电容器的常见失效模式和失效机理

电容器的常见失效模式和失效机理【下】

3.2.6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。

尤其是水系电容，这种电容为了增大电解液的介电常数，水的比例很大。电解电容的介电材质对温度非常敏感，尤其是水系电解电容，這是因为水系电解电容的水系电解液会随著温度热胀冷缩，温度过高高甚至可能会挥发产生气体，导致电容内部压力过高，当压力超过临界点，外壳裂开电解液溢出。电容容量的公式如下：

C[F]=ε0·ε·S/t

Q:电量( C )

V:电压(V )

C:电容量(F)

S：电极面积[m2]

t：介质厚度[m]

ε：相对介电常数

ε0:介质在真空状态下的介电常数

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

电容量下降与损耗增大

铝电解电容器的电容量在工作期间缓慢下降，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。

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。