液态铝电解电容器的失效机理及可靠性研究
液态铝质电解电容
液态铝质电解电容
液态铝质电解电容
液态铝质电解电容（Liquid Aluminium Electrolytic Capacitors，简称LA）是一种新型的高电容电解电容，由分子筛膜蒸发制成。
它与普通电解电容不同之处在于，它们具有低溶解度，可以以液态形式存在。
液态铝质电解电容的特点是体积小、质量轻、容量大、电压高、温度稳定性好、耐用性强等优点，目前正在电子电路中得到越来越多的应用。
液态铝质电解电容主体由一层薄膜制成，它由一层金属包裹物和一层绝缘物组成。
此外，它还包括一层液态铝和一层液态碳构成的复合膜。
液态铝膜的特点是具有高电容量，它被用来消除电路中的噪声，吸收和降低电流的波动，从而提高电路的稳定性。
液态铝质电解电容在电子电路中的应用也很广泛，它可以用于定时器、音频、视频、变频、电脑电源、汽车电源等电子设备中。
此外，液态铝膜电容还可以用于电容器、变压器、压敏电阻、光电耦合器、熔断器、电荷泵、变频器、光敏管、拉线管等电子元件中。
液态铝质电解电容具有体积小、质量轻、容量大、电压高、温度稳定性好、耐用性强等优点，因此在电子电路中被越来越多的应用。
然而，液态铝膜电容也存在着一些缺点。
由于其制作过程复杂，成本更高。
它还容易受到湿度、温度等环境因素的影响，从而导致其电容值的变化。
总而言之，液态铝质电解电容是一种新型的高电容电解电容，它
具有体积小、质量轻、容量大、电压高、温度稳定性好、耐用性强等优点，在电子电路中得到越来越多的应用。
电解电容失效原因
电解电容失效原因电解电容器的失效原因可以分为以下几个方面：1.电解液的过早失效：电解电容器的核心部分是电解液，电解液的质量对于电容器的工作性能非常关键。
电解液的过早失效可能是由于电解液的选择不合适、质量不过关或者长期使用后电解液中的化学物质逐渐消耗导致的。
2.电极的腐蚀：电解电容器的电极一般由铝箔或者铝箔涂覆的铜箔组成，电解电容器的正极和负极在高电压下不断发生氧化和还原反应。
这使得电极不断地腐蚀，导致电容器的性能下降。
3.内部电阻的增加：电解电容器的内部电阻会随着使用时间的增加而逐渐增加，这主要是由于电解液逐渐失效以及电解液中的盐类聚集在电容器的电极表面造成的。
内部电阻的增加会导致电容器的效能下降，并且在工作过程中会产生更多的热量。
4.泄漏电流的增加：电解电容器存在泄漏电流，这是由于电容器本身的绝缘性能在长期使用后逐渐下降导致的。
泄漏电流的增加会导致电容器的容量下降或者无法正常工作，甚至可能引发电子设备的故障。
5.温度和湿度的影响：电解电容器对温度和湿度非常敏感。
过高的温度会加速电解液的蒸发和电解电容器的老化速度，从而缩短电容器的使用寿命。
而湿度过高则可能使电容器的绝缘性能下降，导致泄漏电流的增加。
为了延长电解电容器的使用寿命，可以采取以下几个措施：1.合理选择电解电容器：在选择电解电容器时，应根据电容器的工作条件和使用环境来选择合适的型号和规格。
特别是在高温和潮湿环境下使用时，应选择具有较好耐高温、低ESR和低ESL的电解电容器。
2.控制温度和湿度：在使用电解电容器的设备中，应尽量控制温度和湿度在合理的范围之内，避免过高的温度和湿度对电解电容器的影响。
3.避免过高的工作电压：过高的工作电压会加速电解电容器的老化速度，因此应选择合适的工作电压范围，并尽量避免过高的工作电压。
4.定期检测和更换电解电容器：定期检测电解电容器的电容值和泄漏电流，一旦发现异常，应及时更换电容器，以避免电容器失效对设备产生损害。
