關(guān)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(wèn)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(wèn)題經(jīng)常存在不穩定性，在實(shí)際生產(chǎn)應用過(guò)程中常因該問(wèn)題導致批量的封存返包，而根據分析情況，電容內部的鋁箔首卷位置毛刺短路(鋁箔裁切面)是常見(jiàn)的短路問(wèn)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(kāi)一系列的分析驗證，提出了電容“空卷”概念，實(shí)現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(chǎng)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(jià)格低廉等特點(diǎn)在直流或脈動(dòng)電路中作整流、濾波和音頻旁路使用較為普遍，由于各廠(chǎng)家制造工藝及質(zhì)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(shí)際使用中的故障返修率也有一定差異，而該電容結構特點(diǎn)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(guān)來(lái)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、箔灰及其他不正當的操作導致的電容短路問(wèn)題常有發(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(jìn)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(jìn)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(chēng)為負極(或稱(chēng)陰極)。被Al2O3隔開(kāi)的鋁箔(如圖1所示，其中間圖標注為鋁芯部位)構成陽(yáng)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(chēng)為正極(或稱(chēng)陽(yáng)極)。

　　當沒(méi)有浸漬電解液前，電介質(zhì)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(gè)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(shí)由于電解液的流動(dòng)性，并在A(yíng)l2O3表面均勻分布形成良好的緊密接觸，此時(shí)，正負極板的間距就是Al2O3的厚度。

1.2 鋁電解電容器的實(shí)際立體結構

　　先用正負極導針?lè )謩e與陽(yáng)極箔和陰極箔鉚接，然后把陽(yáng)極、陰極與電解紙同步卷繞組成電容芯、電容芯經(jīng)過(guò)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(shí)際應用中常見(jiàn)故障類(lèi)型

2.1 漏電大

　　漏電大的原因與材料和工藝有關(guān)，如選用的陽(yáng)極箔氧化層有殘缺;老煉不充分(制造過(guò)程損壞的氧化層通過(guò)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(yáng)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(zhì)由初始的陽(yáng)極氧化層構成變?yōu)殛?yáng)極氧化層和電解紙構成，從而增加了陽(yáng)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(zhì)污染容易使內部發(fā)生局部瞬間擊穿頻繁，釋放的熱量過(guò)多。

2.5 正負極短路

　　陽(yáng)極導針或陽(yáng)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(guò)小導致絕緣膠塞短路;設計電解紙寬度與鋁箔寬度留邊過(guò)小，在卷繞時(shí)，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(shí)發(fā)生爆炸現象;也有因漏電流過(guò)大的原因。

2.7 開(kāi)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(guò)大外力作用都會(huì )發(fā)生塊路。電解液完全干沽，容量趨于零也類(lèi)似開(kāi)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(huì )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(wèn)題、鋁箔毛刺問(wèn)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(guò)X-ray觀(guān)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(guò)實(shí)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(wèn)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(cháng)一段)，電解紙表面有空洞問(wèn)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(lái)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(wèn)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(guò)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(wèn)題經(jīng)研究存在較大隱患且較為隱蔽，為之前常規短路的整改盲點(diǎn)，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(wèn)題，經(jīng)過(guò)不同供應商產(chǎn)品之間的結構對比，發(fā)現各廠(chǎng)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(fēng)險。

4 整改方案及效果評估

　　電解電容內部正負箔(即陽(yáng)極箔、陰極箔)之間可見(jiàn)的固體材料為電解紙，通過(guò)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(cháng)時(shí)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(wèn)題目前行業(yè)內普遍通過(guò)在刀具的使用壽命上規定次數進(jìn)行改善，但通常在刀片未達到規定次數前切箔的產(chǎn)品邊緣已經(jīng)產(chǎn)生細小毛刺，仍存在產(chǎn)品使用過(guò)程中導致短路的隱患。

　　以上來(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)電解電容生產(chǎn)過(guò)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(diǎn)為電容生產(chǎn)時(shí)調整機臺參數使電解紙先空卷一圈(具體空卷長(cháng)度根據不同規格產(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(diǎn)正負箔之間“距離”較近導致毛刺短路問(wèn)題(展開(kāi)后電解紙相對鋁箔引伸出來(lái)的長(cháng)度較長(cháng))。

5 結論

　　通過(guò)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(shí)現正、負箔之間的直觀(guān)距離由單層電解紙變?yōu)槎鄬与娊饧?，從結構上改善，達到即使存在細小毛刺也不會(huì )導致毛刺刺穿短路問(wèn)題。有效保證了產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性及長(cháng)期有效性，該方案在電解電容器傳統生產(chǎn)工藝上進(jìn)行創(chuàng )新優(yōu)化，在控制箔灰的同時(shí)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(shí)其杜絕性整改的思路對于其他元件的質(zhì)量控制同樣具有積極良好的借鑒意義。

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