貼片式中高壓鋁電解電容器的研究

王安安，楊治安，艾 亮，賈 明，陶艷軍

（1. 湖南艾華集團(tuán)股份有限公司，湖南 益陽 413000；2. 中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410083；3. 湖南省特種電容器工程技術(shù)中心，湖南 益陽 413000；4. 艾華集團(tuán)博士后科研流動(dòng)站協(xié)作研發(fā)中心，湖南 益陽 413000）

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貼片式中高壓鋁電解電容器的研究

王安安1,3，楊治安1,3，艾 亮1,3，賈 明1,2,4，陶艷軍1,3

（1. 湖南艾華集團(tuán)股份有限公司，湖南 益陽 413000；2. 中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410083；3. 湖南省特種電容器工程技術(shù)中心，湖南 益陽 413000；4. 艾華集團(tuán)博士后科研流動(dòng)站協(xié)作研發(fā)中心，湖南 益陽 413000）

摘要:以適合小型化、集約型發(fā)展的貼片式鋁電解電容器為研究對(duì)象，通過優(yōu)化工作電解液成分，獲得了電導(dǎo)率高、閃火電壓高、高溫穩(wěn)定性好等性能良好的工作電解液；并針對(duì)貼片式鋁電解電容器結(jié)構(gòu)及安裝過程中的特殊性，對(duì)制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，研制出的貼片式中高壓鋁電解電容器工作電壓達(dá)450 V，壽命達(dá)10 000 h(105 ℃)。

關(guān)鍵詞:貼片式鋁電解電容器；中高壓；工作電解液；工藝優(yōu)化；回流焊；高溫負(fù)荷壽命

艾亮（1983－），女，湖南益陽人，工程師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)電池材料及器件制備，E-mail:jiyu-li@csu.edu.cn 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-05-31 11:06:16 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1106.006.html

電容器在電路中主要起電源濾波、信號(hào)耦合、雜波旁路以及儲(chǔ)能等作用，是電器產(chǎn)品中不可缺少的電子元件。鋁電解電容器以其性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、用途廣泛等特點(diǎn)，在近二十年得到很大的發(fā)展，占整個(gè)電容器產(chǎn)量的30%以上[1]。

鋁電解電容器的類型有引線式、螺栓式、焊片式及貼片式[2]，隨著鋁電解電容器向小體積、高性能、大容量、低成本方向的發(fā)展，以及表面安裝技術(shù)（SMT）在電子整機(jī)方面的廣泛應(yīng)用[3]，貼片式鋁電解電容器的研究受到了廣泛的關(guān)注[4]，貼片式鋁電解電容器按使用特性可分為垂直式和水平式兩種，2013年貼片式鋁電解電容器在鋁電解電容器市場(chǎng)占有率首次突破20%后，美國專業(yè)電容器研究機(jī)構(gòu)Paumanok預(yù)測(cè)，僅垂直貼片式鋁電解電容器在2018年的鋁電解電容器市場(chǎng)占有率就能超過20%，年產(chǎn)量高達(dá)94.9億只。貼片式中高壓鋁電解電容器屬于電容器中的高檔產(chǎn)品，耐高溫和高壓、電容量大、等效串聯(lián)電阻低，是電子元器件發(fā)展的新方向[5]。但貼片式鋁電解電容器結(jié)構(gòu)存在橡膠塞薄、電解紙留邊量小等特點(diǎn)，容易引起電解質(zhì)泄漏或電容器短路，并且貼片式鋁電解電容器在安裝過程中，要求電容器必須經(jīng)受溫度更高、時(shí)間更長的無鉛回流焊[6]，這對(duì)貼片式鋁電解電容器的工作電解液以及生產(chǎn)工藝有嚴(yán)格要求。

貼片式鋁電解電容器普遍使用從日本三洋公司進(jìn)口的CP120或CP150專用電解液，國內(nèi)不少廠家使用γ丁內(nèi)脂為主溶劑的無水電解液，而此類電解液因工作電壓低或材料價(jià)格高受到了一定限制[7]。本文采用乙二醇作為溶劑，通過選取合適的溶質(zhì)和添加劑，提高電解液的高溫穩(wěn)定性、電導(dǎo)率及閃火電壓，降低產(chǎn)品的飽和蒸氣壓，并通過優(yōu)化裁切及封口等工藝，開發(fā)出了高性能的貼片式中高壓鋁電解電容器。

1　 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

電極箔（包括陽極箔、陰極箔）和配套的鋁殼、工作電解液、引出線、電解紙、PET熱縮套管。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)的工藝流程見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程Fig.1 Process flow of the experiment

