铝电解电容的失效分析

zmmdmn · 发表于 2021-2-19 13:35

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铝电解电容铝电解电容是电容中非常常见的一种。铝电解电容用途广泛：滤波作用；旁路作用；耦合作用；冲击波吸收；杂音消除；移相；降压等等。对于铝电解电容，常见的电性能测试包括：电容量，损耗角正切，漏电流，额定工作电压，阻抗等等。在失效分析案件中，关于铝电解电容的失效案件不少，那么常见的铝电解电容的失效机理有哪些呢？（1）漏液在正常的使用环境当中，经过一段时间密封便可能出现泄漏。通常，温度升高、振动或密封的缺陷等都有可能加速密封性能变坏。漏液的结果是电容值下降、等效串联电阻增大以及功率耗散相应增大等。漏液使工作电解液减少，丧失了修补阳极氧化膜介质的能力，从而丧失了自愈作用。此外，由于电解液呈酸性，漏出的电解液还会污染和腐蚀电容器周围其他的元器件及印刷电路板。（2）介质击穿铝电解电容器击穿是由于阳极氧化铝介质膜破裂，导致电解液直接与阳极接触而造成的。氧化铝膜可能因各种材料、工艺或环境条件方面的原因而受到局部损伤，在外电场的作用下工作电解液提供的氧离子可在损伤部位重新形成氧化膜，使阳极氧化膜得以填平修复。但是如果在损伤部位存在杂质离子或其他缺陷，使填平修复工作无法完善，则在阳极氧化膜上会留下微孔，甚至可能成为穿透孔，使铝电解电容击穿。工艺缺陷如阳极氧化膜不够致密与牢固，在后续的铆接工艺不佳时，引出箔条上的毛刺刺伤氧化膜，这些刺伤部位漏电流很大，局部过热使电容器产生热击穿。
（3）开路
当电容器内部的连接性能变差或失效时，通常就会发生开路。电性能连接变差的产生可能是腐蚀、振动或机械应力作用的结果。当铝电解电容在高温或潮热的环境中工作时，阳极引出箔片可能会由于遭受电化学腐蚀而断裂。阳极引出箔片和阳极箔的接触不良也会使电容器出现间歇开路。
（4）其他
1）在工作早期，铝电解电容器由于在负荷工作过程中电解液不断修补并增厚阳极氧化膜（称为补形效应），会导致电容量的下降。
2）在使用后期，由于电解液的损耗较多，溶液变稠，电阻率增大，使电解质的等效串联电阻增大，损耗增大。同时溶液黏度增大，难以充分接触铝箔表面凹凸不平的氧化膜层，这就使电解电容的有效极板面积减小，导致电容量下降。此外，在低温下工作，电解液的黏度也会增大，从而导致电解电容损耗增大与电容量下降等后果。

参数	铝电解电容
电容量	业界可以做到 0.1uF～3F （常见容量范围! {! l9 l$ R0 {. c7 d/ C6 V 0.47uF～6.8mF），工作电压从5V～500V。 9 `9 Q7 H0 j. \* y* t8 H 从25℃到高温极限，容量增加不超过5％～10％；对于－40℃极限的电容，在2 G( q1 D- M9 A, V7 I4 z －40℃时，低压电容的容量会下降20％，高压电容则下降有40％之多；在－20℃到 0 k& e; d4 D- S0 G －40℃温度区间时，容量下降最快；对于－55℃极限的电容，在－40℃时，下降通' a& u2 ]! \8 U" Q- l 常不超过10％；在－55℃时，不超过20％。
ESR	100kHz/25℃下，ESR值一般在几十mΩ～2.5 Ω，Low ESR型号的一般几十mΩ。ESR值随着温度的变化而变化，一般从25℃到高温, n& d6 T# g! t; e! b. U 极限，ESR会下降大约35％～50％；而从25℃到低温极限，ESR会增大10到100倍。
ESL	铝电解电容的寄生串联电感值ESL，其值较为稳定，并不随频率和温度变化，对于通用铝电解电容，ESL不会超过100nH ,如SMT封装，其值在2nH~8nH范围内；径向插装:10nH~30nH ;螺旋式（ screw-terminal ）：20nH~50nH ;而轴向插装的结构，其值则可以达到200nH。
板上工作频率范围	主要为低频滤波，不超过几百KHz，但是对1 MHz以内仍有一些作用。
可靠性薄弱点及其避免	铝电解电容的可靠应用主要是关注温度，因为铝电容的电解质为液态，芯子发热将导致电解液挥发，长期下去最终干涸失效，当电容应用在脉冲交流电路中时，纹波电流流经ESR产生的损耗发热将严重影响了器件的使用寿命。
使用建议	在大于75 ℃的高温场合，应尽量少用小尺寸的铝电解电容。尽量选用容量较大的规格，发挥铝电解电容的优势。适宜用于工频的整流平滑滤波、开关电源输入滤波和低频开关电源的输出滤波等，不推荐用于高频开关电源的输出滤波。

