铝电解电容器振动失效机理分析和改进措施研究

郝树福，胡勇，唐仁杰

（佛山市三水日明电子有限公司，广东佛山，528000）

电子工业是当今社会的生命线。从日常生活应用到关键的安全应用，从玩具到雷达，电子元件的使用正以指数级速度增长。随着设备和组件变得越来越紧凑，它们的可靠性成为一个关键问题。在许多电子应用中，电子产品的寿命取决于内部电解电容的寿命。当向市场推出一个组件时，制造商通常会发布一个组件数据表，说明其不同的特性和预期寿命。但当该元件投入实际使用时，影响其寿命的因素很多，从而降低了其效率和实际寿命。铝电解电容器是功率转换电路中广泛使用的平滑电容器。近年来，有大量的研究从工作电路的信息来检测平滑铝电解电容器的剩余寿命，如平滑电容器的纹波电压和纹波电流等。通过了解铝电解电容器的失效机理，可以更有效的对剩余寿命进行预测，从而提前做出应对措施。引起电解电容器失效的原因很多，其中电容器振动是电容器失效的一个很常见的因素。

电容器振动是由不同类型的振动源引起的，如轨道、车辆发动机、弹丸发射等，这些都是在运行中不可避免的[1]。目前，研究者通过在设备内部系统和/或系统外部添加隔振器进行加固，以最大限度地减少对设备及其安装点的干扰力。然而，只有高阻尼的隔振器才能为电子设备提供足够的保护[2]。而且，使用隔振器存在一些缺点，例如隔振器的谐振频率可以出现在振动输入的主导激励频率附近。另外，还应考虑摆动空间有限、造价高、使用寿命有限等因素[3]。在随机振动中，大多数部件的失效都是由弯曲引起的。电容器和电阻通常由于元件引线弯曲或焊点破裂而失效。这些故障是由电子元件本体、电引线和印刷电路板之间的相对运动引起的[4]。共振时，相对运动最为剧烈。如果应力水平足够高，疲劳循环次数足够多，则电子元件的焊点和/或引线可能会出现疲劳失效。

本文的目的是进一步分析铝电解电容器在随机振动频率和不同振动量级强度下的失效情况，了解其失效机理，从而提出解决和改进措施。

1 铝电解电容器振动失效机理分析

1.1 铝电解电容器一般结构特点

目前市场应用最普遍的铝电解电容器，其封装结构一般分两大类，一类为引线式铝电解电容器，另一类为盖板式铝电解电容器。本文以引线式铝电解电容器为例进行研究和讨论，其结构如图1所示。引线式铝电解电容器由引线、胶塞、芯子、铝壳和套管组成，其中芯子是电容器的核心，由正负箔、电解纸和引出线通过铆接卷绕加工而成。铝梗部（图1中②）作为引出线的一部分，与引出线是焊接为一个整体的。胶塞、铝梗部、铝壳通过封装设备加工，将电容器芯子密封在铝壳内部，最后在外壳上通过热塑加工套上套管，套管表面印有相应标记，起绝缘和标识作用。

图1 引线式铝电解结构示意图

1.2 振动失效机理分析

根据相关铝电解电容器在具体应用场境的失效情况，以发生失效的引线式铝电解电容器为例，结合本产品的一般结构特点，本文对相关产品因振动失效的原因分析如下：

(1)产品电参数测量分析

产品电参数测量值如表1所示，可以看到，返回不良品容量值非常小，呈现无容量状态，损耗值无穷大，显示产品在上机试验或使用后内部存在异常。而未上机良品电参数各项数据都合格，产品不存在异常状况。

表1 25V 3300μF电参数测量数据

(2)产品解剖分析

如图2所示，解剖后发现，返回不良品（图2a）正负引出线都在铝梗和舌片的转接部位发生了断裂，显示产品在整机工作过程中，该部位为应力集中点或应力承受薄弱节点。而未上机产品解剖后发现，未经上机使用的良品（图2b和图2c），产品完全正常，未有类似问题出现，证明产品在生产制造过程中不存在相关问题。

图2 产品解剖图

1.3 失效产品使用场景分析

实际使用场景中，失效产品是在安装在整机后，随整机做振动试验过程中发生失效的。因此，本文从整机振动为切入点，结合铝电解电容本身的内部结特点（图1）进行分析。

在整机中，电容器通过引脚焊接和固定胶加固，使电容本体与整机线路板完全固定一起，在整机振动试验时，电容器本体随着整机一起做上下和左右振动。如图3所示，参照图1引线式产品示意图，由于其封装结构的特点，芯子身体（图3中红色记号以右部份）并未与铝壳内壁形成紧密结合状态，而是存在一定的隔离空间，而胶塞、引线的铝梗部、铝壳是紧密地固定在一起的，这样在电容器随整机振动的过程中，芯子身体部位在本身重力和外加振动负荷的作用下，与电容器本体间会产生一定的相对运动，特别是如图3所示上下方向的振动，会直接导致引线内部在红色椭圆标记处产生剪切应力，且该应力随振动频率和振动强度量级的升高而相应增大。

