130℃高壓貼片鋁電解電容器的研究

文/金長名 張云鋒 鄒劍

電解液作為鋁電解電容器真正陰極，決定鋁電解電容器的性能，包括工作電壓、工作溫度范圍和使用壽命等。電子整機廠家通過表面貼裝技術(shù)回流焊工藝，將貼片（v-chip）電容器封裝在PCB 上，回流焊工藝溫度高，電容表面溫度達到200℃以上。普通高壓電解液制作的電容器無法滿足回流焊工藝要求，經(jīng)過回流焊工藝，隨著電容器內(nèi)部溫度的提高，電解液汽化導(dǎo)致蒸氣壓的升高，密封的電容器內(nèi)部氣壓增加，電容器有鼓底鼓膠塞的致命風險。

130℃高壓貼片鋁電解電容器，首先必須解決電解液耐高溫特性，滿足電容器130℃條件下壽命要求，其次要降低電解液飽和蒸氣壓，滿足貼片電容回流焊工藝要求。

1 電解液的研究

鋁電解電容器電解液有溶劑、溶質(zhì)和各種添加劑按比例和燒煮工藝配制而成，主要特性有電導(dǎo)率、PH 值、閃火電壓、氧化效率、飽和蒸氣壓等。高壓電解液溶質(zhì)主要有硼酸、五硼酸銨、苯甲酸銨與壬二酸、癸二酸、十二雙酸等羧酸及鹽類，近些年帶支鏈的二元羧酸應(yīng)用于高壓電解液，在醇類溶劑中溶解度高，高溫穩(wěn)定性好，可以達到高的電導(dǎo)率。溶質(zhì)主要作用：

（1）為電解液提供氧離子以修補陽極氧化膜，要求具有較強的形成能力；

（2）能電離成有荷電能力的正負離子，并在電場作用下起到溶液的離子導(dǎo)電作用。

本研發(fā)電解液以乙二醇主溶劑，沸點197℃；二甘醇為輔助溶劑，沸點245℃，降低電解液在高溫下飽和蒸氣壓，以1，6-十二雙酸銨（1，6-DDA）為主溶質(zhì)，葵二酸為輔助溶質(zhì)。1，6-十二雙酸銨為支鏈的二元羧酸溶質(zhì)，在乙二醇中有良好的溶解性，溶解度高，高溫穩(wěn)定性好，制成的電容器耐紋波電流大，研發(fā)的電解液具有高電導(dǎo)率、優(yōu)良的高溫特性和較高的火花電壓。鋁電解電容器電解液添加劑的選擇和比例的確定同樣至關(guān)重要，為降低電解液的蒸氣壓，加入少量甘露醇，抑制高溫下水分引起的電容器內(nèi)壓上升，從而降低電解液蒸氣壓。鋁電解電容器介質(zhì)是三氧化二鋁氧化膜Al2O3，具有加電自愈特性，能自動修補氧化膜并產(chǎn)生氫氣，吸氫劑選用偏硝基乙酰苯，吸氫效果好，減少電容器內(nèi)部氣壓，提高電容器使用壽命。選用次亞磷酸銨作為穩(wěn)定劑，防止電解液在工作過程中因電壓突變造成鋁電解電容器耐壓不穩(wěn)定，而且可以避免鋁電解電容器在較長時間存放后漏電流的大幅回升。選用聚乙烯醇作為閃火電壓提高劑，同時可適當?shù)脑黾与娊庖吼ざ龋m合高壓電容器電解液，電解液閃火電壓達到490v 以上。

經(jīng)筆者反復(fù)研究試驗并優(yōu)化配制工藝，按表1重量百分比配制的電解液，研制電解液電導(dǎo)率達到1.9ms/cm，PH 值6.0～7.0，閃火電壓達到490v 以上，含水率＜2.5%，可用于130℃高壓貼片鋁電解電容器，滿足貼片元件回流焊工藝要求。

表1（%wt）

表2：130℃ 3000h 耐久性試驗

表3：105℃ 1000h 高溫儲存試驗

圖1

2 高壓貼片電容器材料選型和工藝探討

高壓貼片鋁電解電容器材料主要包括：陽極箔、陰極箔、電解紙、電解液、密封膠塞、鋁殼和底座等。由鉚接引線的陽極箔、陰極箔與電解紙卷繞成圓柱狀，浸漬電解液后密封在鋁殼內(nèi)，經(jīng)高溫老化后成型座板而成。

陽極箔：由于貼片電容尺寸相對較小，特別是高度低，陽極箔裁切寬度5mm，要求陽極箔抗拉強度、折曲強度好，選擇機械強度更好的混酸溶液高壓化成箔，R3.5 折曲次數(shù)大于160 回并R1.0 折曲次數(shù)大于60 回、抗拉強度大于48N/cm，以確保陽極箔合格裁切并確保卷繞機良好卷繞，裁切時嚴格控制裁切毛刺小于15μm。