参数	钽电解电容
电容量	限于固体烧结型工艺结构和材料，其CV值（电容与电压乘积）做不大，容量和电压有一定范围，一般从0.1uF~1000uF（常见的容量范围 1uF ～220uF ）；工作电压从2V~50V（常见耐压范围为6.3V～50V）；容量的值随着频率的增大而减小，由于为固体MnO2电解质，其容量温度特性较稳定，甚至温度低到-190℃时，容量都只有10％减小量。
ESR	ESR的温度特性比较稳定。厂家给出100KHz的ESR最大值，可以作为设计的参考，但是实际值一般比最大值小很多。
ESL	良好布线情况下一般为2nH左右。
板上工作频率范围	中低频滤波，不超过数MHz，主要为几百KHz到数MHz之间。
可靠性薄弱点 0 ]5 G6 ? b3 f: U# \|- ~; k( M% \ 及其避免	钽电解电容的可靠应用主要关注电压降额和电压变化速度，无法得到足够电压降额，同时上下电较快的地方建议用其他电容替代。同时边缘规格的钽电容工艺不够成熟，慎用，特别是高可靠要求场合上不宜使用。
使用建议	15V以上直流电压的滤波不建议使用钽电容，特别是在上电较快的电源输入口处。低压但上电较快场合，建议加缓启动。高温会增加钽电容失效的概率，因此高温应用中需要增加电压降额。

参数	陶瓷电容
电容量	第一类（NPO或COG），低容量、稳定性高；电性能最稳定，基本上不随温度、电压与时间的改变而改变；第二类（X7R），电介质常数较大，相同体积的容量要比第一类要大20～70倍，但温度从-55℃到125℃范围变化时，容量变化一般在±10％，最大可达＋15％到-25％，第三类（Z5U），其电介常数较高，常用大容量电容器产品，但其容量稳定性较X7R差；其容量可以做到第二类的5倍，然而容量、损耗对温度、电压等较为敏感，稳定性很差，当温度从-25℃到85℃变化时，容量变化为＋20％到-65％。
ESR	ESR为几个mΩ到几百mom之间，容量越小ESR越大。ESR随温度变化呈线性，X7R介质，125℃下ESR为室温的20％，－55℃下则为室温的3倍多。NPO则较稳定，变化系数约为X7R的1/3。
ESL	ESL随封装变化，一般0603和0805封装的ESL在良好布线情况下为1nH左右，1206和1210则为1.2nH左右。
板上工作频率范围	高频滤波，种类较多，从数MHz直到数百MHz、1GHz上都可以。
可靠性薄弱点及其避免	易受温度冲击导致裂纹，主要由于在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致，不当返修也是温度冲击裂纹的重要原因。多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力，但抵抗弯曲能力比较差，任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂。
使用建议	单板布线时不要把陶瓷电容布放在应力区，例如单板的边缘、紧固件附近等等，最大限度地使多层陶瓷电容器避开在工艺过程中可能产生较大机械应力的区域。除了NPO电容比较稳定外，X7R电容和Z5U电容（或Y5V）容量具有随温度和偏压变化的特性。

Zmb · 发表于 2021-2-19 13:44

高频滤波，种类较多，从数MHz直到数百MHz、1GHz上都可以。

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