铝电解电容失效
铝电解电容器的失效模式主要有以下几种：
漏液：铝电解电容器的电解液泄露会导致设备性能下降甚至失效。
这通常是由于密封不佳、橡胶老化、龟裂或者长时间工作等因素引起的。
爆炸：当铝电解电容器在工作电压中交流成分过大，或氧化膜介质有较多缺陷，或存在氯根、硫酸根之类有害的阴离子，以致漏电流较大时，电解作用产生的气体的速率较快，工作时间愈长，漏电流愈大，壳内气体愈多，温度愈高，就有可能发生爆炸。
击穿：工艺缺陷、机械应力的施加、引出线与铝箔铆接不实等原因都可能导致铝电解电容器的击穿。
烧毁：铝电解电容器的烧毁主要是由于过电压、纹波电流过大、施加反向电压、频繁充放电、施加交流电等因素引起的。
开路：引出线与铝箔接触不良、腐蚀、氯离子的侵入等原因可能导致铝电解电容器的开路。
短路：氧化膜劣化、金属微粒附着、引线毛刺等原因可能导致铝电解电容器的短路。
容量下降：阳极箔容量减少、阴极箔容量减少、电解液干涸等原因可能导致铝电解电容器的容量下降。
损耗上升：阳极箔容量减少、阴极箔容量减少、电解液干涸等原因可能导致铝电解电容器的损耗上升。
在应用中，需要避免在过电压、过电流、过热等极端条件下使用铝电解电容器，以避免其失效。
同时，也需要注意选择质量可靠的产品，并在使用过程中进行适当的维护和保养，以延长其使用寿命。
铝电解电容器爆炸分析
1简介动力电池系统的安全性问题不仅局限在电池本身，电源管理系统（Battery Management System, BMS）安全性也需要认真考虑。
相对于电池来说，虽然BMS出现安全事故的可能性小，但是一旦出现问题将很有可能引发电池着火、爆炸，给整个系统将带来灾难性影响。
跟其它电子电路一样，BMS主要由电感、电容、电阻等按照特定功能搭建而成。
在这些基本电子元器件中，铝电解电容器相对于其它电力电子设备失效的可能性最大，给电子器件带来较大的安全隐患。
研究分析铝电解电容器存在的可能失效爆炸机制，对于提高BMS、乃至整个动力电池系统的安全性具有重要的意义。
常用铝电解电容器的结构由电容器芯、保护装置和引线组成。
其中功能部分为电容器芯，其组成结构包括：阳极金属铝箔、电解质阴极和阴极集流体铝箔。
阳极铝箔经过电化学腐蚀形成一层0.01-1μm厚的Al2O3薄膜作为电容器的电介质，该膜具有类似PN结的单向导流特性，因此电解电容器具有极性，如反接，将导致内部发热使电容器失效。
根据其物理状态，电解质阴极分为液体电解质、凝胶（或糊状）电解质和固体电解质。
铝电解电容器由经过腐蚀和形成氧化膜的阳极铝箔、经过腐蚀的阴极铝箔、中间隔着电解纸卷绕后，再浸渍工作电解液，然后密封在铝壳中而制成。
2 研究内容欲分析个别电子器件爆炸事件的可能机制，需要对铝电解电容器进行多方面的测试和研究，包括：爆炸模拟实验、计算机模拟红外成像、气体成分与来源分析、电容器电解质组分分析等。
2.1 电容器电解质组分分析对于液体铝电解电容器，液体电解质是有电解纸吸附电解液形成的，电解纸是一种纤维素，起到吸附电解液和隔离阴阳铝箔电极的作用；常见的电解液中溶剂采用乙二醇、丙三醇或?-丁内酯等，溶质为五硼酸盐、癸二酸铵等，还含有各种功能添加剂如柠檬酸、次亚磷酸、硝基苯酚等。
将结合化学分析方法和光谱法如红外光谱、质谱法解析电解质中的主要成分，从而推导在电容器正常使用、爆炸前期和爆炸过程中可能存在的化学反应。
铝电解电容测试﹑ 失效分析
圆筒形﹑金属壳﹑ PCB用端子同方向 自立型﹑披覆套管.
