常用電容器壽命研究

范凌云 喬志偉 唐雪瑾

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070； 2.中國家用電器研究院 北京 100037）

引言

電容是我們空調設計中常用的元器件之一，其可靠性直接影響著整個電路的能否正常工作，而鋁電解電容、片狀電容以及薄膜電容的壽命是影響其可靠性的重要指標之一，本文從電容的結構、機理以及使用環境的的角度出發，著重討論壽命的計算方法及影響電容壽命的主要因素。

1 鋁電解電容壽命研究

1.1 內部結構及失效機理

鋁電解電容器是電容器的一種，根據工藝的不同可以分為有極性電解電容與無極性電容。無論哪一種它們的兩極都是由鋁箔做電極并引出。有極性與無極性電容的正極都是相同的，也就是在電解液中經過氧化處理的鋁箔。在此鋁箔表面通過電解會生成Al2O3薄膜，其厚度一般為 0.02 μm～0.03 μm。

電解液一般由硼酸、氨水、乙二醇等組成，但電解電容內部并非充滿了液體，而是通過一張特殊材質的紙浸潤電解液，充當電容的負極。但一張紙顯然無法作為傳統電容認知中的負極，因此需要另一根鋁箔與浸過電解質溶液的紙貼合在一起。在無極性電容中，引出負極的鋁箔也會和正極一樣經過氧化處理，耐壓更強。正負極鋁箔中間夾浸滿電解液的紙卷繞成圓柱形，這就構成了電解電容的核心，也就是芯子，然后用鋁外殼套在芯子上封裝，底座加膠塞固定密封，如圖1所示。

圖1 鋁電解電容器結構圖

通常我們所說的壽命終止是電容量下降到額定初始值的80%左右，無力承擔電容在電路中發揮的作用。電容量下降的直接原因是鋁電解電容器電極的實際面積減少了，而陽極在使用過程中基本上是不變化的，減少的是陰極。陰極的實際面積是由電解液來保證的，如果電解液由于揮發而減少將造成陰極實際面積的減少，那么電容壽命也會跟著降低。

對于電解電容的開發者來說，影響電解電容壽命和性能的因素主要有工藝制程、設計方案及原材料。而對于使用者來講，工作條件是影響鋁電解電容壽命的主要因素，如溫升（焊接溫度、環境溫度、交流紋波）、過高電壓、瞬時電壓、甚高頻或反偏壓等[1]。影響電解電容壽命的最大因素是溫升，溫度上升使得負極液體逐漸消失，當減少到一定程度時，電容量跌破閥值，壽命結束。

1.2 環境溫度與壽命的關系

目前經常使用的鋁電解電容的額定溫度一般有85 ℃、105 ℃、125 ℃及140 ℃，而在各種溫度條件下的壽命又各不相同，有1 000 h、2 000 h、5 000 h等。

鋁電解電容器未必工作在最高溫度下，大多數在低于最高溫度下存儲或工作。行業內有一種簡單的推算方法，又稱為10 ℃法則，此估算方法適用于無明顯紋波電流的電路，公式如下：

式中：

T—實際環境溫度；

T0—上限類別溫度；

L—環境溫度T時的壽命；

L0—上限類別溫度T0時的壽命。

從公式中可以簡單推算出溫度每下降10 ℃，電容的實際使用壽命大約可以延長一倍。因此無論使用還是存貯，都應該首先考慮溫度因素。

用常用的85 ℃/1 000 h的鋁電解電容舉例，其在額定溫度85 ℃下連續工作的壽命為1 000 h（約42天）；若在45 ℃的條件下使用，其實際使用壽命為16 000 h（約1年10個月）；如果是在29 ℃的條件下使用，其實際使用壽命則約為5年6個月。因此在電解電容選型時溫度降額對其實際使用壽命的影響非常大。

1.3 紋波電流與壽命的關系

高溫時導致壽命減少的最大因素，造成高溫的原因除了環境高溫外還有自身發熱，而紋波電流是影造成本體發熱的最大原因。

紋波電流（Ripple Current）是流經電容的交流成分。之所以稱為紋波電流是因為疊加在電容的直流偏置電壓上的交流電壓的波形就像水上的紋波一樣。紋波電流對電解電容的影響也是很容易理解的，即紋波電流作用在等效串聯電阻上使得電容發熱。

