鋁電解電容器振動失效機(jī)理分析和改進(jìn)措施研究

郝樹福，胡勇，唐仁杰

（佛山市三水日明電子有限公司，廣東佛山，528000）

電子工業(yè)是當(dāng)今社會的生命線。從日常生活應(yīng)用到關(guān)鍵的安全應(yīng)用，從玩具到雷達(dá)，電子元件的使用正以指數(shù)級速度增長。隨著設(shè)備和組件變得越來越緊湊，它們的可靠性成為一個關(guān)鍵問題。在許多電子應(yīng)用中，電子產(chǎn)品的壽命取決于內(nèi)部電解電容的壽命。當(dāng)向市場推出一個組件時，制造商通常會發(fā)布一個組件數(shù)據(jù)表，說明其不同的特性和預(yù)期壽命。但當(dāng)該元件投入實際使用時，影響其壽命的因素很多，從而降低了其效率和實際壽命。鋁電解電容器是功率轉(zhuǎn)換電路中廣泛使用的平滑電容器。近年來，有大量的研究從工作電路的信息來檢測平滑鋁電解電容器的剩余壽命，如平滑電容器的紋波電壓和紋波電流等。通過了解鋁電解電容器的失效機(jī)理，可以更有效的對剩余壽命進(jìn)行預(yù)測，從而提前做出應(yīng)對措施。引起電解電容器失效的原因很多，其中電容器振動是電容器失效的一個很常見的因素。

電容器振動是由不同類型的振動源引起的，如軌道、車輛發(fā)動機(jī)、彈丸發(fā)射等，這些都是在運行中不可避免的[1]。目前，研究者通過在設(shè)備內(nèi)部系統(tǒng)和/或系統(tǒng)外部添加隔振器進(jìn)行加固，以最大限度地減少對設(shè)備及其安裝點的干擾力。然而，只有高阻尼的隔振器才能為電子設(shè)備提供足夠的保護(hù)[2]。而且，使用隔振器存在一些缺點，例如隔振器的諧振頻率可以出現(xiàn)在振動輸入的主導(dǎo)激勵頻率附近。另外，還應(yīng)考慮擺動空間有限、造價高、使用壽命有限等因素[3]。在隨機(jī)振動中，大多數(shù)部件的失效都是由彎曲引起的。電容器和電阻通常由于元件引線彎曲或焊點破裂而失效。這些故障是由電子元件本體、電引線和印刷電路板之間的相對運動引起的[4]。共振時，相對運動最為劇烈。如果應(yīng)力水平足夠高，疲勞循環(huán)次數(shù)足夠多，則電子元件的焊點和/或引線可能會出現(xiàn)疲勞失效。

本文的目的是進(jìn)一步分析鋁電解電容器在隨機(jī)振動頻率和不同振動量級強(qiáng)度下的失效情況，了解其失效機(jī)理，從而提出解決和改進(jìn)措施。

1 鋁電解電容器振動失效機(jī)理分析

1.1 鋁電解電容器一般結(jié)構(gòu)特點

目前市場應(yīng)用最普遍的鋁電解電容器，其封裝結(jié)構(gòu)一般分兩大類，一類為引線式鋁電解電容器，另一類為蓋板式鋁電解電容器。本文以引線式鋁電解電容器為例進(jìn)行研究和討論，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。引線式鋁電解電容器由引線、膠塞、芯子、鋁殼和套管組成，其中芯子是電容器的核心，由正負(fù)箔、電解紙和引出線通過鉚接卷繞加工而成。鋁梗部（圖1中②）作為引出線的一部分，與引出線是焊接為一個整體的。膠塞、鋁梗部、鋁殼通過封裝設(shè)備加工，將電容器芯子密封在鋁殼內(nèi)部，最后在外殼上通過熱塑加工套上套管，套管表面印有相應(yīng)標(biāo)記，起絕緣和標(biāo)識作用。

圖1 引線式鋁電解結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 振動失效機(jī)理分析

根據(jù)相關(guān)鋁電解電容器在具體應(yīng)用場境的失效情況，以發(fā)生失效的引線式鋁電解電容器為例，結(jié)合本產(chǎn)品的一般結(jié)構(gòu)特點，本文對相關(guān)產(chǎn)品因振動失效的原因分析如下：