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

工作電解液的電導(dǎo)率、閃火電壓、水含量及飽和蒸氣壓測(cè)試分別采用電導(dǎo)率測(cè)試儀（DOS-307）、電解液閃火測(cè)試儀（TV-1000B）、水分測(cè)試儀（MKS-500）及飽和蒸氣壓測(cè)試儀（DRT-1121A）測(cè)量，電容器的漏電流使用漏電流測(cè)量儀（YTV-10M）測(cè)量，電容量和損耗角正切值使用精密LCR電橋（E4980A）測(cè)量。

2　 工作電解液的研制

應(yīng)用于貼片式中高壓鋁電解電容器的工作電解液，應(yīng)當(dāng)滿足高溫穩(wěn)定性好、閃火電壓高、電導(dǎo)率高、飽和蒸氣壓低及氧化效率高等要求，因此工作電解液必須具備合適的溶劑、溶質(zhì)及添加劑組成。

2.1 溶劑的選擇

乙二醇體系下獲得的閃火電壓能大于480 V，如表1所示，結(jié)果表明乙二醇體系能較好適用于中高壓鋁電解電容器的工作電解液，通過本次研究表明，適當(dāng)加入二甘醇高溫穩(wěn)定性溶劑，能形成一種具有寬溫工作特性的復(fù)合溶劑。

表1 電解液組成Tab.1 The content of electrolyte component

2.2 溶質(zhì)的選擇

溶質(zhì)在溶劑中需要保持一定的溶解性和電離度，并且能夠提供修復(fù)氧化膜的含氧基團(tuán)以及良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性。通過大量實(shí)驗(yàn)，找到高溫穩(wěn)定性好的十二雙酸銨等作為主溶質(zhì)，能夠較好地應(yīng)用于中高壓電容器。

2.3 添加劑的選擇

為了獲得高電導(dǎo)率、高閃火電壓的工作電解液，需要加入添加劑。

首先，在電解液中添加磷酸系及其鹽類起防水合作用。磷酸使得氧化膜表面形成一層網(wǎng)絡(luò)狀磷酸鋁石層來抑制水分子的侵入[8]。

其次，在電解液中加入納米硅鹽，在電場(chǎng)作用下納米硅鹽吸附在氧化膜表面，能提高電解液閃火電壓[9]，并且納米硅鹽能對(duì)氧化膜起修復(fù)和保護(hù)作用，降低漏電流。

最后，在電解液中加入對(duì)硝基苯甲酸及對(duì)鄰硝基苯甲醚等作消氫劑，利用其具有電負(fù)性基團(tuán)來吸附氫離子[10]，使H+移達(dá)陰極的幾率大大減少，從而減少了H2的產(chǎn)生量。

通過將工作電解液的溶劑優(yōu)化為高溫復(fù)合溶劑，溶質(zhì)以十二雙酸銨為主溶質(zhì)，并適當(dāng)優(yōu)化添加劑成分及含量，得到了優(yōu)化后的工作電解液。

表2是對(duì)電解液成分及含量進(jìn)行優(yōu)化后的性能參數(shù)。優(yōu)化前后閃火電壓均能滿足中高壓要求；優(yōu)化后電導(dǎo)率有較大提升，從1 350×10–6S/cm提高到1 950×10–6S/cm，這能降低電容器損耗；優(yōu)化后水含量降低，從質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%降到2%，降幅達(dá)到43%，過多的水分不僅會(huì)使蒸氣壓升高，還會(huì)造成閃火電壓降低；優(yōu)化后電解液的沸點(diǎn)從160 ℃升高到200℃，飽和蒸氣壓低得到一定改善，在100 ℃時(shí)飽和蒸氣壓從2.18 kPa降至2.13 kPa，增強(qiáng)了電解液的耐高溫性能，顯著地提高了電容器工作溫寬。

表2 電解液性能參數(shù)Tab.2 The performance parameters of electrolyte

γ丁內(nèi)脂體系的電導(dǎo)率在閃火電壓略低的條件下僅為1 890×10–6S/cm，表明通過對(duì)電解液優(yōu)化研究，獲得了具有耐高溫、高電導(dǎo)率、高閃火電壓等良好特性的工作電解液。

3　 工藝優(yōu)化

為了克服貼片式鋁電解電容器因橡膠塞薄、電解紙留邊量小引起的電解質(zhì)泄漏或電容器短路，以及提高電容器的耐回流焊性能，需要對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，提高電容器的穩(wěn)定性及壽命。

（1）在鋁殼底部預(yù)先鋪一層電解紙，防止鋁箔與鋁殼接觸，有效降低了電容器短路現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）優(yōu)選高硬度、耐高溫丁基膠橡膠塞，加長鋁梗部長度，使鋁梗部中心線與束腰中心線重疊部延長，從而確保器件密封性。

