关于铝电解电容器腐蚀失效的研究进展

0 引言

铝电解电容以其容量大、体积小、价格低等优点已被广泛应用于各种电子线路中，大多应用于低频滤波、音频耦合、隔直流、储能等方面，是现在不可取代的重要电子元器件之一。并且随着电子元器件的量产化，市场对电解电容的质量和可靠性要求也越来越高。但据近几年市场产品售后异常统计，质量问题出现最多的还是电解电容鼓包失效的问题，其中多为400 V 以上高压铝电解电容产品失效。而一般在寿命实验中，铝电解电容器的失效模式大致可分为：漏液、产品开路失效、击穿短路这几种，其中绝大部分的电容失效均表现为阳极引出条因断裂而开路、进而造成产品失效，其中中高压的产品尤为明显。王锡清^[1]通过对不同厂家生产的电容分析，从X 射线透射均发现电容正极引出条均断裂、只有负极引出条与引出端相连；从解刨芯子发现同样是由于电容芯子正极铝箔与正极引出条断开并产生了大量泥状物进而导致电容器开路失效。所谓阳极腐蚀，是指电容阳极引出条与盖板组件相连接的铝铆钉逐渐被电化学腐蚀，从而导致产品失效的现象，一般有两种断裂位置，一种是阳极引出条断裂，另一种是引出端铆接部位断开，如图1 所示。故本文章的目的在于总结铝电解电容发生腐蚀的原因，为防止电解电容腐蚀提供方法和改善途径。

图1 电解电容内部腐蚀图

1 阳极腐蚀发生的原因

本章节通过对以往学者的研究内容分析，详细总结了杂质离子对铝电解电容器的危害，杂质离子的来源，如果更好的避免生产制造中人为带入氯离子的污染以及通过改善电容的存放环境和使用条件来降低杂质离子对电容的不良影响这几个方面的内容。

1.1 杂质离子对铝电解电容器的危害

对铝电解电容器有害的杂质离子有Cl^-、SO₄^2-、Cu²⁺、Fe³⁺等，在电容器内如沾有重金属旁子Cu²⁺、Fe³⁺会导致闪火电压下降，漏电流上升，电容器发热产生热击穿或使引出片熔融。SO₄^2-在电场作用下移向阳极也会在铝箔表面上形成腐蚀的多孔膜，但影响不如Cl^-严重。其实在生产过程中最有危害的是Cl^-，因为Cl^-存在比较普遍，比如在汗水、头屑和尘埃中都有存在。而且它不仅腐蚀铝，还能破坏氧化膜。Al₂O₃膜一旦被破坏就会引起局部电流上升、发热量大增，高温也会加速阳极引出条的断裂速度，从而影响电容的使用寿命。在此化学反应过程中会附加产生氢气，造成电容内压上升，严重情况还会发生电容鼓底爆炸现象。

1.2 原材料的品质对电容质量的影响

产品的质量与原材料的品质息息相关，所以要严格控制原材料的厂家选用与入库检测环节。铝电解电容器结构是以铝化成箔为阳极、吸附电解液的电解质和负极箔为阴极，配合盖板、铝壳、引出线、胶塞等材料组合而成，如图2 所示。陈中炜等^[2]从铝电解电容的组成结构分析，提出盖板、铝壳、铝箔、电解纸、电解液、引出条等材料的质量、制作工艺水平及纯度对电容器氯离子是否超标有至关重要的作用。要仔细选择纯度较高、含氯离子杂质较少的原材料。比如选择添加缓蚀剂的电解液、经过高压化成处理的阳极引出条等等。下面重点说明了盖板、密封胶塞、电解液对阳极腐蚀的影响。

