贴片式中高压铝电解电容器的研究

王安安，杨治安，艾 亮，贾 明，陶艳军

（1. 湖南艾华集团股份有限公司，湖南 益阳 413000；2. 中南大学 冶金与环境学院，湖南 长沙 410083；3. 湖南省特种电容器工程技术中心，湖南 益阳 413000；4. 艾华集团博士后科研流动站协作研发中心，湖南 益阳 413000）



贴片式中高压铝电解电容器的研究

王安安1,3，杨治安1,3，艾 亮1,3，贾 明1,2,4，陶艳军1,3

（1. 湖南艾华集团股份有限公司，湖南 益阳 413000；2. 中南大学 冶金与环境学院，湖南 长沙 410083；3. 湖南省特种电容器工程技术中心，湖南 益阳 413000；4. 艾华集团博士后科研流动站协作研发中心，湖南 益阳 413000）

摘要:以适合小型化、集约型发展的贴片式铝电解电容器为研究对象，通过优化工作电解液成分，获得了电导率高、闪火电压高、高温稳定性好等性能良好的工作电解液；并针对贴片式铝电解电容器结构及安装过程中的特殊性，对制备工艺进行了优化，研制出的贴片式中高压铝电解电容器工作电压达450 V，寿命达10 000 h(105 ℃)。

关键词:贴片式铝电解电容器；中高压；工作电解液；工艺优化；回流焊；高温负荷寿命

艾亮（1983－），女，湖南益阳人，工程师，研究方向为先进电池材料及器件制备，E-mail:jiyu-li@csu.edu.cn 。

网络出版时间：2016-05-31 11:06:16 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1106.006.html

电容器在电路中主要起电源滤波、信号耦合、杂波旁路以及储能等作用，是电器产品中不可缺少的电子元件。铝电解电容器以其性能优良、价格低廉、用途广泛等特点，在近二十年得到很大的发展，占整个电容器产量的30%以上[1]。

铝电解电容器的类型有引线式、螺栓式、焊片式及贴片式[2]，随着铝电解电容器向小体积、高性能、大容量、低成本方向的发展，以及表面安装技术（SMT）在电子整机方面的广泛应用[3]，贴片式铝电解电容器的研究受到了广泛的关注[4]，贴片式铝电解电容器按使用特性可分为垂直式和水平式两种，2013年贴片式铝电解电容器在铝电解电容器市场占有率首次突破20%后，美国专业电容器研究机构Paumanok预测，仅垂直贴片式铝电解电容器在2018年的铝电解电容器市场占有率就能超过20%，年产量高达94.9亿只。贴片式中高压铝电解电容器属于电容器中的高档产品，耐高温和高压、电容量大、等效串联电阻低，是电子元器件发展的新方向[5]。但贴片式铝电解电容器结构存在橡胶塞薄、电解纸留边量小等特点，容易引起电解质泄漏或电容器短路，并且贴片式铝电解电容器在安装过程中，要求电容器必须经受温度更高、时间更长的无铅回流焊[6]，这对贴片式铝电解电容器的工作电解液以及生产工艺有严格要求。

贴片式铝电解电容器普遍使用从日本三洋公司进口的CP120或CP150专用电解液，国内不少厂家使用γ丁内脂为主溶剂的无水电解液，而此类电解液因工作电压低或材料价格高受到了一定限制[7]。本文采用乙二醇作为溶剂，通过选取合适的溶质和添加剂，提高电解液的高温稳定性、电导率及闪火电压，降低产品的饱和蒸气压，并通过优化裁切及封口等工艺，开发出了高性能的贴片式中高压铝电解电容器。

1　 实验

1.1 实验原料

电极箔（包括阳极箔、阴极箔）和配套的铝壳、工作电解液、引出线、电解纸、PET热缩套管。

1.2 实验流程

实验的工艺流程见图1。

图1 实验工艺流程Fig.1 Process flow of the experiment

1.3 实验仪器

工作电解液的电导率、闪火电压、水含量及饱和蒸气压测试分别采用电导率测试仪（DOS-307）、电解液闪火测试仪（TV-1000B）、水分测试仪（MKS-500）及饱和蒸气压测试仪（DRT-1121A）测量，电容器的漏电流使用漏电流测量仪（YTV-10M）测量，电容量和损耗角正切值使用精密LCR电桥（E4980A）测量。

2　 工作电解液的研制

应用于贴片式中高压铝电解电容器的工作电解液，应当满足高温稳定性好、闪火电压高、电导率高、饱和蒸气压低及氧化效率高等要求，因此工作电解液必须具备合适的溶剂、溶质及添加剂组成。