行業內對于流過紋波電流的鋁電解電容器的預期壽命有一個公式進行推算，可以在選型時作為參考，如下：

式中：

T—實際工作溫度；

T0—上限類別溫度；

△T—電解電容的內部中心溫升；

L—實際工作溫度下的使用壽命；

L0—上限類別溫度下的使用壽命；

K—紋波系數（實際紋波電流有效值與額定紋波電流有效值之比）[2]。

例如上限類別溫度為85 ℃，壽命為2 000 h的電解電容，如果電路中的紋波電流為額定紋波電流，那么如果實際工作溫度為45 ℃，其實際連續使用壽命可達32 000 h。在實際電路設計中，應根據實際使用環境溫度，紋波電流等因素綜合考慮，通過計算來選擇具有合適的耐久性壽命要求的電解電容。

由于直接測量電容器的內部溫升存在困難，因此可以通過測量電解電容的表面溫度來間接求得內部核心溫度值，如圖2。表1為表面溫度和內部核心溫度的換算關系。

表1 電容器表面溫度與內部核心溫度的換算關系

圖2 測溫點示意圖

2 片狀電容壽命研究

2.1 內部結構及失效機理

片狀電容全稱為片狀多層瓷介電容器（MLCC）[3]，是陶瓷電容的一種。MLCC是目前世界上使用量最大的電容類型，其封裝標準化、尺寸小，適用于自動化高密度貼片生產，在消費電子、通訊產品中是不可或缺的器件，主要是為芯片管腳濾波。片狀電容由三大部分組成:陶瓷體、內部電極、外部電極[3]，如圖3所示。

圖3 片狀電容結構圖

其中電極一般為Ag(銀)或Pd(鈀)，陶瓷介質一般為(SrBa)TiO3，多層陶瓷結構通過高溫燒結而成，器件端頭鍍層一般為燒結Ag/AgPd，然后制備一層Ni阻擋層(阻擋內部Ag/AgPd和外部Sn 發生反應)，再在Ni層上制備Sn或SnPb層用以焊接[4]。

MLCC從本身的設計來看可靠性其實很好，但無法百分百避免缺陷。一般我們將可能出現的缺陷分為兩種，一種由外力引起，一種是內因導致。

2.1.1 外在因素

斷裂或微裂是最常見的問題之一，斷裂缺陷肉眼或用顯微鏡觀察可以分辨，但微裂只在電容內部，普通手段無法探測。產生斷裂的原因可能有材質差、工藝流不完善、燒結溫度沒有把控好等。

1）溫度沖擊裂紋

由于材質的膨脹系數不匹配導致內外電極受熱開裂，在生產過程中的過高溫焊接或暴力維修是主要原因。

2）機械應力裂紋

MLCC抗彎曲能力比較差。如果在裝配過程暴力操作或者用力不當導致彎曲變形，那么器件開裂就很容易發生。常見應力源有貼片工藝過程中電路板的彎曲導致片狀電容承受過高的機械應力產生裂紋。

2.1.2 內在因素

1）陶瓷介質內空洞

導致空洞產生的主要因素為陶瓷粉料內的有機或無機污染，燒結過程控制不當等[4]。

2）燒結裂紋

燒結裂紋通常是由于冷卻速度過快，在電極的一端產生裂紋，沿著垂直的方向延伸。

3）分層

MLCC在燒結時的溫度在1 000 ℃以上，如果內電極中的雜質揮發則會導致內部空洞，層間的結合力減弱。

從時間角度出發，失效模式可以用如圖4所示曲線概括。

圖4 片狀電容失效曲線

該曲線將片狀電容失效分為三個階段：第一階段生產和使用，生產工藝與材料純度是影響失效的原因；第二階段電容已經處于電路中，在此階段若在焊接時未出現高溫沖擊導致的裂紋，那么失效概率正逐步降低；第三階段是片狀電容因為老化、磨損和疲勞等導致元件性能下降，最終失效。

2.2 溫度與壓降對壽命的影響

影響片狀電容壽命的主要因素就是電壓與溫度，因此片狀電容壽命一般是通過對電壓和溫度的加速來進行的，下面的公式是基于阿列紐斯法，利用電壓加速系數及反應活化能進行推算。

式中：

K—玻爾茲曼常數（8.618×10-5eV/K）；

Ea—反應活化能；

LN—實際使用時的壽命；

LA—加速狀態時的壽命；

VA—加速狀態下的電壓；

VN—實際使用時的電壓；

n—電壓加速系數；

TA—加速狀態時的溫度；

TN—標準狀態時的溫度。

此公式較為苛刻，在實際測算時通常使用另外一個簡化公式進行，如下：

式中：

LN—標準狀態下的壽命；

LA—加速狀態下的壽命；

VA—加速狀態下的電壓；

VN—標準狀態下的電壓；

TA—加速狀態下的溫度；

TN—標準狀態下的溫度；

θ—溫度系數；

n—電壓加速系。

其中電壓加速系數、溫度系數會由陶瓷材料的種類及構造決定。

例如片狀電容 0805 821 K/50 V，用2倍額定電壓進行加速，加速溫度為125 ℃，標準狀態下溫度設置為85 ℃，經查詢此元器件的溫度系數約為8，電加速系數約為3，那么根據公式可以得出上限溫度為125 ℃的片狀電容在85 ℃環境下工作，在額定電壓工作，本身工藝不存在問題的情況下可以正常使用約256 000 h。

