电解电容芯子干枯失效的可靠性研究及应用

电解电容对电路的主要作用有：隔直流、去耦、耦合、滤波、储能、自举等，对避免保护电路过电压击穿有不可或缺的作用，是维护电路稳定工作的基石。电解电容失效会导致整个电控电路功能紊乱，最终导致电路失效。本文从器件结构、核心关键参数方面进行分析，整改方案思路可以为同类型电解电容失效分析整改提供借鉴和参考。

1   事件背景

空调控制器使用X、Y 厂家同型号的电解电容时，在使用X厂家电解电容时，用户经常反馈主板通电现象，核实故障原因为电解电容鼓包导致，主要集中在1 个月内失效，属于早期故障，该问题已经严重影响售后质量。焊接失效原因及失效机理分析

1）外观核实，发现鼓包、底部防爆阀有电解液渗出痕迹、套管表面有受高温烫伤破损异常现象（如图1）。

2）失效器件参数检测分析：标称容量47 μF±20%/450 V，实际容值测试容量：317.3 nF，损耗3.4，容值小，都不符合标准要求。

3）X 光观察未发现内部不良，芯子内部铝箔位置无偏移，铆接位置正确，内部结构无异常。

图1 不良品电解电容

4）解剖异常样品电容核实发现内部电解纸干燥，电解液挥发，且有电解液渗出现象。缠绕芯包的胶带热缩，底部外壳防爆阀打开；解剖展开电解纸，发现内部正负铝箔电解纸无破损，内部无爆点及过电损伤痕迹（表1）。

表1 X厂家失效电解电容解剖

5）阳极箔清洗后，采用TV 特性仪进行铝箔耐压检测，阳极箔耐压标准：660 V 以上，实测阳极耐压达679 V，阳极箔性能符合产品质量标准。

综上，从样品本身分析，未发现明显缺陷；从样品的失效形式上看，属于发热过大造成失效。主要表现为PET 套管耐高温在200 ℃以上，异常样品套管已出现破洞，说明外部温度过高，烫破套管；缠绕芯包的胶带溶点在160 ℃以上，胶带已热溶收缩，说明样品使用过程内部温度过高，但样品内部结构无异常，内部无击穿。一般都是使用过程遇到较大纹波电流引起发热，超过样品所能承受的纹波电流，使内部发热量过大，不足以应对因电网电压波动等情况带来的纹波电流（因目前国内各个区域使用电网存在一定的差异性），而此方面因素是无法预测的，在长期经过一定的高压脉冲后产品特性发生了变化，加剧了电介质的电老化与热老化，电解液的粘度逐渐增大且等效串联电阻增大，发热量增加冲破防爆阀，最终促使芯子干枯形成上述现象。

表2 X、Y厂家电解电容参数测试对比

3   电解电容可靠性分析

该型号电解电容同步使用的Y 厂家未发现异常，同比参考Y 厂家与X 厂家电解电容相关参数的核实对比优化。

3.1 常规参数对比（如表2）

正负极铝箔长度差异：产品设计阴极箔一定要比阳极箔长，阴极箔长一点对产品性能不会有影响；负极铝箔面积比（正极铝箔：负极铝箔）X 厂家比Y 厂家小，正负极箔比不影响产品参数，减短负箔后可增加占比；胶塞材料成分有差异：X 厂家电解电容胶塞硬度高于Y 厂家，差值在15 ～ 20；

性能参数：电容测试参数对比ESR、漏电流测试参数差异比较大，初步分析电解液存在差异。

3.2 X、Y 厂家铆接点对比，未发现异常，正负极都是按照要求5 的点铆接。

3.3 铝壳入胶深度：X 厂家铝壳无入胶（如图2），Y厂家有入胶深度（如图3）。

3.4 橡胶塞尺寸

对比X 厂家与Y 厂家引脚尺寸（表3），发现Y厂家弧度比X 厂家弧度半径大2.46 mm；铝壳束腰密封性能，由于X 光核实弧度一致，对比发现艾华的密封性比新元好。

3.5 导针尺寸：焊接引脚（0.8 mm）长度X 厂家比Y厂家长0.7 mm 左右；Y 厂家与橡胶塞接触比X 厂家多0.7 mm左右，使其充分接触增加密封性（如表4、图4）。

图4 电解电容导针外观

4   电解电容优化方案

●   性能核心参数对标Y 厂家优化调整，如漏电流；

●   开发引入与Y 厂家同样材料胶塞（硬度相同、材质成分相同），开发完成后即可以对标Y 厂家调整缩腰深度、弧度、封口形貌；

●   导针长度对标Y 厂家加长。

5   整改效果验证

5.1 对电解电容内部电解液进行调整，电解电容测试漏电流数据明显下降，X 厂家新制品对比X 厂家旧制品提升-88.99%，为Y 厂家的一半（如表5）。

表5 X厂家整改后性能参数测试

5.2 新开发X 厂家电解电容橡胶塞材料已经调整，将混合丁基胶改为丁基胶；相关尺寸测试如下。

1）新制品橡胶塞厚度增加：由3.78 mm 提升到5.11 mm；

2）橡胶塞弧度减小：半径由之前的2.55 mm 提升到7.1 mm，在束腰时增加密封性能；

3）橡胶塞孔径减小：由0.87 mm 提升到0.82 mm；

4）开发完成后，使用X 光观察束腰更加紧密。

5.3 铆接柱尺寸调整，提高铆接柱与橡胶塞密封性：新制品铆接柱直径由2.00 mm 增加到2.17 mm；新制品铆接柱长度由3.65 mm 提升到3.77 mm。

5.4 可靠性试验验证：对X 厂家电解电容整改后制品进行专项型式试验，加电耐久、高温实验后测试容值变化率即漏电流都符合要求（表6）。

表6 可靠性试验验证

6   可靠性整改总结及意义

通过对电解电容单体失效分析，从电解电容失效机理、失效因素、结构可靠性、工艺等核实参数的收集，对比其他相关器件参数，找出差异点，对产品单体结构可靠性对比论证。从器件本身进行整改，改善后进行对比分析，整改后效果明显。对电解电容失效分析方法提供分析思路，对分析评估类似失效电解电容可靠性有良好借鉴作用。

经过此次整改，电解电容在引入开发时需对电解电容关键参数进行对比验证，进行充分评估，并持续跟踪收集整理生产过程数据，以提高产品的可靠性。

参考文献：

[1] 陈锦辉.关于纹波影响电容鼓包的分析研究[J].日用电器,2018(10):86-89.

[2] 周慧德.开关电源中铝电解电容可靠性的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[3] 黄兆军,范凌云.电解电容加速寿命试验的研究与应用探讨[J].日用电器,2013(8):26-28,43.

[4] 项永金,李帅.铝高压电解电容阳极箔氯离子腐蚀失效分析与研究[J].电子产品世界,2020(12):37-41.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年10月期）