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铝电解电容器结构与制造知识

作者:刘嘉宁来源:青佺电子 日期:2012年11月21日 18:22

铝电解电容
铝电解电容器 (ALUMINUM ELECTROLYTIC CAPACITOR)之定议:以99.999以上的之铝金属为正极,于其表面使用阳极氧化所形成的氧化皮膜 (oxide film) 作为电介质(dielectric medium),使电解液体之电解质密接于氧化膜,另与负箔所构成之有极性电容器。 同样还可以将两个阳极组合起来,而成为双极性电解电容器或交流电路上用的电解电容器。
铝电解电容器的优点和用途:
因为铝电解电容器具备了小体积,大容量而且价格低廉等优点,因此被广泛的使用于机器设备的旁路,耦合回路,音响喇叭系统的纲路,爆闪灯,快速充放电电路 马达起动,接连交流等回路电路上,特别是近年来主要原材料的质量提升,生产制造技朮的提升,完善的质量管理,铝电解电容器更广泛的使用于高科技的电器设备及所有行业的电路上,以现在铝电解电容器用得最广泛的产品为监视器,主板,电源供应器,音响,电视机,变频器,大焊型焊机,工业矿上,飞机,军舰,无线通讯设备,录像机,程控数码设备等行业。
 
铝电解电容器之前途及发展趋势
由于阳极箔电蚀与化成技朮的提升与改良,加上铝电解电容器具有小体积,大容量及价格不高的优点,近年来铝电解电容器的需求量成快速地发展,今后的成长也必定不会差,铝电解电容器的未来发展将走向小尺寸超大容量,使用寿命长与高频低ESR,耐高纹波电流的点。
 1、铝电解电容器的构造
电容器素子 (capacitor element)
将已铆接导线耳片的正箔与负箔,中间隔两层宽度比铝箔稍宽1-20mm不等的电解纸作为隔离,且卷绕在一起,并于终端以胶水或胶带粘起来的半成品。 最先在滚动条上卷绕机上先卷数层电解纸,然后再分别夹入阳极箔与阴极箔并一起卷绕至需要长度为止。 素子的最外层是电解纸,再而是负箔,电解纸,正箔。
素子的构成组件
1、  正箔 (Anode Foil)
又称正箔,铝纯度在99.9%以上,厚度大约为40~105um,皆需于电蚀后以化成处理使表面生成一层氧化膜。
2、负箔 (Cathode Foil)
又称负箔,铝纯度在99.4%以上,厚度大约为15~60um 除特殊用途外一般都不施行化成处理,但却施行安定化处理,以表面也有一层薄膜存在。
3、电解纸或称电解的纸 (Separator Paper)
介于电解电容器阳极与阴极之间,保持电解液充分之量,防止两极发生Short an Open等为其目的所用之纸张。就电解电容器构成原理而言,只要有阳极 ,阴极及其中间之电解液即可。 但是在实际生产制造场合务需使阳极与阴极尽量靠近配置才行,其主要理由仍为两电极间的距离如果太远,则其间的电阻将使电容器成品之损失显着增大,同时两极间如果仅注满电解液,则外壳就必须为完全水密性,而完全的水密性是极端困难的构造。 所以就有开发了在两极夹入浸泡过电解液之多孔质电解纸的电容器2
  此种方法,不仅能使两极在不发生Short an Open情况下尽量接近,而且电解纸可以充分吸收稍有粘度的电解  
液,电容器外壳的水密性就不必过分严苛
电解纸之制造用材料主要为植物纤维,植物纤维中以牛皮纸 (Kraft )和马尼拉麻 (Manika Hemp)之使用量最大。 牛皮纸非常强韧而便宜,然因其纤维比较扁平,以致电解液浸泡后之电流通路较长,电阻大仍为其缺点。 马尼拉麻之纤维形状比牛皮纸稍接近园形,以致电流通路较短,电阻较小,但价格较高,另外牛皮纸与马尼拉麻之混抄之电解纸也广泛被采用。 一般电解电容器均依其规格规定中之电容量,电压与电阻之要求来选用上述电解纸。
4、耳片或称导针 (Lead  Wire)
橡胶封口构造之电解电容器均使用耳片为做外部端子-----将铝线与CP线以高周波焊接后再将铝线的一端压扁后完成。
(1)  、 CP线结构系钢心,铜皮镀锡后完成。
(2)、   铝线系采用高纯度的铝线制作,纯度越高的铝线所制成的耳片,由于其延展性佳,与铝箔嵌钉后其开出来的花瓣完整,阻抗效果佳。铝线的纯度分类如下:
G1:纯度90%以上
G2:纯度99%以上
G3:纯度99。9%以上
G4:纯度99。99%以上
一般耳片所使用的铝线应是G3级
●   电解液 (Electrolyte)
电解电容器系由阳极,阴极及介于两者中间的电解液所构成。 电解液从基本动作原理而言,系指由溶剂与溶于该溶剂之后能供给离子之电解质所构成。 基本上电解液由如下数项特性之成分所组成。
1. 化成性优良之弱酸;
2. 能够与酸中和至适当PH值 (一般PH值于6-7之间微酸性),且能降低电阻系数之碱;
3. 能够溶解酸与碱获致适当粘度,以提高其安定度,并改善其温度效果之溶剂;
4. 能够与上述溶剂互溶,使电解质产生大量离子之少量水分;
5. 某种特性改善用添加物。
以上第3.4两项称为溶剂,目前最广泛被使用的溶剂是乙二醇 (Ethylene Glycol 简称EG)。
3
 