在實際電路設計中，需要了解各類片容的溫度補償特性，不能簡單看溫度上下限，要根據電路的溫度、電壓、精度選擇相應的型號，充分考慮電壓峰值，降壓使用，保證使用壽命。

3 薄膜電容壽命研究

3.1 內部結構及失效機理

薄膜電容器是以金屬箔當電極，聚乙酯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜當介質，電極兩端重疊后，卷繞成圓筒狀的構造之電容器，主要用于EMI進線濾波，開關電源中用于吸收高頻諧波的安規電容器就是金屬化聚丙烯膜電容。與電解電容相比最大的差別在于電解質的不同，常見的薄膜電容有金屬化聚丙烯膜電容與CBB電容，其內部結構大致如圖5所示。

圖5 金屬化聚丙烯膜電容內部結構圖

其中金屬化薄膜是利用高空蒸鍍技術，在聚丙烯或聚酯基膜表面蒸鍍一層鋁、鋅或鋁加鋅等金屬薄層，這層蒸鍍金屬層的厚度只有0.03～0.04 μm，構成電容的內電極，如圖6所示。

圖6 噴金層示意圖

在適當的工作條件下，大多數薄膜電容的預期壽命可達數十年，但是若選型不當會造成失效。薄膜電容在微量雜質（氧氣等）和電壓力的共同作用下，電介質會發生化學反應造成失效，另外，過度使用引發的機械疲勞也會造成失效，大部分失效原因有以下兩種：

1）選型不當

若沒有充分考慮電路實際情況，導致通過的電流大于電容的額定電流，那么必然會造成本體發熱，時間久了嚴重影響電容的壽命和可靠性，甚至會有安全問題，如起火燃燒。因此技術人員在選型時一定要測試電路中的峰值電流、均方根值電流，以此為依據判斷選型是否合理。

2）接線方式不當

電容大部分是并聯使用，電路中需要保證各電容的電流值是符合實際計算結果的，但如果走線、接線不當會導致給電容的分流過大引起發熱，與選型不當的結果類似，都會導致本體溫升過高縮短壽命。

3.2 薄膜電容的自愈性

薄膜電容有一種特性，當給金屬膜電容器兩極板間加上一定的電壓后，介質中的某些電弱點可能被擊穿，擊穿電弱點時釋放的能量會使得電弱點周圍的金屬層受熱而氣化揮發[6]，氣化金屬不會影響電容器的使用，因為會形成一個集合面使短路被修復，電容恢復正常工作，這就是薄膜電容器的自愈性。

3.3 溫度與壓降對壽命的影響

薄膜電容有很長的壽命期望，其壽命的長短由電壓條件與熱點溫度決定[7]，通常用如下壽命公式計算使用時長：

式中：

L —使用壽命預期；

L0—額定壽命；

Un—工作電壓（Uw≤1.3 Un）；

Uw—額定電壓；

t0—上限溫度；

t—額定溫度；

α—對于PCB電容器，α= 10～13（典型值α= 12）；

β—對應PCB電容，β= 10。

以金屬化聚丙烯膜電容 2.0 uF±5%/1 100 VDC為例，上限溫度105 ℃的薄膜電容工作在85 ℃的環境下，施加1.3倍額定電壓進行加速，可以得出使用時長約為232 830 h，即26年。

但是需要注意，此公式得到的結果是理想情況下的理論值，因為按照溫度和工作電壓的降額進行計算可能得出電容器應持續一百萬小時或更長時間，但實際上電容器中使用的大多數設計功能都不超過20年，因為電容的壽命和材料、工藝、擊穿損耗息息相關。

在工作電壓為額定電壓、工作溫度為70 ℃的情況下薄膜電容壽命曲線如圖7所示。

圖7 薄膜電容壽命曲線

4 結語

電解電容的壽命主要由溫升及紋波電流值決定，片狀電容與薄膜電容的壽命主要由耐壓和溫度決定，除此之外生產工藝、介質材料都會影響電容的壽命，因此在選型時要注意如果需要低電壓、無反向電壓、低有效值電流的電容，則應選擇電解電容；需要耐壓高、電流承受能力強、能在高頻狀態下工作的濾波元件時應選擇薄膜電容；需要貼片器件時選用片狀電容最佳，但在使用時盡量減少應力沖擊。研究影響電容壽命的因素對設計選型、生產工藝、質量管控有很現實的意義。