电解电容器规格介绍与说明
33型(Screw): 圆筒型,金属壳、端子为螺丝 型且同方向PC板自立式之铝 质非固态电解电容器,披覆套 管.
32型(V-Chip): 圆筒形(附座板立式) ﹑ 金属壳﹑表面黏着型 端子同方向﹑披覆套 管或镀树脂胶膜.
3
耐湿性无负 荷试验
温度：60℃ 湿度：90%~95% 时间：500Hr
4
耐寒性试验
温度：-40℃(-55℃) 时间：72Hr
电容器寿命比较
液态电解电容器
寿命决定于电解液干涸 L=L0 × 2 (105-T)/10 L0 =在105℃之寿命 简单法则 : 温度每下10℃,寿命增倍 105℃ 1000小时寿命之电解电容器 于85℃下操作寿命=4000小时
电解电容器使用注意事项
5.有防爆孔设计之铝质电解电容器其使用时，防爆孔侧应与 其他机构保持相当之空间距离,如此条件不能满足的话,防 爆孔将无法正常运作。
Case Diameter
ψ6.3~16
ψ6.3~16
ψ40 or more
5mm
6.须尽量避免过高温度及过长时间之焊锡 ，因可能造成表面 Clearance (min) 2mm 3mm 胶管之异常收缩破裂,有时高温也会藉由导针及端子导热至 素子内部,对产品造成不良影响。 7.电解电容器储存条件-温度:5~35℃;湿度:less than 75% ，一 年之内
tan 2 f c
例:立隆REA1000μF/16V之ESR值计算 16V之损失角为0.16
ESR ()
0.16 0.212 6 2 3.1415 120 1000 10
电解电容器规格介绍与说明
《铝电解电容器的失效情况及预防措施》72
《铝电解电容器的失效情况及预防措施》摘要：铝电解电容器是一种性能优越但可靠性存在不足的重要电容器，相关领域的工作人员应发挥其长而力避其短，在全面而细致地了解其常见失效模式及机理的基础上明确预防措施。
本文对此进行了系统性和概要性总结，冀对相关领域工作者有所助益。
关键词：铝电解电容器；失效模式；失效机理；预防措施作为应用最广泛的分立元件之一，铝电解电容器在电源滤波、信号耦合及去耦、杂波旁路，以及谐振选频等电力电子线路中发挥着重要作用。
与其种类别的电容器相比，铝电解电容器虽有着鲜明优势，但其寿命相对较短，可靠性方面存在一定不足，因而了解其常见的失效模式及机理进而明确预防措施是有着重要意义的。
本文拟对此作一系统性和概要性总结，冀对相关领域工作者有所助益。
一、铝电解电容器的失效情况概述1、铝电解电容器失效的判断与表现在实际工程应用中，铝电解电容器失效至完全不能再用通常被称为寿命终结，其使用寿命被定义为“电容器在规定条件下规定性能的工作时间”。
规定条件主要指的上限工作温度和额定电压（额定直流电压或直流电压叠加纹波电压之和）。
规定性能主要指电容量相对变化率|AC/C|、损耗因子（主要表现为损耗角正切值tgδ的变化）与漏电流（主要表现为等效串联电阻EST的变化）等参数在技术规范规定内的性能指标。
通常情况下，液态铝电解电容器失效的具体判断标准如下表所示：当然，从外观异常表现上亦可直接判断铝电解电容器是否失效，最典型的如铝壳或防爆口开裂、电解液泄露等。
需要指出的是，以上讨论主要针对最为重要和典型的液态铝电解电容器。