使用乙二醇为溶剂之电解液称为乙二醇(或EG)系列电解液。 以上其余ffice:smarttags" />1.2.5项称为溶质。
一般电解液的规范中均有述明酸碱值(PH Value),火花电压(Spark Tehsion),导电度(Conductivity)之电化等特性及适用工作电压范围与适用使用温度等数据供选择使用。
●   盖板又称黑豆 (Rubber Bung)
使用盖板又称黑豆之目的:
1. 保持端子相互间及端子与外壳间之绝缘;
2. 可藉机械方式将端子确实压紧;
3. 电容器素子与外界隔离及防止电解液漏出与蒸发。
为了能够达到上述要求以配合电容器之极限使用温度起见,盖板又称黑豆必须具备之性质如下:
(1)   不受电解液腐蚀,且不会与电解液作用或析出氯化物等杂质。
(2)   长时间使用于电容器之极限使用最高温度与最低温度状态下都不变质;
(3)   电气绝缘性及气密性良好;
(4)   具有适当弹性与硬度。 封口后在相当压力下电解液不会漏出,蒸汽也不会逸出,且与外壳能够密切结合不会发生松动。
同时,除了需能完全满足上述要求之外,尚需价格适当而低廉才行。
●    铝壳 (Aluminum  Sase)
普通电解电容用外壳皆以AL99%纯度之铝板冲压而成,主要特点是价格柢,加工性良好,不受电解液腐蚀,不污染电解液,能承受颇高的内压力且厚度重量皆小以及热传导性良好,便于散热。 为安全起见,电容器直径在8? (含8?) 以上者,其铝壳一律加设铝壳防爆孔。
●    外壳胶管 (Sleeve)
基于规格识别及外壳绝缘的理由,一般用途之电容器几乎都包有胶膜胶管,普通电容器用氯乙稀胶膜胶管(Polyving chloride Tube ,PVC Tube)都能随温度之升降而收缩。
PVC材料之胶管耐热性较差,很容易劣化,所以不可视为完全绝缘体,因而如果厂商有特别强调绝缘特性时,应与厂商协调使用更可靠的材料。
 
