(shù)（實(shí)際紋波電流有效值與額定紋波電流有效值之比）[2]。

例如上限類別溫度為85 ℃，壽命為2 000 h的電解電容，如果電路中的紋波電流為額定紋波電流，那么如果實(shí)際工作溫度為45 ℃，其實(shí)際連續(xù)使用壽命可達(dá)32 000 h。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境溫度，紋波電流等因素綜合考慮，通過(guò)計(jì)算來(lái)選擇具有合適的耐久性壽命要求的電解電容。

由于直接測(cè)量電容器的內(nèi)部溫升存在困難，因此可以通過(guò)測(cè)量電解電容的表面溫度來(lái)間接求得內(nèi)部核心溫度值，如圖2。表1為表面溫度和內(nèi)部核心溫度的換算關(guān)系。

表1 電容器表面溫度與內(nèi)部核心溫度的換算關(guān)系

圖2 測(cè)溫點(diǎn)示意圖

2 片狀電容壽命研究

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及失效機(jī)理

片狀電容全稱為片狀多層瓷介電容器（MLCC）[3]，是陶瓷電容的一種。MLCC是目前世界上使用量最大的電容類型，其封裝標(biāo)準(zhǔn)化、尺寸小，適用于自動(dòng)化高密度貼片生產(chǎn)，在消費(fèi)電子、通訊產(chǎn)品中是不可或缺的器件，主要是為芯片管腳濾波。片狀電容由三大部分組成:陶瓷體、內(nèi)部電極、外部電極[3]，如圖3所示。

圖3 片狀電容結(jié)構(gòu)圖

其中電極一般為Ag(銀)或Pd(鈀)，陶瓷介質(zhì)一般為(SrBa)TiO3，多層陶瓷結(jié)構(gòu)通過(guò)高溫?zé)Y(jié)而成，器件端頭鍍層一般為燒結(jié)Ag/AgPd，然后制備一層Ni阻擋層(阻擋內(nèi)部Ag/AgPd和外部Sn 發(fā)生反應(yīng))，再在Ni層上制備Sn或SnPb層用以焊接[4]。

MLCC從本身的設(shè)計(jì)來(lái)看可靠性其實(shí)很好，但無(wú)法百分百避免缺陷。一般我們將可能出現(xiàn)的缺陷分為兩種，一種由外力引起，一種是內(nèi)因?qū)е隆?/p>

2.1.1 外在因素

斷裂或微裂是最常見(jiàn)的問(wèn)題之一，斷裂缺陷肉眼或用顯微鏡觀察可以分辨，但微裂只在電容內(nèi)部，普通手段無(wú)法探測(cè)。產(chǎn)生斷裂的原因可能有材質(zhì)差、工藝流不完善、燒結(jié)溫度沒(méi)有把控好等。

1）溫度沖擊裂紋

由于材質(zhì)的膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致內(nèi)外電極受熱開(kāi)裂，在生產(chǎn)過(guò)程中的過(guò)高溫焊接或暴力維修是主要原因。

2）機(jī)械應(yīng)力裂紋

MLCC抗彎曲能力比較差。如果在裝配過(guò)程暴力操作或者用力不當(dāng)導(dǎo)致彎曲變形，那么器件開(kāi)裂就很容易發(fā)生。常見(jiàn)應(yīng)力源有貼片工藝過(guò)程中電路板的彎曲導(dǎo)致片狀電容承受過(guò)高的機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生裂紋。

2.1.2 內(nèi)在因素

1）陶瓷介質(zhì)內(nèi)空洞

導(dǎo)致空洞產(chǎn)生的主要因素為陶瓷粉料內(nèi)的有機(jī)或無(wú)機(jī)污染，燒結(jié)過(guò)程控制不當(dāng)?shù)萚4]。

2）燒結(jié)裂紋

燒結(jié)裂紋通常是由于冷卻速度過(guò)快，在電極的一端產(chǎn)生裂紋，沿著垂直的方向延伸。

3）分層

MLCC在燒結(jié)時(shí)的溫度在1 000 ℃以上，如果內(nèi)電極中的雜質(zhì)揮發(fā)則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部空洞，層間的結(jié)合力減弱。