随着相关技术的飞速发展，各种型号的新型电容器层出不穷，其规定条件和规定性能值自然不尽相同，但基本原理和判断依据并无二致，在实际工程应用中，工程人员应在切实明了其基本原理及判断依据的基础上明确各项技术参数，进而对其是开始失效和已经完全失效加以合理判断，下面我们来讨论更具体的铝电解电容器常见失效模式及机理。
2、铝电解电容器失效模式及机理铝电解电容器的失效模式及机理向来是备受重视和受到深入研究的范畴。
浅析液态铝电解电容器的失效机理及可靠性
维普资讯
第 ９期 ２０ ０ ２年 ９月 电 子 元 件 与 材 料
、０ ． ，１ ２ｌＮＯ． ９ Ｓ ｐ ２ ０ ｅ ． ０ ２
ＥＬＥＣＴＲＯ ＮＩ ＣＯ Ｍ ＰＯ ＮＥＮＴＳ ＆ Ｍ ＡＴＥＲＩ ＬＳ Ｃ Ａ
浅 析 液 态 铝 电解 电容 器 的 失 效 机 理 及 可 靠 性
ｆ ｃ ｏ ｅ ｔ ｉ ｇ ｔ ｅ ｌ ａ ｉｅ ｏ ｑ ｉ ｕ ｉ ｕ ｌ ｔ ｌ ｉ ａ ａ ｉ ｒ ｈ ｅ ｒ ｏ ｅ ａ ｉ ａ ｗａ ｘ ｔ ｔ ．Ｔ ｅ ｍｅ ｏ ｎ ａ ｔ ｒ ｄ ｓ ｉ ｎ ｏ ｄ ｌ ｆ ｌ ｕ ｄ ａ ｍ ｎ ｍ ｅ ｅ ｒ ｙ ｃ ｃ ｐ ｃｔ ，ｔ ｉ ｐ ｒ ｔ ｓ ｎ ｈ ｆ ｉ ｌ ｃ ｏｔ ｏ ｏｎ ｌ ｗ ｓ ｅ ｐａｉ ｅ ｈ ｔ ｄ ｏ ａｄ ｈ
季 锐
（ 苏州世 昕 电子有 限公 司 ，江 苏 苏 州 ２ ５ ０ １ ２ ０） 摘要 ： 简述 了液 态铝 电解 电容 器 的结 构 与制造 工艺 流程 ，归总 了其 失效模 式 。 制 程和 应 用 两个 方 面 从 探 讨 了液 态
铝 电解 电容 器的 失效 机理 及 导 致原 因。使 用 环境 温度 及 纹波 电流是影 响 液 态铝 电解 电容器 寿命 的 主要 因素 ，文 中阐述 了温度 及 纹 波 电流 影 响 寿命 的 机 制 。应 用 Ａ ｒｅ ｉｓ ｒｈ ｎｕ 方程 的形 式描 述 了液 态铝 电解 电容 器 的 寿命 估 算 方 法。 关键 词 ： 态铝 电解 电 容 器 ；失 效模 式分析 ；寿 命 ；Ａｒ ｅ ｉｓ 程 液 ｒ ｎｕ 方 ｈ 中图分 类 号 ： Ｍ５ ５． Ｔ ３＋ ２ 文献 标识 码 ： Ａ 文章 编号 ：０ １２ ２ （ ０ ２ ９０ ３ —４ １ ０ ．０ ８ ２ ０ ）０ —０ ２０
铝电解电容失效原因
是对电容器失效的分析：失效模式： 1．防暴阀打开：现象：内压增加，内部温度上升。
原因：在使用过程中，施加过电压，纹波电流过大，施加反向电压，频繁充放电，施加交流电，使用温度过高。
2．容量下降：现象：阳极箔容量减少，阴极箔容量减少，电解液干涸（主要原因）原因：制造方面，电解液量不足，使用原因，施加过电压，纹波电流过大，施加反向电压，频繁充放电，施加交流电，使用温度过高。
3．损耗上升：现象：阳极箔容量减少，阴极箔容量减少，电解液干涸（主要原因）原因：制造方面，电解液量不足，使用原因，施加过电压，纹波电流过大，施加反向电压，频繁充放电，施加交流电，使用温度过高，长时间使用。
4．漏电流上升：现象：氧化膜劣化，氯离子的侵入腐蚀原因：制造方面，氧化膜的缺陷，使用方面，施加过电压，纹波电流过大，施加反向电压，频繁充放电，施加交流电，使用温度过高，长时间使用，使用含有卤素的洗净剂，粘接剂的使用，涂层剂的使用。
