常用电容器寿命研究

范凌云 乔志伟 唐雪瑾

（1.珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070； 2.中国家用电器研究院 北京 100037）

引言

电容是我们空调设计中常用的元器件之一，其可靠性直接影响着整个电路的能否正常工作，而铝电解电容、片状电容以及薄膜电容的寿命是影响其可靠性的重要指标之一，本文从电容的结构、机理以及使用环境的的角度出发，着重讨论寿命的计算方法及影响电容寿命的主要因素。

1 铝电解电容寿命研究

1.1 内部结构及失效机理

铝电解电容器是电容器的一种，根据工艺的不同可以分为有极性电解电容与无极性电容。无论哪一种它们的两极都是由铝箔做电极并引出。有极性与无极性电容的正极都是相同的，也就是在电解液中经过氧化处理的铝箔。在此铝箔表面通过电解会生成Al2O3薄膜，其厚度一般为 0.02 μm～0.03 μm。

电解液一般由硼酸、氨水、乙二醇等组成，但电解电容内部并非充满了液体，而是通过一张特殊材质的纸浸润电解液，充当电容的负极。但一张纸显然无法作为传统电容认知中的负极，因此需要另一根铝箔与浸过电解质溶液的纸贴合在一起。在无极性电容中，引出负极的铝箔也会和正极一样经过氧化处理，耐压更强。正负极铝箔中间夹浸满电解液的纸卷绕成圆柱形，这就构成了电解电容的核心，也就是芯子，然后用铝外壳套在芯子上封装，底座加胶塞固定密封，如图1所示。

图1 铝电解电容器结构图

通常我们所说的寿命终止是电容量下降到额定初始值的80%左右，无力承担电容在电路中发挥的作用。电容量下降的直接原因是铝电解电容器电极的实际面积减少了，而阳极在使用过程中基本上是不变化的，减少的是阴极。阴极的实际面积是由电解液来保证的，如果电解液由于挥发而减少将造成阴极实际面积的减少，那么电容寿命也会跟着降低。

对于电解电容的开发者来说，影响电解电容寿命和性能的因素主要有工艺制程、设计方案及原材料。而对于使用者来讲，工作条件是影响铝电解电容寿命的主要因素，如温升（焊接温度、环境温度、交流纹波）、过高电压、瞬时电压、甚高频或反偏压等[1]。影响电解电容寿命的最大因素是温升，温度上升使得负极液体逐渐消失，当减少到一定程度时，电容量跌破阀值，寿命结束。

1.2 环境温度与寿命的关系

目前经常使用的铝电解电容的额定温度一般有85 ℃、105 ℃、125 ℃及140 ℃，而在各种温度条件下的寿命又各不相同，有1 000 h、2 000 h、5 000 h等。

铝电解电容器未必工作在最高温度下，大多数在低于最高温度下存储或工作。行业内有一种简单的推算方法，又称为10 ℃法则，此估算方法适用于无明显纹波电流的电路，公式如下：

式中：

T—实际环境温度；

T0—上限类别温度；

L—环境温度T时的寿命；

L0—上限类别温度T0时的寿命。

从公式中可以简单推算出温度每下降10 ℃，电容的实际使用寿命大约可以延长一倍。因此无论使用还是存贮，都应该首先考虑温度因素。

用常用的85 ℃/1 000 h的铝电解电容举例，其在额定温度85 ℃下连续工作的寿命为1 000 h（约42天）；若在45 ℃的条件下使用，其实际使用寿命为16 000 h（约1年10个月）；如果是在29 ℃的条件下使用，其实际使用寿命则约为5年6个月。因此在电解电容选型时温度降额对其实际使用寿命的影响非常大。

1.3 纹波电流与寿命的关系

高温时导致寿命减少的最大因素，造成高温的原因除了环境高温外还有自身发热，而纹波电流是影造成本体发热的最大原因。

纹波电流（Ripple Current）是流经电容的交流成分。之所以称为纹波电流是因为叠加在电容的直流偏置电压上的交流电压的波形就像水上的纹波一样。纹波电流对电解电容的影响也是很容易理解的，即纹波电流作用在等效串联电阻上使得电容发热。