4　 電容器性能參數(shù)

采用優(yōu)化后的電解液配方，并在最優(yōu)工藝條件下制備了貼片式中高壓鋁電解電容器，器件在105 ℃高溫貯存壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，表現(xiàn)出了良好的性能，在高溫貯存1 000 h后，容量仍然穩(wěn)定，損耗增大，漏電流也會(huì)有一定程度增大，但參數(shù)值仍在允許變化范圍之內(nèi)。經(jīng)過無鉛回流焊后器件容量和tand基本無變化，容量從2.06 μF降為2.03 μF，tand從2.7%升為2.8%，僅漏電流從2.76 μA升至13.54 μA，但漏電流會(huì)在負(fù)荷條件下經(jīng)修復(fù)后降低。

表3 105 ℃高溫貯存壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The storage life at high temperature of 105 ℃

圖2為105 ℃高溫負(fù)荷壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果，容量在10 000 h之內(nèi)比較穩(wěn)定，從初始的2.06 μF降為1.77 μF，C·C–1僅為14.08%；漏電流在1 000 h后明顯改善，且隨著氧化膜的不斷修復(fù)，漏電流從最初的2.76 μA降為0.94 μA，說明工作電解液具有良好的高溫穩(wěn)定性能；損耗在1 000 h后上升，但是在允許變化范圍之內(nèi)。

貼片式中高壓鋁電解電容器在國內(nèi)外處于研究前沿，僅日本尼吉康株式會(huì)社（Nichicon）在2014年開發(fā)LV系列產(chǎn)品，工作電壓達(dá)到450 V、產(chǎn)品壽命達(dá)到10 000 h（105 ℃）。通過與國際先進(jìn)企業(yè)相比，本次所制備的貼片式中高壓鋁電解電容器的工作溫度范圍、工作電壓范圍、容量范圍及耐久性等各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)異，對(duì)中高壓貼片式鋁電解電容器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要意義。

圖2 105 ℃高溫負(fù)荷壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 The load life at high temperature of 105 ℃

5　 結(jié)論

通過對(duì)貼片式中高壓鋁電解電容器工作電解液溶劑、溶質(zhì)和添加劑種類和含量的優(yōu)化，獲得了電導(dǎo)率高、高溫穩(wěn)定性好、閃火電壓高及飽和蒸氣壓低等優(yōu)異性能的乙二醇體系工作電解液：電導(dǎo)率高達(dá)1 950×10–6S/cm，含水量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，閃火電壓大于480 V，沸點(diǎn)為200 ℃。經(jīng)制備工藝優(yōu)化，克服了貼片式鋁電解電容器結(jié)構(gòu)特性及安裝過程中引起的問題。采用優(yōu)化的電解液配方、在優(yōu)化工藝條件下制備的貼片式中高壓鋁電解電容器工作電壓達(dá)到450 V、產(chǎn)品壽命達(dá)到10 000 h（105 ℃）。

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（編輯：曾革）

Study on medium-high voltage SMD aluminum electrolytic capacitors

WANG An’an1,3, YANG Zhian1,3, AI Liang1,3, JIA Ming1,2,4, TAO Yanjun1,3
(1. Hunan Aihua Group Co., Ltd, Yiyang 413000, Hunan Province, China; 2. School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China; 3. Special Capacitor Engineering Technology Center in Hunan
Province, Yiyang 413000, Hunan Province, China; 4. Postdoctoral Scientific Research Cooperative R＆amp;D Center of Aihua Group, Yiyang 413000, Hunan Province, China)

Abstract:The SMD (Surface Mount Device) aluminum electrolytic capacitor was taken as the research object, which was suitable for miniaturization and intensive development. By optimizing the electrolyte composition, the working electrolyte with good performance was obtained, which had high conductivity, break-down voltage, temperature stability. According to the particularity of SMD aluminum electrolytic capacitor structure and its installation process, the preparation process was optimized. The prepared medium-high voltage SMD aluminum electrolytic capacitor exhibits high working voltage of 450 V, long lifetime of 10 000 h at 105 ℃.

Key words:SMD aluminum electrolytic capacitor; medium-high voltage; working electrolyte; process optimization; reflow soldering; load life at high temperature

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.006

中圖分類號(hào):TM535+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-2028（2016）06-0032-03

收稿日期：2016-03-02 通訊作者：艾亮

基金項(xiàng)目：工信部工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)強(qiáng)基工程專項(xiàng)(No. 0714-EMTC02-5271)；湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(No. 2015GK1045)

作者簡介：王安安（1966－），女，湖南益陽人，研究生，研究方向?yàn)殡娀瘜W(xué)工程以及器件應(yīng)用，E-mail:jiamingsunmoon@aliyun.com ；