鋁電解電容器振動失效機理分析和改進措施研究

郝樹福，胡勇，唐仁杰

（佛山市三水日明電子有限公司，廣東佛山，528000）

電子工業是當今社會的生命線。從日常生活應用到關鍵的安全應用，從玩具到雷達，電子元件的使用正以指數級速度增長。隨著設備和組件變得越來越緊湊，它們的可靠性成為一個關鍵問題。在許多電子應用中，電子產品的壽命取決于內部電解電容的壽命。當向市場推出一個組件時，制造商通常會發布一個組件數據表，說明其不同的特性和預期壽命。但當該元件投入實際使用時，影響其壽命的因素很多，從而降低了其效率和實際壽命。鋁電解電容器是功率轉換電路中廣泛使用的平滑電容器。近年來，有大量的研究從工作電路的信息來檢測平滑鋁電解電容器的剩余壽命，如平滑電容器的紋波電壓和紋波電流等。通過了解鋁電解電容器的失效機理，可以更有效的對剩余壽命進行預測，從而提前做出應對措施。引起電解電容器失效的原因很多，其中電容器振動是電容器失效的一個很常見的因素。

電容器振動是由不同類型的振動源引起的，如軌道、車輛發動機、彈丸發射等，這些都是在運行中不可避免的[1]。目前，研究者通過在設備內部系統和/或系統外部添加隔振器進行加固，以最大限度地減少對設備及其安裝點的干擾力。然而，只有高阻尼的隔振器才能為電子設備提供足夠的保護[2]。而且，使用隔振器存在一些缺點，例如隔振器的諧振頻率可以出現在振動輸入的主導激勵頻率附近。另外，還應考慮擺動空間有限、造價高、使用壽命有限等因素[3]。在隨機振動中，大多數部件的失效都是由彎曲引起的。電容器和電阻通常由于元件引線彎曲或焊點破裂而失效。這些故障是由電子元件本體、電引線和印刷電路板之間的相對運動引起的[4]。共振時，相對運動最為劇烈。如果應力水平足夠高，疲勞循環次數足夠多，則電子元件的焊點和/或引線可能會出現疲勞失效。

本文的目的是進一步分析鋁電解電容器在隨機振動頻率和不同振動量級強度下的失效情況，了解其失效機理，從而提出解決和改進措施。

1 鋁電解電容器振動失效機理分析

1.1 鋁電解電容器一般結構特點

目前市場應用最普遍的鋁電解電容器，其封裝結構一般分兩大類，一類為引線式鋁電解電容器，另一類為蓋板式鋁電解電容器。本文以引線式鋁電解電容器為例進行研究和討論，其結構如圖1所示。引線式鋁電解電容器由引線、膠塞、芯子、鋁殼和套管組成，其中芯子是電容器的核心，由正負箔、電解紙和引出線通過鉚接卷繞加工而成。鋁梗部（圖1中②）作為引出線的一部分，與引出線是焊接為一個整體的。膠塞、鋁梗部、鋁殼通過封裝設備加工，將電容器芯子密封在鋁殼內部，最后在外殼上通過熱塑加工套上套管，套管表面印有相應標記，起絕緣和標識作用。

圖1 引線式鋁電解結構示意圖

1.2 振動失效機理分析

根據相關鋁電解電容器在具體應用場境的失效情況，以發生失效的引線式鋁電解電容器為例，結合本產品的一般結構特點，本文對相關產品因振動失效的原因分析如下：

(1)產品電參數測量分析

產品電參數測量值如表1所示，可以看到，返回不良品容量值非常小，呈現無容量狀態，損耗值無窮大，顯示產品在上機試驗或使用后內部存在異常。而未上機良品電參數各項數據都合格，產品不存在異常狀況。

表1 25V 3300μF電參數測量數據

(2)產品解剖分析

如圖2所示，解剖后發現，返回不良品（圖2a）正負引出線都在鋁梗和舌片的轉接部位發生了斷裂，顯示產品在整機工作過程中，該部位為應力集中點或應力承受薄弱節點。而未上機產品解剖后發現，未經上機使用的良品（圖2b和圖2c），產品完全正常，未有類似問題出現，證明產品在生產制造過程中不存在相關問題。

圖2 產品解剖圖

1.3 失效產品使用場景分析

實際使用場景中，失效產品是在安裝在整機后，隨整機做振動試驗過程中發生失效的。因此，本文從整機振動為切入點，結合鋁電解電容本身的內部結特點（圖1）進行分析。

在整機中，電容器通過引腳焊接和固定膠加固，使電容本體與整機線路板完全固定一起，在整機振動試驗時，電容器本體隨著整機一起做上下和左右振動。如圖3所示，參照圖1引線式產品示意圖，由于其封裝結構的特點，芯子身體（圖3中紅色記號以右部份）并未與鋁殼內壁形成緊密結合狀態，而是存在一定的隔離空間，而膠塞、引線的鋁梗部、鋁殼是緊密地固定在一起的，這樣在電容器隨整機振動的過程中，芯子身體部位在本身重力和外加振動負荷的作用下，與電容器本體間會產生一定的相對運動，特別是如圖3所示上下方向的振動，會直接導致引線內部在紅色橢圓標記處產生剪切應力，且該應力隨振動頻率和振動強度量級的升高而相應增大。