行业内对于流过纹波电流的铝电解电容器的预期寿命有一个公式进行推算，可以在选型时作为参考，如下：

式中：

T—实际工作温度；

T0—上限类别温度；

△T—电解电容的内部中心温升；

L—实际工作温度下的使用寿命；

L0—上限类别温度下的使用寿命；

K—纹波系数（实际纹波电流有效值与额定纹波电流有效值之比）[2]。

例如上限类别温度为85 ℃，寿命为2 000 h的电解电容，如果电路中的纹波电流为额定纹波电流，那么如果实际工作温度为45 ℃，其实际连续使用寿命可达32 000 h。在实际电路设计中，应根据实际使用环境温度，纹波电流等因素综合考虑，通过计算来选择具有合适的耐久性寿命要求的电解电容。

由于直接测量电容器的内部温升存在困难，因此可以通过测量电解电容的表面温度来间接求得内部核心温度值，如图2。表1为表面温度和内部核心温度的换算关系。

表1 电容器表面温度与内部核心温度的换算关系

图2 测温点示意图

2 片状电容寿命研究

2.1 内部结构及失效机理

片状电容全称为片状多层瓷介电容器（MLCC）[3]，是陶瓷电容的一种。MLCC是目前世界上使用量最大的电容类型，其封装标准化、尺寸小，适用于自动化高密度贴片生产，在消费电子、通讯产品中是不可或缺的器件，主要是为芯片管脚滤波。片状电容由三大部分组成:陶瓷体、内部电极、外部电极[3]，如图3所示。

图3 片状电容结构图

其中电极一般为Ag(银)或Pd(钯)，陶瓷介质一般为(SrBa)TiO3，多层陶瓷结构通过高温烧结而成，器件端头镀层一般为烧结Ag/AgPd，然后制备一层Ni阻挡层(阻挡内部Ag/AgPd和外部Sn 发生反应)，再在Ni层上制备Sn或SnPb层用以焊接[4]。

MLCC从本身的设计来看可靠性其实很好，但无法百分百避免缺陷。一般我们将可能出现的缺陷分为两种，一种由外力引起，一种是内因导致。

2.1.1 外在因素

断裂或微裂是最常见的问题之一，断裂缺陷肉眼或用显微镜观察可以分辨，但微裂只在电容内部，普通手段无法探测。产生断裂的原因可能有材质差、工艺流不完善、烧结温度没有把控好等。

1）温度冲击裂纹

由于材质的膨胀系数不匹配导致内外电极受热开裂，在生产过程中的过高温焊接或暴力维修是主要原因。

2）机械应力裂纹

MLCC抗弯曲能力比较差。如果在装配过程暴力操作或者用力不当导致弯曲变形，那么器件开裂就很容易发生。常见应力源有贴片工艺过程中电路板的弯曲导致片状电容承受过高的机械应力产生裂纹。

2.1.2 内在因素

1）陶瓷介质内空洞

导致空洞产生的主要因素为陶瓷粉料内的有机或无机污染，烧结过程控制不当等[4]。

2）烧结裂纹

烧结裂纹通常是由于冷却速度过快，在电极的一端产生裂纹，沿着垂直的方向延伸。

3）分层

MLCC在烧结时的温度在1 000 ℃以上，如果内电极中的杂质挥发则会导致内部空洞，层间的结合力减弱。

从时间角度出发，失效模式可以用如图4所示曲线概括。

图4 片状电容失效曲线

该曲线将片状电容失效分为三个阶段：第一阶段生产和使用，生产工艺与材料纯度是影响失效的原因；第二阶段电容已经处于电路中，在此阶段若在焊接时未出现高温冲击导致的裂纹，那么失效概率正逐步降低；第三阶段是片状电容因为老化、磨损和疲劳等导致元件性能下降，最终失效。

2.2 温度与压降对寿命的影响

影响片状电容寿命的主要因素就是电压与温度，因此片状电容寿命一般是通过对电压和温度的加速来进行的，下面的公式是基于阿列纽斯法，利用电压加速系数及反应活化能进行推算。

式中：

K—玻尔兹曼常数（8.618×10-5eV/K）；

Ea—反应活化能；

LN—实际使用时的寿命；

LA—加速状态时的寿命；

VA—加速状态下的电压；

VN—实际使用时的电压；

n—电压加速系数；

TA—加速状态时的温度；

TN—标准状态时的温度。

此公式较为苛刻，在实际测算时通常使用另外一个简化公式进行，如下：

式中：

LN—标准状态下的寿命；

LA—加速状态下的寿命；

VA—加速状态下的电压；

VN—标准状态下的电压；

TA—加速状态下的温度；

TN—标准状态下的温度；

θ—温度系数；

n—电压加速系。

其中电压加速系数、温度系数会由陶瓷材料的种类及构造决定。

例如片状电容 0805 821 K/50 V，用2倍额定电压进行加速，加速温度为125 ℃，标准状态下温度设置为85 ℃，经查询此元器件的温度系数约为8，电加速系数约为3，那么根据公式可以得出上限温度为125 ℃的片状电容在85 ℃环境下工作，在额定电压工作，本身工艺不存在问题的情况下可以正常使用约256 000 h。