2.1 溶剂的选择

乙二醇体系下获得的闪火电压能大于480 V，如表1所示，结果表明乙二醇体系能较好适用于中高压铝电解电容器的工作电解液，通过本次研究表明，适当加入二甘醇高温稳定性溶剂，能形成一种具有宽温工作特性的复合溶剂。

表1 电解液组成Tab.1 The content of electrolyte component

2.2 溶质的选择

溶质在溶剂中需要保持一定的溶解性和电离度，并且能够提供修复氧化膜的含氧基团以及良好的高温化学稳定性。通过大量实验，找到高温稳定性好的十二双酸铵等作为主溶质，能够较好地应用于中高压电容器。

2.3 添加剂的选择

为了获得高电导率、高闪火电压的工作电解液，需要加入添加剂。

首先，在电解液中添加磷酸系及其盐类起防水合作用。磷酸使得氧化膜表面形成一层网络状磷酸铝石层来抑制水分子的侵入[8]。

其次，在电解液中加入纳米硅盐，在电场作用下纳米硅盐吸附在氧化膜表面，能提高电解液闪火电压[9]，并且纳米硅盐能对氧化膜起修复和保护作用，降低漏电流。

最后，在电解液中加入对硝基苯甲酸及对邻硝基苯甲醚等作消氢剂，利用其具有电负性基团来吸附氢离子[10]，使H+移达阴极的几率大大减少，从而减少了H2的产生量。

通过将工作电解液的溶剂优化为高温复合溶剂，溶质以十二双酸铵为主溶质，并适当优化添加剂成分及含量，得到了优化后的工作电解液。

表2是对电解液成分及含量进行优化后的性能参数。优化前后闪火电压均能满足中高压要求；优化后电导率有较大提升，从1 350×10–6S/cm提高到1 950×10–6S/cm，这能降低电容器损耗；优化后水含量降低，从质量分数3.5%降到2%，降幅达到43%，过多的水分不仅会使蒸气压升高，还会造成闪火电压降低；优化后电解液的沸点从160 ℃升高到200℃，饱和蒸气压低得到一定改善，在100 ℃时饱和蒸气压从2.18 kPa降至2.13 kPa，增强了电解液的耐高温性能，显著地提高了电容器工作温宽。

表2 电解液性能参数Tab.2 The performance parameters of electrolyte

γ丁内脂体系的电导率在闪火电压略低的条件下仅为1 890×10–6S/cm，表明通过对电解液优化研究，获得了具有耐高温、高电导率、高闪火电压等良好特性的工作电解液。

3　 工艺优化

为了克服贴片式铝电解电容器因橡胶塞薄、电解纸留边量小引起的电解质泄漏或电容器短路，以及提高电容器的耐回流焊性能，需要对整个工艺流程进行优化，提高电容器的稳定性及寿命。

（1）在铝壳底部预先铺一层电解纸，防止铝箔与铝壳接触，有效降低了电容器短路现象的发生。

（2）优选高硬度、耐高温丁基胶橡胶塞，加长铝梗部长度，使铝梗部中心线与束腰中心线重叠部延长，从而确保器件密封性。

4　 电容器性能参数

采用优化后的电解液配方，并在最优工艺条件下制备了贴片式中高压铝电解电容器，器件在105 ℃高温贮存寿命实验结果如表3所示，表现出了良好的性能，在高温贮存1 000 h后，容量仍然稳定，损耗增大，漏电流也会有一定程度增大，但参数值仍在允许变化范围之内。经过无铅回流焊后器件容量和tand基本无变化，容量从2.06 μF降为2.03 μF，tand从2.7%升为2.8%，仅漏电流从2.76 μA升至13.54 μA，但漏电流会在负荷条件下经修复后降低。

表3 105 ℃高温贮存寿命实验结果Tab.3 The storage life at high temperature of 105 ℃

图2为105 ℃高温负荷寿命实验结果，容量在10 000 h之内比较稳定，从初始的2.06 μF降为1.77 μF，C·C–1仅为14.08%；漏电流在1 000 h后明显改善，且随着氧化膜的不断修复，漏电流从最初的2.76 μA降为0.94 μA，说明工作电解液具有良好的高温稳定性能；损耗在1 000 h后上升，但是在允许变化范围之内。