 
4、铝电解电容器之生产制造流程:
铝电解电容器系利用铝箔,经与导针钉接后再与电解纸卷绕成为素子,再经过电解液的浸泡后与盖板又称黑豆,铝壳组立并外加胶管后完成电容器的本体,再经老化充电选别后完成成品。
 5、1、 电极铝箔及电解纸之分切
电极铝箔及电解纸通常首先依设计决定之尺寸整卷分切成需要宽度并重新卷绕在一起以备钉卷后工程之用。 电极铝箔整箱的宽度是500mm, 但由于两边箔边无法使用,故各切除10mm,故实际可用宽度是480mm再依照所需宽度安排分切刀后进行分切。
使用设备: 分切机(Slitter)
2、电极铝箔与耳片之钉接
分切完成之电极铝箔通常都先以设计决定之电极长度分别在正负极铝箔钉接机上依次加以钉接耳片后重新卷绕在一起,再将钉接的耳片之卷筒铝箔放入卷绕机中制造素子。
电极铝箔与耳片的钉接在电容器的制造上是一项非常重要的工序,其钉接连接部分简单构成原理如下:
[铝片与铝片之电气上确实连接务需在两金属片之接触而相互之间形成金相结合]
电极铝箔与耳片之铝扁部 (一般称为耳片之A部) 之连接一般皆施以嵌钉法。 系将拟连接之两金属片重搭之后,以浮花钢冲穿孔,再将生成之孔边毛头弯曲挤压成花瓣的方式形成确实的连接部。 此种方式只冲的形状适当就可形成小型的冷焊部达到上述金相结合的目的。此种连接部分部形成的优良与否可以量测电极铝箔与耳片的接触电阻的大小来判定。一般电极铝箔与耳片的嵌钉处有2~5处,通常视铝箔的宽度来决定。
使用设备: 正负极铝箔钉接机 (Stitching  Machine)
3、素子之卷绕
将已铆钉耳片的正箔(正箔)与负箔(负箔)中间夹入两张宽度比铝箔稍宽之电解纸且卷绕在一起,并于末端以浆糊或粘着胶带粘住。 最初先在滚动条上卷绕数层电解纸然后再分别夹入正箔与负箔并一起卷绕至需要长度为止。 素子的最外层是电解纸,再而是负箔,电解纸,正箔。
素子的卷绕首先需注意正箔与负箔必需正确对准,整齐卷绕。 如果正负极铝箔卷绕不齐则两极铝箔的合成容量会降低,损失会增大。 再者电解纸必需完全将正,负极铝箔隔离以避免Short an Open。
使用设备: 素子卷绕机(Winding  Machine)
4、 素子浸泡
为了避免造成电解纸中之水分增加而导致不良结果,在素子浸泡前需将素子以高温烘烤。
浸泡是将烘干后的素子浸渍于电解液中,利用真空及加空气压力使电解液有完全浸湿渗透到素
6、素子内部,让电解纸吸收使电解液能均匀附着于铝箔表面,因而浸泡须达到下列两项条件:
(1)  、 电解液将铝箔之细小孔穴及电解纸完全浸入并浸湿。 如果浸泡不完全,则制成之电容器会因此而使容量降低,损失增大,且会因为浸泡不良以致使用中容易造成特性变化。
(2) 、  素子含有电解液量不可过多,因电解液量愈多,漏液之可能性愈大,故一般素子浸泡后须经脱水过程,以防素子含有之电解液量过多的现象。
目前最常使用的浸泡方法有下列两种:
(1) 、  真空浸泡法: 系将素子放入浸泡的容器内然后抽真空再注入电解液将素子盖满,然后恢后容器内之大气压力,则因大气压力的关系,可使电解液由上下迅速浸入素子内。,以达到浸泡的效果。 然因电解液之蒸汽压过高,使蒸汽进入素子内,导致中央部份无法浸泡到电解液的情形,此为真空浸泡的缺点。 故针对大型电容器和中高压电容器均以下列之真空加压浸泡予以克服。
(2) 、  真空加压浸泡法: 系于大气压强制浸泡后。 (即真空浸泡的过程)将容器密闭再以空气压缩提高容器内的压力,当容器内之压力达到数大气压后,素子将会继续显示出强制浸泡的效果,而使得中央因蒸汽之进入而未浸泡部分缩小或消除,以达到完全浸泡的目的,因而真空加压浸泡法较适合大型电容器及中高压电容器的浸泡作业方式。
使用设备:素子干燥机
         真空浸泡机
         真空加压浸泡机
5、 组立,封口
组立是将已浸泡完成的素子,从耳片引线部套入盖板又称黑豆再放入铝壳的作业过程。 如下图:
 
 
 
 
 
 
 
素子经浸泡后到组立完成之间时距愈短愈好,因为已浸泡的素子,如暴露在空气中时间太长时,会吸收空气中的水分,因而对电容器在使用上的特性会有不良的影响。 且在组立的作业
7过程中,应注意防止素子受外界的污染,如灰尘,手汗等,尤其手汗带有氯元素,对铝箔有腐蚀作用,有加速电容器漏电流增加的倾向,故在作业过程中应戴塑胶手套以防止之。
所谓封口系将已组立完成品铝壳开口部加以密封。 封口的目的是要将铝壳内部与外部完全隔绝。如果封口的紧密性不好时,则铝壳内部的已浸泡素子,会受外界性况的影响,尤其作高温负荷特性试验时,因外界温度高,因而内部已浸泡素子之电解液很容易挥发掉,则造成电容器的电容量减少,损失变大等不良影响。
另外在封口作业过程中,如因作业疏忽或错误而造成封口紧密性不良时,已封口完成之内部已浸泡素子之电解液会往外流,而造成漏液现象,亦是影响电容器质量的严重缺点。
使用设备:组立机
6、 清洗
组立封口后的电容器应经清洗过程,其目的是将电容器本体在组立作业时所沾染的油渍及端子引线因在浸泡和组立作业时所沾染的电解液清洗干净,尤其是端子引线镀锡部份易受电解液之侵蚀而脱落,因而造成焊锡性不良的现象。
清洗后的电容器经高温脱水干燥后完成。
使用设备: 清洗机,高温脱水干燥机
7、 套管
   套装是将已封口完成的电容器套入胶管再予加热使胶管收缩之作业过程。
   套装时对于印刷胶管之取用,应依生产卡上之标明指示取用,严防错误,因电容器的商标capsun
   (Brand),系列(Series),规格,极性等全部印刷在胶管上,故作业时严防逆指示 (即极性相反)的错误与收缩不良,偏差等现象发生。
    使用设备;自动套管机
8、 充电,老化,测试
电容器制造时,需先将铝箔分切成适当的尺寸,阳箔经分切后,其氧化膜因而破损,造成极大之泄漏电流,此时之电解液亦可当作化成液,经加高温电压液,可将破损的氧化 膜弥补起来,此作用即吾人所称之老化 (Aging) 又称二次化成。其所加之电压称老化电压 (Aging  Voltage)
(1)、   泄漏电流检测
    泄漏电流检测是为测出所老化完成之电容器经施加直流额定电压时,所通过的直流电流值。 其值是愈小愈好。 在检查前应先依照额定电压作预备充电三分钟再进行测试。
泄漏电流的规格值因电容器之系列,电容量与额定电压的不同,其允许的最高泄漏电流亦不同,一般以下列公式规定之:
I< = 0.01CV  or   3UA     取大值
I: 泄漏电流(单位:UA)
C: 额定电容量(单位:UF)
V: 额定工作电压(单位:VOIT)
(2)、  电容量与散逸因素检查
电容量检查的目的是在测定其值是否在容量差范围内。 如超出范围即为不合格品,散逸因素检查则是在测定其值是否在规格值以下,如超出此规格值即为不合格品。
          使用设备:自动充电,老化,测试机
 