在实际电路设计中，需要了解各类片容的温度补偿特性，不能简单看温度上下限，要根据电路的温度、电压、精度选择相应的型号，充分考虑电压峰值，降压使用，保证使用寿命。

3 薄膜电容寿命研究

3.1 内部结构及失效机理

薄膜电容器是以金属箔当电极，聚乙酯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜当介质，电极两端重叠后，卷绕成圆筒状的构造之电容器，主要用于EMI进线滤波，开关电源中用于吸收高频谐波的安规电容器就是金属化聚丙烯膜电容。与电解电容相比最大的差别在于电解质的不同，常见的薄膜电容有金属化聚丙烯膜电容与CBB电容，其内部结构大致如图5所示。

图5 金属化聚丙烯膜电容内部结构图

其中金属化薄膜是利用高空蒸镀技术，在聚丙烯或聚酯基膜表面蒸镀一层铝、锌或铝加锌等金属薄层，这层蒸镀金属层的厚度只有0.03～0.04 μm，构成电容的内电极，如图6所示。

图6 喷金层示意图

在适当的工作条件下，大多数薄膜电容的预期寿命可达数十年，但是若选型不当会造成失效。薄膜电容在微量杂质（氧气等）和电压力的共同作用下，电介质会发生化学反应造成失效，另外，过度使用引发的机械疲劳也会造成失效，大部分失效原因有以下两种：

1）选型不当

若没有充分考虑电路实际情况，导致通过的电流大于电容的额定电流，那么必然会造成本体发热，时间久了严重影响电容的寿命和可靠性，甚至会有安全问题，如起火燃烧。因此技术人员在选型时一定要测试电路中的峰值电流、均方根值电流，以此为依据判断选型是否合理。

2）接线方式不当

电容大部分是并联使用，电路中需要保证各电容的电流值是符合实际计算结果的，但如果走线、接线不当会导致给电容的分流过大引起发热，与选型不当的结果类似，都会导致本体温升过高缩短寿命。

3.2 薄膜电容的自愈性

薄膜电容有一种特性，当给金属膜电容器两极板间加上一定的电压后，介质中的某些电弱点可能被击穿，击穿电弱点时释放的能量会使得电弱点周围的金属层受热而气化挥发[6]，气化金属不会影响电容器的使用，因为会形成一个集合面使短路被修复，电容恢复正常工作，这就是薄膜电容器的自愈性。

3.3 温度与压降对寿命的影响

薄膜电容有很长的寿命期望，其寿命的长短由电压条件与热点温度决定[7]，通常用如下寿命公式计算使用时长：

式中：

L —使用寿命预期；

L0—额定寿命；

Un—工作电压（Uw≤1.3 Un）；

Uw—额定电压；

t0—上限温度；

t—额定温度；

α—对于PCB电容器，α= 10～13（典型值α= 12）；

β—对应PCB电容，β= 10。

以金属化聚丙烯膜电容 2.0 uF±5%/1 100 VDC为例，上限温度105 ℃的薄膜电容工作在85 ℃的环境下，施加1.3倍额定电压进行加速，可以得出使用时长约为232 830 h，即26年。

但是需要注意，此公式得到的结果是理想情况下的理论值，因为按照温度和工作电压的降额进行计算可能得出电容器应持续一百万小时或更长时间，但实际上电容器中使用的大多数设计功能都不超过20年，因为电容的寿命和材料、工艺、击穿损耗息息相关。

在工作电压为额定电压、工作温度为70 ℃的情况下薄膜电容寿命曲线如图7所示。

图7 薄膜电容寿命曲线

4 结语

电解电容的寿命主要由温升及纹波电流值决定，片状电容与薄膜电容的寿命主要由耐压和温度决定，除此之外生产工艺、介质材料都会影响电容的寿命，因此在选型时要注意如果需要低电压、无反向电压、低有效值电流的电容，则应选择电解电容；需要耐压高、电流承受能力强、能在高频状态下工作的滤波元件时应选择薄膜电容；需要贴片器件时选用片状电容最佳，但在使用时尽量减少应力冲击。研究影响电容寿命的因素对设计选型、生产工艺、质量管控有很现实的意义。