關于鋁電解電容器短路項目的研究與整改

作者 / 崔斌 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)

崔斌(1985-)，男，中級工程師，研究方向：電子元器件失效分析、可靠性研究。

摘要：電解電容短路問題一直是行業(yè)內的整改頑疾，因其本身的結構及制造工藝限制，短路問題經(jīng)常存在不穩(wěn)定性，在實際生產(chǎn)應用過程中常因該問題導致批量的封存返包，而根據(jù)分析情況，電容內部的鋁箔首卷位置毛刺短路(鋁箔裁切面)是常見的短路問題之一。從該位置引起電容短路的失效原理、可行性的整改方案研究以及效果評估方面等展開一系列的分析驗證，提出了電容“空卷”概念，實現(xiàn)了對首卷位置毛刺短路的杜絕性整改。

0 引言

　　目前，電子市場中電阻、電容應用最為廣泛，其中鋁電解電容器因其容量范圍大、價格低廉等特點在直流或脈動電路中作整流、濾波和音頻旁路使用較為普遍，由于各廠家制造工藝及質量控制程度不同，加之使用環(huán)境、生產(chǎn)操作的各方面影響，導致在實際使用中的故障返修率也有一定差異，而該電容結構特點是將分別代表正、負極的鋁箔與承載電解液的電解紙按其中心軸卷繞而成。宏觀來看，正負極之間只有電解紙起到隔離、防短路作用，在正負鋁箔表面存在毛刺、箔灰及其他不正當?shù)牟僮鲗е碌碾娙荻搪穯栴}常有發(fā)生，本文從電容構造原理、短路失效案例找出其隱蔽性的影響因素，并提出合理的優(yōu)化改進建議，可有效減少生產(chǎn)制造及售后維修成本，對鋁電解電容器短路整改方面起到新的促進作用。

1 電解電容

1.1 電解電容器平面構造原理

　　由電解紙浸漬電解液及純鋁箔組成陰極，該極板只能與電源負極(或相對另一極的電位低)連接，所以稱為負極(或稱陰極)。被Al2O3隔開的鋁箔(如圖1所示，其中間圖標注為鋁芯部位)構成陽極，該極板只能與電源正極(或相對陰極的電位要高)連接，所以稱為正極(或稱陽極)。

　　當沒有浸漬電解液前，電介質由Al2O3、電解紙組成，正負極板間距為電解紙厚度與Al2O3之和。當浸漬電解液后，電解液相當于一個良好的導體把負極鋁箔和電解紙短路連接三者共同形成負極板，同時由于電解液的流動性，并在Al2O3表面均勻分布形成良好的緊密接觸，此時，正負極板的間距就是Al2O3的厚度。

1.2 鋁電解電容器的實際立體結構

　　先用正負極導針分別與陽極箔和陰極箔鉚接，然后把陽極、陰極與電解紙同步卷繞組成電容芯、電容芯經(jīng)過浸漬電解液后裝入鋁殼、套上密封膠塞，然后對密封膠塞部位縮腰組裝而成。

2 實際應用中常見故障類型

2.1 漏電大

　　漏電大的原因與材料和工藝有關，如選用的陽極箔氧化層有殘缺;老煉不充分(制造過程損壞的氧化層通過老煉修復);電解液等材料或工藝污染氯離子和鐵離子后氧化層被破壞。

2.2 損耗δ大

　　鉚接接觸不良，串聯(lián)電阻大。

2.3 電容小

　　陽極箔容比小;鋁箔面積不足(短箔);電解液泄漏芯子干沽，電介質由初始的陽極氧化層構成變?yōu)殛枠O氧化層和電解紙構成，從而增加了陽極和陰極間距。

2.4 溫升高

　　在強電電容器中，額定工作電壓高，工藝引入的雜質污染容易使內部發(fā)生局部瞬間擊穿頻繁，釋放的熱量過多。

2.5 正負極短路

　　陽極導針或陽極箔有毛刺穿透電解紙導致兩極發(fā)生短路;在小體積中還因為兩電極絕緣距離過小導致絕緣膠塞短路;設計電解紙寬度與鋁箔寬度留邊過小，在卷繞時，工藝誤差導致鋁箔端面與外殼短路。