(1)產(chǎn)品電參數(shù)測量分析

產(chǎn)品電參數(shù)測量值如表1所示，可以看到，返回不良品容量值非常小，呈現(xiàn)無容量狀態(tài)，損耗值無窮大，顯示產(chǎn)品在上機(jī)試驗或使用后內(nèi)部存在異常。而未上機(jī)良品電參數(shù)各項數(shù)據(jù)都合格，產(chǎn)品不存在異常狀況。

表1 25V 3300μF電參數(shù)測量數(shù)據(jù)

(2)產(chǎn)品解剖分析

如圖2所示，解剖后發(fā)現(xiàn)，返回不良品（圖2a）正負(fù)引出線都在鋁梗和舌片的轉(zhuǎn)接部位發(fā)生了斷裂，顯示產(chǎn)品在整機(jī)工作過程中，該部位為應(yīng)力集中點或應(yīng)力承受薄弱節(jié)點。而未上機(jī)產(chǎn)品解剖后發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)上機(jī)使用的良品（圖2b和圖2c），產(chǎn)品完全正常，未有類似問題出現(xiàn)，證明產(chǎn)品在生產(chǎn)制造過程中不存在相關(guān)問題。

圖2 產(chǎn)品解剖圖

1.3 失效產(chǎn)品使用場景分析

實際使用場景中，失效產(chǎn)品是在安裝在整機(jī)后，隨整機(jī)做振動試驗過程中發(fā)生失效的。因此，本文從整機(jī)振動為切入點，結(jié)合鋁電解電容本身的內(nèi)部結(jié)特點（圖1）進(jìn)行分析。

在整機(jī)中，電容器通過引腳焊接和固定膠加固，使電容本體與整機(jī)線路板完全固定一起，在整機(jī)振動試驗時，電容器本體隨著整機(jī)一起做上下和左右振動。如圖3所示，參照圖1引線式產(chǎn)品示意圖，由于其封裝結(jié)構(gòu)的特點，芯子身體（圖3中紅色記號以右部份）并未與鋁殼內(nèi)壁形成緊密結(jié)合狀態(tài)，而是存在一定的隔離空間，而膠塞、引線的鋁梗部、鋁殼是緊密地固定在一起的，這樣在電容器隨整機(jī)振動的過程中，芯子身體部位在本身重力和外加振動負(fù)荷的作用下，與電容器本體間會產(chǎn)生一定的相對運動，特別是如圖3所示上下方向的振動，會直接導(dǎo)致引線內(nèi)部在紅色橢圓標(biāo)記處產(chǎn)生剪切應(yīng)力，且該應(yīng)力隨振動頻率和振動強(qiáng)度量級的升高而相應(yīng)增大。

圖3 電容器內(nèi)部芯子振子振動原理圖

如圖4所示，電容器引線由引出線、鋁梗舌片三部分組成，其舌片部分通過鉚接卷繞加工與鋁箔、電解質(zhì)固定在芯子身體內(nèi)部，舌片與鋁梗的結(jié)合部（紅色橢圓標(biāo)記處）為機(jī)械結(jié)構(gòu)突變部位，按照機(jī)械工藝原理，該處為加工應(yīng)力集中部位，本就是容易產(chǎn)生金屬疲勞的結(jié)點部位，在隨整機(jī)進(jìn)行水平方向振動試驗時，又由于鋁梗部和舌片固定相對牢固，引線內(nèi)部水平方向所承受的拉壓應(yīng)力將交替變換疊加在該部位，促使其出現(xiàn)疲勞失效。

圖4 引線結(jié)構(gòu)分析原理圖

結(jié)果表明，引線式鋁電解電容在隨整機(jī)進(jìn)行振動試驗時，或在實際應(yīng)用當(dāng)中存在類似應(yīng)用環(huán)境時，引線中鋁梗與舌片的交接處在剪切應(yīng)力、拉壓應(yīng)力的共同作用下，應(yīng)是最易出現(xiàn)疲勞失效斷裂的部位，當(dāng)工作中達(dá)到其疲勞極限時出現(xiàn)斷裂失效，從而導(dǎo)致電容器失去其應(yīng)有的功能特性。