5．短路：现象：氧化膜劣化，氧化膜，电解纸的绝缘作用受到破坏。
原因：制造原因，氧化膜的缺陷，金属微粒附着，铝箔，引线毛刺，使用原因，引线受到异常外部应力 6．开路：现象：引出线与铝箔接触不良，腐蚀，氯离子的侵入。
原因：制造原因，引出线与铝箔铆接不实，机械应力的施加。
使用原因，引线受到异常外部应力，使用含氯离子的洗净剂，粘接剂的使用，涂层剂的使用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
液态铝电解电容器的失效机理及可靠性研究
摘要：简述了液态铝电解电容器的结构与制造工艺流程，归总了其失效模式。
从制程和应用两个方面﹐探讨了液态铝电解电容器的失效机理及导致原因。
使用
环境温度及纹波电流是影响液态铝电解电容器寿命的主要因素，文中阐述了温度
及纹波电流影响寿命的机制。
应用Arrhenius方程的形式描述了液态铝电解电容
器的寿命估算方法。
关键词：液态铝电解电容器；失效模式分析；寿命
铝电解电容器是被广泛应用的分立元件之一，目前全球每年产量近1000亿只，并以15%年增长率持续发展，在电源滤波，信号耦合/去耦，杂波旁路及谐振选频等电子线路中发挥着重要功效。
相对其他种类的电容器而言，铝电解电容器的寿
命较短，可靠度较低，因而探讨其失效机理以指导其可靠性的改进是必要的。
本
文中，作者从制造和应用两个方面阐述了导致铝电解电容器诸类失效的机理与原因。
如果能够准确地计算出电子元件在整机中的使用寿命，则对整机的可靠性设
计是极为有利的；本文也述明了环境温度及纹波电流对铝电解电容器的影响机制，并给出了估算寿命的Arrhenius方程。
1.液态铝电解电容器的结构与制造工序简介
铝电解电容器的构成材料有：阳极铝箔、阴极铝箔、电解纸、电解液、导针、铝壳、胶盖及胶管；其结构如图1及图2所示。
适当宽度的铝箔和电解纸，以阳极铝箔、电解纸、阴极铝箔、电解纸的顺序由里及外依
次层叠，卷绕而成圆柱状，称之为铝电解电容器的芯子。
可以形象地将芯子比作铝电解电容
器的心脏，一旦其经由含浸工序注入血液——电解液，就可以表征出电解电容器的基本功能。
经由将含浸过的芯子密封于铝壳和胶盖的腔体中的组装工序得到的半成品称为裸品，其目的
在于防止电解液的挥发，潮解及污染，以保证铝电解电容器长期发挥其效用。
裸品经由老化
工序以达到稳定产品特性之目的。
2.液态铝电解电容器的失效机理探讨
2.1液态铝电解电容器的失效模式[
液态铝电解电容器主要有以下几种失效模式﹕短路、断路、电容量衰减、损耗因子增大、漏电流增大、电解液泄漏、铝壳防爆纹开裂。
对电容器的应用者而言﹐断路和短路属于“灾难
性的失效”，或曰“致命的失效”，由于其完全丧失了电容器的功能。
正常来说，应用者遭遇短
路和断路失效现象的机会较为稀少，这是由于铝电解电容器制造流程中的老化环节可以筛除
这类“致命不良”。
其他几类失效模式属于“劣化失效”，或曰“耗尽失效”，是由铝电解电容器
的组成材料的物理特性决定的，随着其使用或存放时间的增长而必然要表现出来的，与此不
同的是，“灾难性的失效”从理论而言是可以避免的，其出现并非必然的、也无明确的规律性。
2.2液态铝电解电容器的失效机理
导致铝电解电容器诸种失效模式的原因主要集中于制造和应用两个方面，表1汇总了液