贴片式中高压铝电解电容器在国内外处于研究前沿，仅日本尼吉康株式会社（Nichicon）在2014年开发LV系列产品，工作电压达到450 V、产品寿命达到10 000 h（105 ℃）。通过与国际先进企业相比，本次所制备的贴片式中高压铝电解电容器的工作温度范围、工作电压范围、容量范围及耐久性等各项参数优异，对中高压贴片式铝电解电容器产业的发展有着重要意义。

图2 105 ℃高温负荷寿命实验结果Fig.2 The load life at high temperature of 105 ℃

5　 结论

通过对贴片式中高压铝电解电容器工作电解液溶剂、溶质和添加剂种类和含量的优化，获得了电导率高、高温稳定性好、闪火电压高及饱和蒸气压低等优异性能的乙二醇体系工作电解液：电导率高达1 950×10–6S/cm，含水量为质量分数2%，闪火电压大于480 V，沸点为200 ℃。经制备工艺优化，克服了贴片式铝电解电容器结构特性及安装过程中引起的问题。采用优化的电解液配方、在优化工艺条件下制备的贴片式中高压铝电解电容器工作电压达到450 V、产品寿命达到10 000 h（105 ℃）。

参考文献：

[1] 陈金菊. 低压铝电解电容器用高性能阳极氧化膜研究 [D]. 成都:电子科技大学, 2006.

[2] 邱小波. 焊片式铝电解电容器的技术研究与开发 [D]. 厦门:厦门大学, 2013.

[3] 朱爽宁. SMT表面组装技术中贴片机精度提高的研究 [D]. 天津:天津大学, 2003.

[4] 陈远强. 聚吡咯片式固体铝电解电容器的制备工艺及可靠性研究[D]. 福州:福州大学, 2011.

[5] 曹婉真, 成建生. 片式铝电解电容器的现状及发展趋势 [J]. 电子元器件应用, 2001, 9(3):1-2.

[6] 梁雅丽, 黄远彬, 李基森. 适合无铅回流焊的片式铝电解电容器研制[J]. 电子元件与材料, 2006, 25(10):59-61.

[7] 卢云, 徐蓓娜, 徐燕青, 等. 低压宽温高频铝电解电容器工作电解液[J]. 电子元件与材料, 2002, 21(1):15-16.

[8] 张宾, 陈绍根. 高压宽温工作电解液的研制 [J]. 佛山科学技术学院学报, 2005, 23(4):51-53.

[9] 王守绪, 王慧秀, 王偕恕. 纳米SiO2对铝电解电容器闪火电压的影响研究 [J]. 电子元件与材料, 2005, 24(4):39-40.

[10] 黄振彬. 耐高温、长寿命的铝电解电容器电解液研制 [J]. 广州化学, 2009, 34(2):37-40.

[11] RONG X, THOMAS N, CHRISTER L, et al. High performance axial capacitors for automotive electronics [EB/OL]. [2015-03]. http://www.kemet.com/.

（编辑：曾革）

Study on medium-high voltage SMD aluminum electrolytic capacitors

WANG An’an1,3, YANG Zhian1,3, AI Liang1,3, JIA Ming1,2,4, TAO Yanjun1,3
(1. Hunan Aihua Group Co., Ltd, Yiyang 413000, Hunan Province, China; 2. School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China; 3. Special Capacitor Engineering Technology Center in Hunan
Province, Yiyang 413000, Hunan Province, China; 4. Postdoctoral Scientific Research Cooperative R＆amp;D Center of Aihua Group, Yiyang 413000, Hunan Province, China)

Abstract:The SMD (Surface Mount Device) aluminum electrolytic capacitor was taken as the research object, which was suitable for miniaturization and intensive development. By optimizing the electrolyte composition, the working electrolyte with good performance was obtained, which had high conductivity, break-down voltage, temperature stability. According to the particularity of SMD aluminum electrolytic capacitor structure and its installation process, the preparation process was optimized. The prepared medium-high voltage SMD aluminum electrolytic capacitor exhibits high working voltage of 450 V, long lifetime of 10 000 h at 105 ℃.

Key words:SMD aluminum electrolytic capacitor; medium-high voltage; working electrolyte; process optimization; reflow soldering; load life at high temperature

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.006

中图分类号:TM535+.2

文献标识码:A

文章编号:1001-2028（2016）06-0032-03

收稿日期：2016-03-02 通讯作者：艾亮

基金项目：工信部工业转型升级强基工程专项(No. 0714-EMTC02-5271)；湖南省战略性新兴产业科技攻关项目(No. 2015GK1045)

作者简介：王安安（1966－），女，湖南益阳人，研究生，研究方向为电化学工程以及器件应用，E-mail:jiamingsunmoon@aliyun.com ；