從時(shí)間角度出發(fā)，失效模式可以用如圖4所示曲線概括。

圖4 片狀電容失效曲線

該曲線將片狀電容失效分為三個(gè)階段：第一階段生產(chǎn)和使用，生產(chǎn)工藝與材料純度是影響失效的原因；第二階段電容已經(jīng)處于電路中，在此階段若在焊接時(shí)未出現(xiàn)高溫沖擊導(dǎo)致的裂紋，那么失效概率正逐步降低；第三階段是片狀電容因?yàn)槔匣?、磨損和疲勞等導(dǎo)致元件性能下降，最終失效。

2.2 溫度與壓降對(duì)壽命的影響

影響片狀電容壽命的主要因素就是電壓與溫度，因此片狀電容壽命一般是通過(guò)對(duì)電壓和溫度的加速來(lái)進(jìn)行的，下面的公式是基于阿列紐斯法，利用電壓加速系數(shù)及反應(yīng)活化能進(jìn)行推算。

式中：

K—玻爾茲曼常數(shù)（8.618×10-5eV/K）；

Ea—反應(yīng)活化能；

LN—實(shí)際使用時(shí)的壽命；

LA—加速狀態(tài)時(shí)的壽命；

VA—加速狀態(tài)下的電壓；

VN—實(shí)際使用時(shí)的電壓；

n—電壓加速系數(shù)；

TA—加速狀態(tài)時(shí)的溫度；

TN—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的溫度。

此公式較為苛刻，在實(shí)際測(cè)算時(shí)通常使用另外一個(gè)簡(jiǎn)化公式進(jìn)行，如下：

式中：

LN—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壽命；

LA—加速狀態(tài)下的壽命；

VA—加速狀態(tài)下的電壓；

VN—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電壓；

TA—加速狀態(tài)下的溫度；

TN—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度；

θ—溫度系數(shù)；

n—電壓加速系。

其中電壓加速系數(shù)、溫度系數(shù)會(huì)由陶瓷材料的種類及構(gòu)造決定。

例如片狀電容 0805 821 K/50 V，用2倍額定電壓進(jìn)行加速，加速溫度為125 ℃，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度設(shè)置為85 ℃，經(jīng)查詢此元器件的溫度系數(shù)約為8，電加速系數(shù)約為3，那么根據(jù)公式可以得出上限溫度為125 ℃的片狀電容在85 ℃環(huán)境下工作，在額定電壓工作，本身工藝不存在問(wèn)題的情況下可以正常使用約256 000 h。

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，需要了解各類片容的溫度補(bǔ)償特性，不能簡(jiǎn)單看溫度上下限，要根據(jù)電路的溫度、電壓、精度選擇相應(yīng)的型號(hào)，充分考慮電壓峰值，降壓使用，保證使用壽命。

3 薄膜電容壽命研究

3.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及失效機(jī)理

薄膜電容器是以金屬箔當(dāng)電極，聚乙酯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜當(dāng)介質(zhì)，電極兩端重疊后，卷繞成圓筒狀的構(gòu)造之電容器，主要用于EMI進(jìn)線濾波，開(kāi)關(guān)電源中用于吸收高頻諧波的安規(guī)電容器就是金屬化聚丙烯膜電容。與電解電容相比最大的差別在于電解質(zhì)的不同，常見(jiàn)的薄膜電容有金屬化聚丙烯膜電容與CBB電容，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致如圖5所示。

圖5 金屬化聚丙烯膜電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其中金屬化薄膜是利用高空蒸鍍技術(shù)，在聚丙烯或聚酯基膜表面蒸鍍一層鋁、鋅或鋁加鋅等金屬薄層，這層蒸鍍金屬層的厚度只有0.03～0.04 μm，構(gòu)成電容的內(nèi)電極，如圖6所示。

圖6 噴金層示意圖

在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下，大多數(shù)薄膜電容的預(yù)期壽命可達(dá)數(shù)十年，但是若選型不當(dāng)會(huì)造成失效。薄膜電容在微量雜質(zhì)（氧氣等）和電壓力的共同作用下，電介質(zhì)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成失效，另外，過(guò)度使用引發(fā)的機(jī)械疲勞也會(huì)造成失效，大部分失效原因有以下兩種：