图2 铝电解电容器结构图

2.2.1 盖板对阳极腐蚀的影响

电容在工作中，盖板中氯离子等杂质离子会游离出来，向阳极引条移动，从而破坏阳极引条引起阳极腐蚀。朱绪飞等^[3]对盖板及铆钉做预处理工艺试验验证，利用配制的乙二醇+ 硼酸+ 防腐蚀剂+ 磷酸二氢铵清洗液提前处理盖板并与未用清洗液处理的盖板做了寿命实验验证，证明了加入腐蚀阻止剂提前处理盖板可有效减少电容器阳极铆钉的腐蚀。朱绪飞等^[4]几年后又对比分析了盖板在不同条件下的阳极腐蚀情况：针对相同盖板，不同电解液的阳极腐蚀先后次序不同，结果是，含水电解液腐蚀速度最快，非水系电解液较含水系电解液的腐蚀速度慢，无机酸盐的腐蚀速度更慢；徐荣等人^[5]提出一种新型的铝电解电容器盖板改变盖板本体的结构，在盖板本体下方设置有凸楞以削弱正负极间的电场强度及阳极腐蚀发生时产生的局部电场强度，阻止电场中被汽化的正负离子的扩散迁移，达到防止腐蚀发生的目的。所以，应该选含有杂质离子含量较少的盖板，制作过程中也要注意封口工序，防止有害气体从盖板封口边缘处以及铆钉与胶皮之间渗透进入，可以考虑给电容器端面增加绝缘垫片或采用环氧树脂封装来阻止外界异物渗透，延缓腐蚀时间的建议。

1.2.2 密封胶塞对阳极腐蚀的影响

电容器密封橡胶的特性对电容器寿命有重要影响，而现有的铝电解电容密封使用不同类型的橡胶材料，郭思琪等^[6]研究了硅橡胶密封胶片（SR）、丁基橡胶密封胶片(IIR)、三元乙丙橡胶密封胶片（EPDM）耐洗板水性能、对氯的阻隔性及通过SEM 表征、热重分析测试等发现由于EPDM 橡胶和IIR 橡胶结构致密，有机溶剂在其内部扩散缓慢，所以它们耐溶剂性要更优，而SR橡胶对洗板水中氯的阻隔性最差，所以它也会导致电容器的寿命较短。

1.2.3 电解液对阳极腐蚀的影响

电解液对铝电解电容性能的影响至关重要。电解液影响主要有3 个方面的因素：①药品的纯度；②电解液中溶剂与溶质的因素；③电解液与铝箔的兼容性。王新龙等人^[7]分析发现电解液中过多的水分易破坏氧化膜结构，过多的电极液易使最初的电化学腐蚀向纯化学腐蚀转移，加剧阳极腐蚀，还发现加入缓蚀剂可有效降低腐蚀速度，所以制作过程中应减少芯子及电解液水分，电容芯包内电解液含量不能太多，可以用甩干的办法除去多余的电解液，电解液中也可加入无杂质离子的缓蚀剂用于保护氧化膜。

1.3 电解电容的生产对阳极腐蚀的影响

铝电解电容的生产流程大致分为原材料检验、裁切、钉接、卷绕、烘干、含浸、组立、套管、老化、分选、加工、包装、出货。由于制作工序繁多，所以铝电解电容的制作工艺及每道制作工序的质量把控对产品的质量好坏影响极大，每个生产环节都可能存在由于生产员工操作不当引入杂质离子污染产品，从而导致阳极腐蚀情况出现，特别是前工序芯子未组立前的每道工序都极易带入杂质离子污染产品。何宵云等^[8]对内部生产环节可能引起产品腐蚀的诱因做了氯离子检测及数据统计，发现人体中的汗液、唾液以及芯子从铆卷后到装配前未完全密封保存好引入的氯离子杂质含量最高。所以为了减少氯离子污染途径，需要做到落实原材料来料的氯离子含量检测；严格控制生产过程中铆卷、含浸、装配工序的作业时间要求，减少芯子在空气中裸露的时间；生产人员要严格按照规定穿戴净化服、佩戴口罩、低氯乳胶手套并定期洗手和清理操作设备及产品周转物品。

1.4 电解电容的使用环境及贮存环境对阳极腐蚀的影响

导致电解电容阳极腐蚀的外部因素也很多，比如在PCB电路板加工中可能洗板水（指电路板清洗剂）、助焊剂、密封胶等物质中存在的大量卤素及硫酸根离子、硝酸根离子等杂质，在长期使用后卤素会渗入到电容器内部也会对产品发生腐蚀。丁继华等^[9]通过对洗板水中的卤素和硫含量分析，研究验证洗板水中的杂质离子是可以通过线路板接触到电容器的表面并通过盖板的焊针部位渗入到电容器的表面并通过盖板的焊针部位渗入到电容器的内部从而对产品内在参数发生影响，当浓度达到一定量时，其对电容器内部会造成不同程度的腐蚀。除此之外，铝电解电容器的储存环境也会影响它本身的性能。刘慧从等^[10]发现铝电解电容在湿热环境下长期贮存，则阳极箔上的铝氧化膜被腐蚀则进而造成电容器的电容量和漏电流增大，还会使金属引脚出现腐蚀、橡胶塞长霉，所以电容器的贮存环境温度对其外观及电气性能有很重要的影响。