1.4 失效機(jī)理試驗驗證

選取規(guī)格25V3300μF 、尺寸16X25的產(chǎn)品做水平方向的不同量級振動試驗進(jìn)行驗證，試驗條件如表2所示。結(jié)果表明：在振動量級為20g和25g，隨機(jī)振動頻率20-2000Hz的條件下，持續(xù)振動120分鐘，經(jīng)電參數(shù)測量，無失效現(xiàn)象；在振動量級為30g，隨機(jī)振動頻率20～2000Hz的條件下，試驗進(jìn)行到60分鐘進(jìn)行測試時，發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品開始失效，試驗進(jìn)行到90分鐘測量時，投入試驗的產(chǎn)品全部失效；在振動量級為35g和40g,隨機(jī)振動頻率20-2000Hz的條件下,試驗進(jìn)行到30分鐘時進(jìn)行測量時，全部合格，試驗進(jìn)行到60分鐘測量時，試驗產(chǎn)品全部失效。如圖5所示，失效產(chǎn)品解剖后，發(fā)現(xiàn)正負(fù)引線在其鋁梗和舌片的連接處已斷裂，從而導(dǎo)致產(chǎn)品無容量、損耗參數(shù)值異常，產(chǎn)品失效。實驗結(jié)果證實明，本文對本產(chǎn)品在隨整機(jī)振動失效的機(jī)理分析是正確的。

表2 隨機(jī)振動試驗條件

圖5 失效產(chǎn)品解剖圖

2 改進(jìn)措施的提出、驗證和實施

根據(jù)以上機(jī)理分析和驗證，為了滿足實際的使用條件要求，本文提出了在產(chǎn)品封裝前，在鋁殼里加入適量的固定膠，固定膠填充在芯子和鋁殼之間的間隙中，起到一定的固定作用，避免或減少在振動發(fā)生時芯子和鋁殼之間產(chǎn)生相對運動，從而達(dá)到提升產(chǎn)品在特定使用條件下的耐振動性能。

2.1 固定膠的選取

APAO是采用特殊催化劑、以α-烯烴為原料，經(jīng)聚合得到的一種非晶態(tài)共聚物apao（非晶態(tài)α-烯烴共聚物，Amorphous poly alpha olefin），微觀結(jié)構(gòu)上是一種非晶態(tài)的、無規(guī)則的排列狀態(tài)，結(jié)構(gòu)式為[-CH2CH(CH3)-]x(-CH2CH2-)y，是一種低分子量的非晶態(tài)塑性體材料，實驗確認(rèn)其軟化溫度150℃左右，到200℃左右呈現(xiàn)較好的流動性，冷卻固化后具有很好的韌性和一定的粘性，且在200℃以上時，聚合物中所含的水份及其他揮發(fā)性雜質(zhì)都得以揮發(fā)凈化，雜質(zhì)含量較少，不具有導(dǎo)電性，綜合認(rèn)為APAO的化學(xué)特性和特理特性符合作為鋁電容器內(nèi)部固定劑的相關(guān)要求。

2.2 實驗驗證

同樣地，選取規(guī)格25V3300μF 、尺寸16X25注膠后的產(chǎn)品做水平方向的不同量級振動試驗進(jìn)行驗證，因不加注固定膠的產(chǎn)品在25g振動量級以下試驗時未發(fā)生相關(guān)失效，所以注膠后產(chǎn)品選擇的振動量級從30g起進(jìn)行試驗，試驗條件如表3所示。

表3 隨機(jī)振動試驗條件

驗證結(jié)果說明：在振動量級30g、35g、40g、45g、50g,振動頻率20Hz～2000Hz的試驗條件下，試驗時間120分鐘，測試和解剖后產(chǎn)品都未出現(xiàn)相應(yīng)失效，試驗后產(chǎn)品電參數(shù)測量合格，改進(jìn)措施有效，鑒于相關(guān)顧客的使用場所景其振動量級只有30g左右，所以判定注膠后產(chǎn)品完全符合使用要求。

3 結(jié)論

本文根據(jù)鋁電解電容器的結(jié)構(gòu)特點，研究了鋁電解電容器在隨機(jī)振動頻率和不同振動量級強(qiáng)度下的失效情況，分析了其失效機(jī)理，并進(jìn)行了試驗驗證。最后基于該失效機(jī)理提出了用APAO膠（非晶態(tài)丙烯共聚物）作為固定劑，提升鋁電解電容器的耐振動性能，使其適合應(yīng)用于特定要求的環(huán)境或高可靠性要求的領(lǐng)域。驗證結(jié)果表明，改進(jìn)措施有效，注膠后產(chǎn)品完全符合實際使用要求。