图3 电容器内部芯子振子振动原理图

如图4所示，电容器引线由引出线、铝梗舌片三部分组成，其舌片部分通过铆接卷绕加工与铝箔、电解质固定在芯子身体内部，舌片与铝梗的结合部（红色椭圆标记处）为机械结构突变部位，按照机械工艺原理，该处为加工应力集中部位，本就是容易产生金属疲劳的结点部位，在随整机进行水平方向振动试验时，又由于铝梗部和舌片固定相对牢固，引线内部水平方向所承受的拉压应力将交替变换叠加在该部位，促使其出现疲劳失效。

图4 引线结构分析原理图

结果表明，引线式铝电解电容在随整机进行振动试验时，或在实际应用当中存在类似应用环境时，引线中铝梗与舌片的交接处在剪切应力、拉压应力的共同作用下，应是最易出现疲劳失效断裂的部位，当工作中达到其疲劳极限时出现断裂失效，从而导致电容器失去其应有的功能特性。

1.4 失效机理试验验证

选取规格25V3300μF 、尺寸16X25的产品做水平方向的不同量级振动试验进行验证，试验条件如表2所示。结果表明：在振动量级为20g和25g，随机振动频率20-2000Hz的条件下，持续振动120分钟，经电参数测量，无失效现象；在振动量级为30g，随机振动频率20～2000Hz的条件下，试验进行到60分钟进行测试时，发现部分产品开始失效，试验进行到90分钟测量时，投入试验的产品全部失效；在振动量级为35g和40g,随机振动频率20-2000Hz的条件下,试验进行到30分钟时进行测量时，全部合格，试验进行到60分钟测量时，试验产品全部失效。如图5所示，失效产品解剖后，发现正负引线在其铝梗和舌片的连接处已断裂，从而导致产品无容量、损耗参数值异常，产品失效。实验结果证实明，本文对本产品在随整机振动失效的机理分析是正确的。

表2 随机振动试验条件

图5 失效产品解剖图

2 改进措施的提出、验证和实施

根据以上机理分析和验证，为了满足实际的使用条件要求，本文提出了在产品封装前，在铝壳里加入适量的固定胶，固定胶填充在芯子和铝壳之间的间隙中，起到一定的固定作用，避免或减少在振动发生时芯子和铝壳之间产生相对运动，从而达到提升产品在特定使用条件下的耐振动性能。

2.1 固定胶的选取

APAO是采用特殊催化剂、以α-烯烃为原料，经聚合得到的一种非晶态共聚物apao（非晶态α-烯烃共聚物，Amorphous poly alpha olefin），微观结构上是一种非晶态的、无规则的排列状态，结构式为[-CH2CH(CH3)-]x(-CH2CH2-)y，是一种低分子量的非晶态塑性体材料，实验确认其软化温度150℃左右，到200℃左右呈现较好的流动性，冷却固化后具有很好的韧性和一定的粘性，且在200℃以上时，聚合物中所含的水份及其他挥发性杂质都得以挥发净化，杂质含量较少，不具有导电性，综合认为APAO的化学特性和特理特性符合作为铝电容器内部固定剂的相关要求。

2.2 实验验证

同样地，选取规格25V3300μF 、尺寸16X25注胶后的产品做水平方向的不同量级振动试验进行验证，因不加注固定胶的产品在25g振动量级以下试验时未发生相关失效，所以注胶后产品选择的振动量级从30g起进行试验，试验条件如表3所示。

表3 随机振动试验条件

验证结果说明：在振动量级30g、35g、40g、45g、50g,振动频率20Hz～2000Hz的试验条件下，试验时间120分钟，测试和解剖后产品都未出现相应失效，试验后产品电参数测量合格，改进措施有效，鉴于相关顾客的使用场所景其振动量级只有30g左右，所以判定注胶后产品完全符合使用要求。

3 结论

本文根据铝电解电容器的结构特点，研究了铝电解电容器在随机振动频率和不同振动量级强度下的失效情况，分析了其失效机理，并进行了试验验证。最后基于该失效机理提出了用APAO胶（非晶态丙烯共聚物）作为固定剂，提升铝电解电容器的耐振动性能，使其适合应用于特定要求的环境或高可靠性要求的领域。验证结果表明，改进措施有效，注胶后产品完全符合实际使用要求。