1）選型不當(dāng)

若沒(méi)有充分考慮電路實(shí)際情況，導(dǎo)致通過(guò)的電流大于電容的額定電流，那么必然會(huì)造成本體發(fā)熱，時(shí)間久了嚴(yán)重影響電容的壽命和可靠性，甚至?xí)邪踩珕?wèn)題，如起火燃燒。因此技術(shù)人員在選型時(shí)一定要測(cè)試電路中的峰值電流、均方根值電流，以此為依據(jù)判斷選型是否合理。

2）接線方式不當(dāng)

電容大部分是并聯(lián)使用，電路中需要保證各電容的電流值是符合實(shí)際計(jì)算結(jié)果的，但如果走線、接線不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致給電容的分流過(guò)大引起發(fā)熱，與選型不當(dāng)?shù)慕Y(jié)果類似，都會(huì)導(dǎo)致本體溫升過(guò)高縮短壽命。

3.2 薄膜電容的自愈性

薄膜電容有一種特性，當(dāng)給金屬膜電容器兩極板間加上一定的電壓后，介質(zhì)中的某些電弱點(diǎn)可能被擊穿，擊穿電弱點(diǎn)時(shí)釋放的能量會(huì)使得電弱點(diǎn)周圍的金屬層受熱而氣化揮發(fā)[6]，氣化金屬不會(huì)影響電容器的使用，因?yàn)闀?huì)形成一個(gè)集合面使短路被修復(fù)，電容恢復(fù)正常工作，這就是薄膜電容器的自愈性。

3.3 溫度與壓降對(duì)壽命的影響

薄膜電容有很長(zhǎng)的壽命期望，其壽命的長(zhǎng)短由電壓條件與熱點(diǎn)溫度決定[7]，通常用如下壽命公式計(jì)算使用時(shí)長(zhǎng)：

式中：

L —使用壽命預(yù)期；

L0—額定壽命；

Un—工作電壓（Uw≤1.3 Un）；

Uw—額定電壓；

t0—上限溫度；

t—額定溫度；

α—對(duì)于PCB電容器，α= 10～13（典型值α= 12）；

β—對(duì)應(yīng)PCB電容，β= 10。

以金屬化聚丙烯膜電容 2.0 uF±5%/1 100 VDC為例，上限溫度105 ℃的薄膜電容工作在85 ℃的環(huán)境下，施加1.3倍額定電壓進(jìn)行加速，可以得出使用時(shí)長(zhǎng)約為232 830 h，即26年。

但是需要注意，此公式得到的結(jié)果是理想情況下的理論值，因?yàn)榘凑諟囟群凸ぷ麟妷旱慕殿~進(jìn)行計(jì)算可能得出電容器應(yīng)持續(xù)一百萬(wàn)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，但實(shí)際上電容器中使用的大多數(shù)設(shè)計(jì)功能都不超過(guò)20年，因?yàn)殡娙莸膲勖筒牧稀⒐に?、擊穿損耗息息相關(guān)。

在工作電壓為額定電壓、工作溫度為70 ℃的情況下薄膜電容壽命曲線如圖7所示。

圖7 薄膜電容壽命曲線

4 結(jié)語(yǔ)

電解電容的壽命主要由溫升及紋波電流值決定，片狀電容與薄膜電容的壽命主要由耐壓和溫度決定，除此之外生產(chǎn)工藝、介質(zhì)材料都會(huì)影響電容的壽命，因此在選型時(shí)要注意如果需要低電壓、無(wú)反向電壓、低有效值電流的電容，則應(yīng)選擇電解電容；需要耐壓高、電流承受能力強(qiáng)、能在高頻狀態(tài)下工作的濾波元件時(shí)應(yīng)選擇薄膜電容；需要貼片器件時(shí)選用片狀電容最佳，但在使用時(shí)盡量減少應(yīng)力沖擊。研究影響電容壽命的因素對(duì)設(shè)計(jì)選型、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量管控有很現(xiàn)實(shí)的意義。