2.6 爆炸故障

　　極性標識反或使用中極性與電源極性接反導致?lián)舸┒搪钒l(fā)生鼓脹，嚴重時發(fā)生爆炸現(xiàn)象;也有因漏電流過大的原因。

2.7 開路故障

　　鋁箔斷。斷箔原因有制造原因也有使用不當原因。制造機器有故障，使用中受到異常方向的過大外力作用都會發(fā)生塊路。電解液完全干沽，容量趨于零也類似開路。

2.8 漏液故障

　　密封膠塞老化;密封膠塞縮腰不緊;使用中若用洗板水偏酸偏堿使膠塞老化也會漏液。

3 短路故障排查及原因鎖定

　　鋁電解電容器短路主要有以下幾方面原因：正負箔卷繞錯位導致接觸短路、短紙/缺紙/破損、箔灰問題、鋁箔毛刺問題等，下面逐一介紹其判斷方法及解決方案。

3.1 鋁箔錯位

　　可通過X-ray觀察內部正負鋁箔卷繞對齊度，確認箔邊高度是否超出電解紙，正負箔偏移量也可通過實際測量與標準比對確認(一般標準要求：正負箔位移在箔寬*0.03內為合格)。

3.2 電解紙問題

　　對于短紙及缺紙，解剖后可直接看出(正常情況下電解紙尺寸比鋁箔要長一段)，電解紙表面有空洞問題，首選需確認是鋁箔鉚接不良導致的電解紙刮傷缺損還是電解紙來料異常，一般電解紙的輕微破損不易造成電容的直接短路，結合箔灰問題亦是如此，主要因箔灰較為細微，而普通電解紙厚度一般為幾十微米。

3.3 毛刺短路

　　鋁箔毛刺主要存在于鋁箔裁切面，由于切割刀具的磨損導致鋁箔邊緣平整度不夠，目前行業(yè)內主要通過優(yōu)化切割頻次，加大清潔、巡查頻次方面改善;而首卷位置的裁切端面毛刺導致刺穿電解紙使正負箔接觸短路的問題經(jīng)研究存在較大隱患且較為隱蔽，為之前常規(guī)短路的整改盲點，主要針對于小體積、小直徑產(chǎn)品，其卷繞導針相對較細，導致初卷位置鋁箔弧度相對較小，卷繞后在受力狀態(tài)下毛刺易刺穿電解紙與另一電極造成接觸短路。

　　對于首卷毛刺問題，經(jīng)過不同供應商產(chǎn)品之間的結構對比，發(fā)現(xiàn)各廠家電容首卷位置鋁箔邊緣均存在一定毛刺，而毛刺控制相對較差的物料則存在更為嚴重的使用風險。

4 整改方案及效果評估

　　電解電容內部正負箔(即陽極箔、陰極箔)之間可見的固體材料為電解紙，通過機器設定后將三者卷繞在一起成為“芯子”，鋁箔裁切面的毛刺主要為切箔刀片長時間使用磨損導致，且箔片越厚刀具磨損情況越嚴重，產(chǎn)生毛刺越多，該問題目前行業(yè)內普遍通過在刀具的使用壽命上規(guī)定次數(shù)進行改善，但通常在刀片未達到規(guī)定次數(shù)前切箔的產(chǎn)品邊緣已經(jīng)產(chǎn)生細小毛刺，仍存在產(chǎn)品使用過程中導致短路的隱患。

　　以上來講，毛刺不可避免，主要看其影響程度，而芯子內部首卷位置的毛刺因卷繞過程中力的影響導致刺穿電解紙使正負箔短路的隱患較大，一般來說電解電容生產(chǎn)過程中先投入電解紙再分別投入正負鋁箔，成品后鋁箔之間的電解紙只有1層~1.5層，本項整改創(chuàng)新點為電容生產(chǎn)時調整機臺參數(shù)使電解紙先空卷一圈(具體空卷長度根據(jù)不同規(guī)格產(chǎn)品的卷桿直徑?jīng)Q定)，然后再投入鋁箔，達到成品后鋁箔之間的電解紙2層~4層，很好的解決了因此點正負箔之間“距離”較近導致毛刺短路問題(展開后電解紙相對鋁箔引伸出來的長度較長)。

5 結論

　　通過以上對電容首卷位置增加電解紙的整改，使正負箔之間“距離”加寬，實現(xiàn)正、負箔之間的直觀距離由單層電解紙變?yōu)槎鄬与娊饧垼瑥慕Y構上改善，達到即使存在細小毛刺也不會導致毛刺刺穿短路問題。有效保證了產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性及長期有效性，該方案在電解電容器傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝上進行創(chuàng)新優(yōu)化，在控制箔灰的同時達到雙重控制鋁箔接觸短路的效果，可在行業(yè)內推廣，同時其杜絕性整改的思路對于其他元件的質量控制同樣具有積極良好的借鑒意義。

　　參考文獻：

　　[1]黃士生,楊柏峰.模擬電路基礎[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2009:4-20.

　　[2]王昊,李昕,鄭鳳冀.通用電子元器件的選用與檢測[J].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第4期第45頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。