态铝电解电容器的典型失效机理及导致原因。
3.液态铝电解电容器的寿命与可靠性
如同其他任何在使用过程中无专门维护的电子元器件一样，铝电解电容器的失效率（l）
随时间的变化趋势亦为典型的“浴盆”曲线（如图4所示）。
诸如环境温度，湿度，机械振动，纹波电流（RC）等因素都会对液态铝电解电容器的寿
命产生影响，但其中以环境温度，纹波电流及直流电压的影响最为显著。
3.1环境温度因素
固态电容在等效串联阻抗表现上相比液态电容有更优异的表现。
据测试显示，固态电容
在高频运作时等效串联电阻极为微小（在毫欧等级），而且导电性在不同条件频率特性都有
优良的表现，可以响应300-500K的频率，使产品向小型化，精巧化发展提供了条件。
使用温度和寿命之间的关系如图5中曲线所示。
在低温与高温间转换下，固态电容等效电阻值基本不发生改变。
从而保证了电源在高温
和低温电压输出纹波方面得到了保证，提高电源在高低温特性。
而液态电容比较容易受使用
环境的温度和湿度影响，在高低温稳定性方面差。
在电源使用时，在电源内部电容是寿命最短的元件，电源的工作寿命取决于电容的寿命。
固态电容与液态电容在相同的工作温度时，具有不同数量级的寿命表现。
上面表格说明同样
为105℃下、寿命2000小时的产品，在相同工作环境下，不同的寿命时间。
当温度降低到65℃的环境下时，固态电容的寿命高达22.8年，是液态电容寿命的6.25倍。
因此固态电容
电源的寿命远长于普通液态电容电源。
固态电容的采用，对电源性能的提升是全方位的。
固态电容对比液态电容具有与生俱来
的性能优势，他大幅度改善了液态电容的缺点，表现出极为优异的可靠度、稳定性。
3.2纹波电流因素
纹波电流影响液态铝电解电容器寿命的机理在于：铝电解电容器的损耗因子远大于其他
类型的电容器，纹波电流通过时，因功率损耗而产生的热量增多，导致其内部温度升高而影
响寿命。
3.3施加的直流电压的影响
对比于环境温度及纹波电流的影响而言，在低于液态铝电解电容器额定工作电压的限制
下变动其使用电压，其寿命的变化甚不明显。
如图6示出了12000μF，50V的铝电解电容器，施加30V、40V、50V直流电压的条件下，电容量和损耗因子随时间的变化曲线。
通常可以将
直流电压的影响系数记作1。
需要指明的是：①若铝电解电容器长时间工作于高于其额定电压，尤其是高于其浪涌电压SV的电路中，其使用寿命将急剧缩短，这是过强的电应力改变
了其失效机制﹔②电源滤波用高压铝电解电容器，降压使用其漏电流也随之减小，电容器的
发热和电解液的消耗亦会减少，对延长使用寿命会有较显著的效用。
图6不同电场应力下铝电解电容器的寿命测试曲线
结论
液态铝电解电容器的失效模式主要有﹕短路、断路、电容量衰减、损耗因子增大、漏电
流增大，电解液泄漏，铝壳防爆纹开裂等。
温度是影响液态铝电解电容器寿命及可靠性的主因。
环境温度及因纹波电流而致使内部温升对寿命之影响遵循Arrhenius方程：环境温度之温度加速系数为10，即使用温度每提升10℃，寿命减半；纹波电流导致之温升不超出5℃，温
度加速系数为10，超出5℃部分的温度加速系数为5。
参考文献：
[1]永田伊佐也.铝箔干式电解电容器[M].陈永滨译，1985.
[2]陈国光，曹婉真.电解电容器（修订版）[M].西安：西安交通大学出版社，1994.。