有关铝电解电容器老练过程出现击穿的原因及对策探究

温俊机 彭游其 谢娟

摘 要 铝电解电容器老练过程出现击穿是电容器制程过程中的常见问题，也是原因相对较为复杂的一类不良问题。铝电解电容器老练过程出现击穿不仅仅只是受化成箔的影响，其还受内部的所有材料基体的纯度、外观品质状况，制程环境及老练工艺等方面的影响。下面我们就针对铝电解电容器老练击穿的各种不良原因、对应的现象及改善的对策进行具体探究。

关键词 铝电解电容器;化成箔;老练;击穿;氧化膜

1铝电解电容器击穿的原理

击穿原理：

固体电介质的击穿是在电场的作用下伴随着热、化学、力等等的作用而丧失其绝缘性能的现象。固体电介质的击穿是相当复杂的，除了表征材料的特性以外，还受到一系列外界因素的影响。一般来说固体电介质的击穿大致可分为电击穿、热击穿、局部放电击穿等几种机制。

电击穿：当固体电介质承受的电压超过一定的数值时，就使其中有相当大的电流通过，使电介质丧失绝缘性能。电压的波形和频率对电介质的击穿也有明显的影响。大部分的电介质材料，在直流电压作用下的击穿场强比交流电压作用下的击穿场强要高。随着频率的提高，局部放电的破坏过程加剧，并且热效应增加，会导致击穿场强进一步降低。

热击穿：当固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗产生的热量超过热的扩散时，电介质中的热平衡就被破坏，温度不断上升，最终造成电介质永久性的热破坏。显然，热击穿除了与所加的电压大小、类型、频率和介质的电导、损耗有关外，还与材料的热传导、热辐射以及材料的形状、散热情况、周围媒质温度等等一系列因素有关。

局部放电：因为电介质本身是不均匀的，在电场作用下，会在电介质的局部发生放电现象，这也是氧化铝的绝缘性很高，耐电场强度也很高，但实际击穿强度并不是很高的重要原因之一。

2铝电解电容器击穿的几种常见情况及不良分析和改善对策

2.1 物理性能导致的铝电解电容器击穿。

铝电解电容器击穿可以分为物理性能导致和化学性能导致两大类。物理性能方面主要分为以下四大类：化成箔折弯强度不足、裁切管控不足、化成箔外观不良及电解纸绝缘性能不足。

（1）折弯强度不足，裁切时更容易出现箔边塌陷，氧化膜脱落，具体表现为毛刺偏大。在铝电容器老练过程中，毛刺偏大部分电流过大，出现爆开。另外，折弯强度不足，裁切及钉卷过程产生的疵点就更多，需要修复的氧化膜就更多，耗费的电解液就更多，产生的氢气更多，温度上升，电容器内压上升，电容器出现鼓底或击穿。此类不良主要表现为鼓底或者铆接位置击穿，往往击穿率偏高，因为折弯不良大多都是系统性问题。改善折弯问题最直接的就是提高折弯控制以及保证过程稳定性控制。

（2）裁切管控不足方面。裁切管控的能力在一定程度上反映了一家电容器企业的品质管控能力。裁切管控的能力强的企业往往表现在裁切连续性强、损耗小、化成箔毛刺小，裁切后化成箔箔面无箔屑。而要做到以上几点就需要满足以下四个要素：裁切刀具强度大、刀具使用周期的严格管控、良好的裁切设备维护以及裁切能力强而又富有责任感的裁切师傅。裁切管控不足引起的击穿主要是裁切刀具长时间使用造成严重磨损后，化成箔裁切毛刺偏大导致铝电解电容器击穿。另外，裁切工艺卫生管控不足，箔面有铝屑附着，也会导致铝电解电容器击穿。提高裁切管控的能力是品质稳定控制的关键一环。

（3）化成箔箔面外观不良方面主要是箔面有压印、压烂、刺点等，此类不良使箔面氧化膜厚度不足甚至遭到破坏，老练时疵点位置漏电流过大导致击穿或者刺穿电解纸引起闪火。具体不良表现为击穿率不高，击穿点的位置没有规律，素子除击穿点外无其他异常不良。寿命要求高的牛角、螺栓类产品对外观要求较高，而外观的控制水平在一定程度上也反映了一家化成箔厂工艺卫生控制水平及生产设备管理水平。

（4）电解纸绝缘性能不足方面。电解纸在铝电解电容器中主要起到绝缘的作用，目前多数铝电解电容器使用两层密度不同的电解纸作为绝缘层。电解纸密度太小或者太薄，绝缘性不好，也会引起铝电解电容器击穿。另外，电解纸宽度不足，会导致电极箔上部与引出条直接接触，充电过程出现短路不良。具体表现为素子顶部引线处击穿烧黑。所以选用电解纸时一定要通过耐压测试，牛角、螺栓类产品电解纸宽度则要满足引出条弯折后不与正箔及负箔直接接触，避免短路。

2.2 化学性能导致的铝电解电容器击穿

化学性能方面主要分为以下四大类：化成箔性能不良、化成箔的性能与铝电解电容器老练工艺匹配性不强、铝电解电容器老练工艺设计缺陷及铝电解电容器原材料杂质污染或者电容器制程过程中杂质污染。