影响铝电解电容器寿命的探讨
 
一、铝电解电容器之寿命绝大部份取决于环境和电气因素,所谓环境因素包括温度,湿度,大气压力和掁动电气。 因素包括操作电压,纹波电流和充放电。温度因素 (环境温度和因纹波电流所产生的内温) 系影响铝电解电容器寿命的最主要因素。
 
二、 基于以上的解释,铝电解电容器,一般只依据下列公式由环境温度,施加电压与纹波电流来计算其使用寿命。
 
Lx = Lo  KTemp  K voltage  K Ripple
 
在此Lx:电容器的预估使用寿命
     Lo:    电容器的基本寿命
    KTemp:   周围温度加速条件
     K voltage: 电压加速条件
     K Ripple:  纹波电流加速条件
 
KTemP (周围温度对寿命的影响)
铝电解电容器实质上是一种电气化学组件,温度的上升使电容器内部的化学反应产生气体,持续地促使电容量渐渐降低和DF,ESR渐渐升高。下面的公式已经被广泛的使用来解释温度加速系数与电容器劣化的关系。
 
Lx = Lo  KTemp=Lo  B(To-Tx) /10
KTemp = B (To-Tx) /10
 
在此Lx: 电容器的预估使用寿命(小时)
    Lo: 电容器的基本寿命(小时)
    To: 在型录上所示电容器的最高额定工作温度
    Tx: 电容器周围的实际环境温度
    B:  温度加速系数(约等于2)
 
此公式和说明温度与化学反应率的阿瑞尼阿斯公式很类似,所以此公式就被广泛使用在说明与计算铝电解电容器之温度与使用寿命的关系。 我们被称为铝电解电容器的阿瑞尼阿斯法则。
从环境温度(Tx)在40℃至电容器的最高额定使用温度之温度加速系数大约是2。 它表示环境温度每上升10℃,则电容器的寿命就以近似减半的法则缩短。 而环境温度(Tx)由20℃至40℃对电容器的使用寿命影响很小,故如果环境温度低于40℃时,一般仍以40℃当作Tx来计算电容器的使用寿命。
 
K voltage  (施加电压对寿命的影响)
由于铝电解电容器均在额定工作电压内使用,故如果符合此种情况时
K voltage=1被视为合理的认定。
 K Ripple  (纹波电流对寿命的影响)
由于铝电解电容器的散逸因素(DF)比其它类型电容器来得高,因此纹波电流会造成铝电解电容高的内部温度,所以在使用铝电解电容器时有必要去确认型录上所示最高容许纹波电流(Maximum Permissible  Ripple Current)以确保其使用寿命。
K Ripple = 2 (⊿To-⊿T)/5
在此 ⊿To: 由于施加最高容许纹波电流所产生的内部热能导致的电容器内部温升,以日本NIPPON CHEMI-CON之低阻抗产品之标准⊿To=5。
      ⊿T: 由于施加实际工作纹波电流所产生的内部热能导致的电容器内部温升。
由于要实际测得电容器内部的温度较为困难,故可于由下列两种方式计算大约的⊿T。
(1)       ⊿T=Kc  (Ts-Tx)
 在此  Kc:下列之系数;
       Ts: 电容器铝壳的表面温度;
       Tx: 环境温度

 

Diameter

(mm)

ψ5  to ψ8

ψ10

ψ13

ψ16

Kc

110

115

120

125


(2) 、⊿T=⊿To (Ix / Io)2
在此  ⊿To= 5 (对最高使用温度105℃之产品)
       Ix =  实际施加之纹波电流
       Io =  额定最高容许纹波电流。