陰極箔：選型厚度30μm 合金系加壓負箔，機械強度好，鉚接接觸電阻小。

引出線：選型高壓化成引線，減少老化作用形成引線表面氧化膜時產(chǎn)氣量；

電解紙：選型國產(chǎn)WD/WS 電解紙，絕緣強度好，ESR 低，成本低；電解紙起著隔離陽極箔、陰極箔作用，并吸附電解液作為電容器實際陰極。

密封膠塞：密封膠塞選用薄型丁基橡膠膠塞，邵氏硬度90±4，比普通電容器用三元乙丙膠膠塞硬度高10，丁基橡膠氣密性更好，電解液滲透率低。密封膠塞硬度高，組立時擠壓不易變形，確保電容器無鼓膠塞現(xiàn)象。

鋁殼：用內(nèi)防爆鋁殼（3003 鋁材料，成本低，配以耐高溫套管）替代涂膜鋁殼，降低鋁殼成本約65%。內(nèi)防爆鋁殼底部平整，保證貼片電容高速自動化貼裝，不掉料。

底座：選型耐高溫尼龍材料，機械強度好，不變形，耐高溫特性好。

3 高壓貼片鋁電解電容器制造工藝

高壓貼片鋁電解電容器制造工藝流程如圖1所示。

含浸：由于高壓電容器所用電解紙密度高、厚度厚，難以在組裝機在線浸漬電解液，采用抽真空及加壓工藝浸漬電解液；浸漬電解液前，必須烘干電容器卷繞素子，防止水份帶入電解液，電解液含水率控制在2.5%以內(nèi)；

組立：束腰位置控制在膠塞中間位置，防止密封膠塞鼓起或下陷，膠塞面低于鋁殼封口高度0.3～0.5mm；封口直徑小于鋁殼直徑，便于座板工序?qū)㈦娙菅b入底座。高壓電解液以乙二醇、二甘醇為溶劑的非水系電解液，易吸收空氣中水份，水份的吸收，增加電解液的飽和蒸氣壓，在貼片元件260℃回流焊工藝時，電解液蒸氣壓的升高，貼片電容內(nèi)部氣壓上升容易導(dǎo)致電容器鼓底鼓膠塞致命風險。浸漬電解液后，必須嚴格控制組立時間，暴露在空氣中時間控制在10min 以內(nèi)。

座板：經(jīng)老化測試合格的電容器，切腳打扁成型裝入底座完成座板。傳統(tǒng)v-chip 鋁電解電容器使用涂膜鋁殼，座板的時候在鋁殼底部捺印負極標識、額定工作電壓和標稱容量等信息。為了降低材料成本，本研發(fā)高壓貼片電容器使用耐高溫PET 套管（承受260℃回流焊工藝），在套管上印刷負極標識、額定工作電壓和標稱容量等信息，套管長度在封口一側(cè)不包封，使裸品電容能輕松置入底座完成座板工藝，另一方面，使用內(nèi)防爆普通鋁殼替代涂膜鋁殼，內(nèi)防爆普通鋁殼的成本不到涂膜鋁殼的三分之一，使整個貼片電容的材料成本降低約10%，提高高壓貼片電容器的市場競爭力。

4 電容器性能試驗

采用本工藝研發(fā)電解液制作的高壓貼片電容器400v4.7μF 10*10.5，經(jīng)260℃回流焊試驗，滿足工藝要求，無鼓底鼓膠塞現(xiàn)象。電容器經(jīng)130℃ 3000h 耐久性壽命試驗和105℃ 1000h 高溫儲存試驗，各10pcs 平均值試驗數(shù)據(jù)見表2、表3。

從表2、表3數(shù)據(jù)可以看出，電容器經(jīng)130℃ 3000 耐久性試驗與105℃高溫儲存試驗前后電容量變化|ΔC/C|≤20%，參數(shù)變化滿足鋁電解電容器行業(yè)標準。

5 結(jié)束語

通過對高壓貼片鋁電解電容器電解液的研究，對構(gòu)成高壓電解液溶劑、溶質(zhì)、添加劑材料的研究分析、材料選擇、配方比例及配制燒煮工藝的優(yōu)化，經(jīng)過反復(fù)試驗驗證，研制了適合高壓貼片鋁電解電容器電解液，在電容器制作關(guān)鍵工序進行有效的工藝控制，特別是電解液水份的控制，制作的高壓貼片電容器滿足260℃回流焊試驗，經(jīng)過130℃ 3000h 耐久性壽命試驗和105℃ 1000h 儲存試驗，參數(shù)變化滿足行業(yè)標準。