圖3 電容器內部芯子振子振動原理圖

如圖4所示，電容器引線由引出線、鋁梗舌片三部分組成，其舌片部分通過鉚接卷繞加工與鋁箔、電解質固定在芯子身體內部，舌片與鋁梗的結合部（紅色橢圓標記處）為機械結構突變部位，按照機械工藝原理，該處為加工應力集中部位，本就是容易產生金屬疲勞的結點部位，在隨整機進行水平方向振動試驗時，又由于鋁梗部和舌片固定相對牢固，引線內部水平方向所承受的拉壓應力將交替變換疊加在該部位，促使其出現疲勞失效。

圖4 引線結構分析原理圖

結果表明，引線式鋁電解電容在隨整機進行振動試驗時，或在實際應用當中存在類似應用環境時，引線中鋁梗與舌片的交接處在剪切應力、拉壓應力的共同作用下，應是最易出現疲勞失效斷裂的部位，當工作中達到其疲勞極限時出現斷裂失效，從而導致電容器失去其應有的功能特性。

1.4 失效機理試驗驗證

選取規格25V3300μF 、尺寸16X25的產品做水平方向的不同量級振動試驗進行驗證，試驗條件如表2所示。結果表明：在振動量級為20g和25g，隨機振動頻率20-2000Hz的條件下，持續振動120分鐘，經電參數測量，無失效現象；在振動量級為30g，隨機振動頻率20～2000Hz的條件下，試驗進行到60分鐘進行測試時，發現部分產品開始失效，試驗進行到90分鐘測量時，投入試驗的產品全部失效；在振動量級為35g和40g,隨機振動頻率20-2000Hz的條件下,試驗進行到30分鐘時進行測量時，全部合格，試驗進行到60分鐘測量時，試驗產品全部失效。如圖5所示，失效產品解剖后，發現正負引線在其鋁梗和舌片的連接處已斷裂，從而導致產品無容量、損耗參數值異常，產品失效。實驗結果證實明，本文對本產品在隨整機振動失效的機理分析是正確的。

表2 隨機振動試驗條件

圖5 失效產品解剖圖

2 改進措施的提出、驗證和實施

根據以上機理分析和驗證，為了滿足實際的使用條件要求，本文提出了在產品封裝前，在鋁殼里加入適量的固定膠，固定膠填充在芯子和鋁殼之間的間隙中，起到一定的固定作用，避免或減少在振動發生時芯子和鋁殼之間產生相對運動，從而達到提升產品在特定使用條件下的耐振動性能。

2.1 固定膠的選取

APAO是采用特殊催化劑、以α-烯烴為原料，經聚合得到的一種非晶態共聚物apao（非晶態α-烯烴共聚物，Amorphous poly alpha olefin），微觀結構上是一種非晶態的、無規則的排列狀態，結構式為[-CH2CH(CH3)-]x(-CH2CH2-)y，是一種低分子量的非晶態塑性體材料，實驗確認其軟化溫度150℃左右，到200℃左右呈現較好的流動性，冷卻固化后具有很好的韌性和一定的粘性，且在200℃以上時，聚合物中所含的水份及其他揮發性雜質都得以揮發凈化，雜質含量較少，不具有導電性，綜合認為APAO的化學特性和特理特性符合作為鋁電容器內部固定劑的相關要求。

2.2 實驗驗證

同樣地，選取規格25V3300μF 、尺寸16X25注膠后的產品做水平方向的不同量級振動試驗進行驗證，因不加注固定膠的產品在25g振動量級以下試驗時未發生相關失效，所以注膠后產品選擇的振動量級從30g起進行試驗，試驗條件如表3所示。

表3 隨機振動試驗條件

驗證結果說明：在振動量級30g、35g、40g、45g、50g,振動頻率20Hz～2000Hz的試驗條件下，試驗時間120分鐘，測試和解剖后產品都未出現相應失效，試驗后產品電參數測量合格，改進措施有效，鑒于相關顧客的使用場所景其振動量級只有30g左右，所以判定注膠后產品完全符合使用要求。

3 結論

本文根據鋁電解電容器的結構特點，研究了鋁電解電容器在隨機振動頻率和不同振動量級強度下的失效情況，分析了其失效機理，并進行了試驗驗證。最后基于該失效機理提出了用APAO膠（非晶態丙烯共聚物）作為固定劑，提升鋁電解電容器的耐振動性能，使其適合應用于特定要求的環境或高可靠性要求的領域。驗證結果表明，改進措施有效，注膠后產品完全符合實際使用要求。