铝电解电容器正极为高纯铝,介质为金属表面形成的三氧化铝膜,负极为粘性电解质,工作时为电解槽。铝电解电容器常见的故障模式有:泄漏、爆炸、开路、击穿、电参数恶化等,故障机理分析如下。
1、爆炸
铝电解电容器在工作电压中交流成分过大,或氧化膜介质缺陷较多,或存在氯根、硫酸根等有害阴离子,导致漏电流较大时,电解产生气体的速率较快。大部分气体用于修复阳极氧化膜,少量氧气储存在电容器外壳中。工作时间越长,漏电流越大,外壳内气体越多,温度越高。随着工作电压和工作时间的增加,电容器金属外壳内外的气压差会增大。如果产品密封不好,会造成漏液;如果密封良好,没有防爆措施,气压会增加到一定程度,导致电容器爆炸。高压大容量电容器漏电流大,爆炸可能性更大。目前,防爆外壳结构已广泛应用,金属外壳上部增加褶皱。当气压较高时,褶皱会被打开,增加外壳内容积,从而降低气压,降低爆炸风险。
2、开路
铝电解电容器在高温或潮热环境中长期工作时,可能会出现开路故障,因为阳极导致箔被电化学腐蚀而断裂。对于高压大容量电容器,这种故障模式更多。此外,阳极引出箔和阳极箔铆接后,接触不良会导致电容器间歇开路。
当铝电解电容器中使用以DMF(二甲基酰胺)为溶剂的工作电解液时,DMF溶液是一种氧化剂,在高温下具有较强的氧化能力。工作一段时间后,电容器可能会因为阳极引出的箔片和焊片的铆接部分而开路。如果使用超声波焊接机将箔片和焊点放在一起,则可以减少此类故障。
3、漏液
铝电解电容器工作电解质泄漏是一个严重的问题。工作电解质略酸性,泄漏的工作电解质严重污染和腐蚀电容器周围的其他部件和印刷电路板。同时,在电解电容器内部,由于泄漏,工作电解质逐渐干燥,失去修复阳极氧化膜介质的能力,导致电容器突破或电参数恶化。
泄漏的原因有很多,主要是铝电解电容器密封不好。当外壳边缘与密封板之间夹有铝负极箔的密封结构时,很容易在外壳边缘泄漏电解质。用橡胶塞密封的电容器也可能因橡胶老化开裂而泄漏。此外,机械密封工艺有问题的产品也容易泄漏。简而言之,泄漏与密封结构、密封材料和密封工艺密切相关。
4、击穿
铝电解电容器穿透是由于阳极氧化铝介质膜破裂,导致电解液与阳极直接接触。氧化铝膜可能因各种材料、工艺或环境条件而受到局部损坏。在外加电场的作用下,工作电解液提供的氧离子可以在损伤部位重新形成氧化膜,使阳极氧化膜能够填充和修复。但是,如果损伤部位有杂质离子或其他缺陷,使填充修复工作不能完善,则会在阳极氧化膜上留下微孔,甚至可能成为穿透孔,使铝电解电容器穿透。
此外,随着使用和储存时间的增加,电解液中的溶剂逐渐消耗和挥发,增加了溶液的酸值,并在储存过程中腐蚀了氧化膜层。同时,由于电解质的老化和干燥,氧离子无法在电场的作用下修复氧化膜,从而失去了自愈作用。一旦氧化膜损坏,电容器就会被击穿。工艺缺陷也是铝电解电容器击穿的主要原因之一。如果赋能过程中形成的阳极氧化膜不够致密牢固,氧化膜将在后续切割和铆接过程中严重损坏。