（1）化成箔性能不良主要包括耐压离散率大（耐压不均匀）、整体耐压偏低、升压时间偏长或漏电流偏大。在测试化成箔横向的△Vt时，发现△Vt小的只有4-6V，△Vt大的有20V，即化成箔的橫向抗耐压能力是有明显不均匀的，在抗耐压能力低（△Vt小）的部分，更容易出现击穿。为什么在化成箔的同一个面，其△Vt有较大的差异，目前还没有深入调查，可能的原因主要有比容的不均匀、反应区域温度的不均匀、焙烧炉温度不均匀等。整体耐压偏低时，可能会达不到高温老练时的电压要求出现击穿。而升压时间偏长或漏电流偏大，会出现老练升不上电压或者降不下漏电流，导致长时间修复，产生大量的氢气同时发热量大，温度大幅上升，电容器内压随着上升，导致电容器出现鼓底或爆炸。升压时间偏长或漏电流偏大导致鼓底的表现为整个素子因长时间反应发热量大变得发黄甚至灼焦，电解液干涸。爆炸率与化成箔不良率相近。改善以上问题，如果是局部异常，则需要加强异常的管控;如果是系统性不良，则需要通过提高耐压控制或者工艺配方优化进行改善以上性能。

（2）化成箔的性能与铝电解电容器老练工艺匹配性不强。例如含次磷酸铵的电解液对铝电解电容器的影响。次磷酸铵是一种十分有效的添加剂，它能大大提高电解液的电导率，降低电容器额的损耗和漏电流，延长其使用寿命，但缺点是老练是击穿率偏高。作为一种强电解质，次磷酸铵加入电解液后，升压速度明显加快，热量累积过多，放出的气体来不及和吸氢剂作用，导致击穿率偏高[2]。所以，针对此类体系的电解液，就需要耐压更高氧化膜致密性更好的化成箔与之对应。另外一种情况是选箔不对应，如有机酸工艺小孔型的化成箔并不适合做寿命要求高的牛角、螺栓产品，一旦使用，击穿率也会严重偏高。所以，铝电解电容器量产时，电解液、化成箔等主材通过验证后尽可能不做变更，如需要对铝电解电容器进行性能优化调整，需要供主材应商配合进行工艺优化调整时，必须通过小批量验证后方能量产;同时，需要对主材进行严格的工艺变更管理，当主材出现工艺变更时，也必须通过小批量验证后方能量产;避免产品出现严重不良。

（3）铝电解电容器老练工艺设计缺陷。偷电压，简单说就是使用低耐压的化成箔替代高耐压的箔进行生产。如A铝电解电容器制造商原使用耐压590Vf的化成箔制成105℃400WV的长寿命产品，为了降低成本，改用同工艺550Vf或560Vf的化成箔进行替代，由于降耐压后的箔高温下耐电压能力明显下降，超过其承受能力，导致老练过程击穿率急剧上升。老练温度不均匀，如额定的老练温度为85℃，但是由于烘箱设计不合理导致中间位置温度偏高，达到90℃甚至更高的温度，远超老练温度，使化成箔在该条件的耐压能力急剧下降，击穿率上升。老练电压设置过高，超出了化成箔的电压耐受能力，也会导致击穿。具体不良表现为击穿点集中在素子中间位置向外炸开，其他方面无异常。改善偷电压问题，需要在根据产品需求选择工艺适合耐压达到要求且通过验证的化成箔，如需降低耐压，则需要重新验证。针对老练温度不均则需要對老练设备进行优化，尽可能使设备条件达到工艺要求。针对老练电压设置过高的问题，一是降低老练电压，二如果老练电压确实要求较高则需要选择耐压更高或者优化工艺后的化成箔进行生产验证。

（4）铝电解电容器原材料杂质污染或者电容器制程过程中杂质污染。杂质污染是导致铝电解电容器鼓底（严重的底部炸开）最常见的一种原因。腐蚀性较弱的杂质具体不良表现为电容器铝壳内底部有晶体析出，正箔及负箔边缘被腐蚀成锯齿状。腐蚀性较强的杂质（如氯离子）具体不良表现为素子内箔面出现大量腐蚀穿孔（见下图1及图2），素子干涸发黑。原材料杂质污染主要是出现在正箔（化成箔）、负箔、电解纸、电解液、胶塞等材料在生产、运输或者存放过程中混入氯根、粉尘等杂质。电容器制程过程中杂质污染主要是制程过程中工艺卫生管控不好或者部分余料存放不当导致杂质混入，再次使用时出现不良。

3结束语

铝电解电容器在击穿之后，很多的因素都无法再还原，以致铝电解电容器的击穿的原因分析相当困难，但很多铝电解电容器厂家以及化成箔制造方，都在积极努力的想方设法从各种环节上做好控制、匹配，减少铝电解电容器击穿的发生。当铝电解电容器击穿发生时，也需要铝电解电容器厂家以及化成箔制造方深入客观的分析，以便找出真正的击穿的原因。

参考文献

[1] 张良莹，姚熹.电介质物理[M].西安：西安交通大学出版社，1991： 205.

[2] 王新龙，朱绪飞，宋晔，等.含磷化合物对电解液形成曲线的影响[J].电子元件与材料，2001，（5）：9-11.