2 电化学腐蚀机理及腐蚀所需条件

本章节简单概括了杂质离子的腐蚀机理及发生腐蚀所需的条件。

2.1 铝电解电容器阳极腐蚀的机理

2.1.1 C1^-对阳极腐蚀反应机理

对铝的腐蚀：有附加产氢

对氧化膜的腐蚀：

并且氯离子的腐蚀是不消耗氧离子，氯离子的腐蚀作用可以不断反复进行。他们最終的产物是白色或略绿色( 灰黄色) 的氢氧化铝的堆积物及水。水分也是产生氯离子腐蚀的条件之一，也会加速氯离子的腐蚀。

2.1.2 SO₄^2-对阳极腐蚀的反应机理

上述反应释放的硫酸根离子会继续对铝发生酸性腐蚀反应，同时破坏介质氧化膜导致电容器漏电流不断增大。

2.2 发生氯离子腐蚀的条件

沈行素等^[11]提出铝阳极引出片腐蚀属局部腐蚀，也即局部氧化膜受到氯离子破坏引起的腐蚀。局部腐蚀在发生之前必先经历一个诱导期，诱导期内电流保持较低水平、氧化膜没有遭到破坏，此时在电场作用下在氧化膜缺陷处发生氯离子的富集过程，当氯离子达到一定的临界含量时，该处氧化膜便会被强电场所击穿，电流突然上升、该处氧化膜便以较大速度发展下去。项永金等^[12]通过含氯腐蚀性气体入侵试验以及电容加入不同浓度氯离子溶液做寿命试验验证，发现阳极箔出现不同程度的腐蚀现象，说明氯离子要发生腐蚀必须要达到一定的浓度才能发生。所以综合看出，阳极氯离子腐蚀需要的条件有，氯离子必须达到一定浓度，且在过酸或过碱的条件下才能与Al 或者Al₂O₃反应，以及在高温高压条件下才容易发生。

3 结束语

铝电解电容发生腐蚀的原因众多，有原材料纯度低对产品的污染，有内部生产过程中人为引入的杂质污染产品，也有电容使用及贮存环境不当引起的杂质离子增多导致的阳极引出条腐蚀，进而导致产品失效情况出现。所以，我们在以后的铝电解电容生产及使用中应该尽可能的避免杂质离子对产品的危害，减少产品开路失效情况出现。

参考文献：

[1] 王锡清.彩电用铝电解电容器的失效机理[J].电子产品可靠性与环境试验,1997(3):6.

[2] 陈中炜,陈秀秀.铝电解电容阳极腐蚀问题研究与分析[J].电子产品世界,2020,27(10):2.

[3] 朱绪飞,方岭.解决高压铝电解电容器阳极腐蚀的新途径[J].电子元件与材料,1993,12(4):3.

[4] 朱绪飞,杜杨,文威,等.电容器盖板与阳极腐蚀[J].电子质量,2000(4):17-20.

[5] 徐荣,周光华,尹超,等.一种铝电解电容器盖板及其铝电解电容器[P].2019.

[6] 郭思琪,王景平,徐友龙,等.铝电解电容器中密封橡胶材料的阻隔性及影响机理研究[J].电子元件与材料,2021(12):40.

[7] 王新龙,宋晔,朱绪飞.铝电解电容器中缓蚀剂的应用研究进展[J].电子元件与材料,2000(6):24-25.

[8] 何霄云,朱艳浩,黄兴高,等.铝电解电容器阳极腐蚀机理及改善对策[J].电子技术与软件工程,2021(12):3.

[9] 丁继华,黄兴高,朱艳浩,等.洗板水对高压焊片式铝电解电容器腐蚀影响分析与验证[J].电子技术与软件工程,2019(23):3.

[10] 刘慧丛,邢阳,李卫平,等.铝电解电容在湿热环境下的贮存可靠性[J].宇航材料工艺,2010(3):4.

[11] 沈行素,陈卫东.中高压铝电解电容器阳极引出片的腐蚀及其模型的探讨[J].电子元件与材料,1994,13(1):4.

[12] 项永金,李帅.铝高压电解电容阳极箔氯离子腐蚀失效分析与研究[J].电子产品世界,2020,27(12):81-85.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年4月期）