高档数码电器用贴片铝电解电容器的研究

一、前言

随着移动通讯设备、笔记本电脑、小型化高档家用电器等整机电子产品向轻、薄、小方向的发展，以及表面安装技术在电子整机方面的广泛应用，导致电子元器件向贴片化方向发展已成为主流。片式铝电解电容器是传统引线铝电解电容器的更新换代产品，与其它片式电容器相比，铝电解电容器片式化难度是最大的，但势在必行，可以说今天传统引线铝电解电容器的市场就是明天片式铝电解电容器的市场。

片式元器件进行表面组装时，通常须要经过回流焊工艺来实现，而回流焊时最高温度可达260℃以上，是电容器整体受热。这就给使用液体电解液的铝电解电容器的片式化带来很大难题。传统电解液使用的是己二酸铵等铵盐作为溶质，溶剂一般为乙二醇和水的混合溶剂。但是铵盐的分解温度较低（70℃左右），而水的沸点只有100℃，所以传统工作电解液做的铝电解电容器，不能耐受回流焊时的高温，无法直接应用于片式铝电解电容器中，所以开发能够耐260℃高温的电解液是开发贴片铝电解电容器的关键。

根据多年铝电解电容器的研究，贴片铝电解电容器产品在使用过程中经常存在的不良有：回流焊后产品的容量变化大，漏电流回升大；由于胶粒比较薄，经长时间施加纹波的高温负荷后，内部产生的气体会使胶粒凸起，且各参数变化比较大。

二、实验

（一）主要材料

进口高机械强度阳极箔，国产ECM-5033阴极箔，国产MJ255-40电解纸，10039高纯度导针，1.6mm厚度丁基胶粒，喷涂铝壳。

（二）仪器

电容量测试仪；CLC-201漏电流测试仪；T962C回流焊机；4284A型精密LCR数字电桥；JZS-2型低压电解电容器交直流寿命试验电源；恒温烘箱。

（三）实验流程

（四）实验内容

回流焊机做回流焊实验；交直流寿命试验电源加恒温烘箱做105℃寿命试验。

三、结果与讨论

（一）工作电解液的开发

由于工作电解液对产品各项性能的影响十分重要，故重点对此作了深入研究。对于普通低压铝电解电容器使用的电解液，可以通过提高纯净水的含量增加电解液电导率，但对于贴片铝电解电容器，由于要经过过回流焊的高温，所以要开发不含水的电解液来实现目标。

1.溶剂的选择

溶剂做为工作电解液的基础，分子之间的相互作用力决定着溶剂的沸点、凝固点、蒸汽压以及粘度等性能，因此溶剂直接决定着电解液的使用温度范围；同时溶剂分子和工作电解液中溶质分子间作用力又直接影响溶质的溶解度和溶剂化程度，对产品最终电性能起着致关重要的作用，故选择好溶剂是非常重要。γ-丁内酯熔点：-45℃，沸点：358.8°C高温物化性能稳定，是一种良好的有机溶剂，可以作为主溶剂。值得注意的是γ-丁内酯工业化合成主要有1，4-丁二醇脱氢法和顺酐加氢法，笔者建议使用顺酐加氢法工艺生产的γ-丁内酯来配制电解液。N-甲基吡咯烷酮除了具有高的沸点还具有较低的高温蒸汽压、N-甲基甲酰胺是良好的质子溶剂，能充分提高电导率，两者可以作为第二溶剂使用。

2.溶质的选择

溶质是工作电解液的关键组成部分，要求其在溶剂中具有良好的溶解度，易于电离，以及对氧化膜具有较强的形成能力。通过大量的试验，以富马酸、丁二酸的咪唑盐（或三乙胺盐）中的一种或两种的混合物作为主溶质，并添加适量大分子有机化合物邻苯二甲酸铵等，使电解液既有高温物化稳定性又有高电导率。

3.添加剂的选择

为了防止产品长期在过无铅回流焊和高温高压负荷下阳极易防腐，经过多方研究，成功的开发了一种新型防腐蚀剂，添加该防腐蚀剂后，产品阳极防腐被明显缓解，使用寿命被大大提高。为了改善产品漏电流，向工作电解液中加入防止水合的无机盐添加剂，在铝氧化膜表面形成一层隔离保护层，从而起到对阳极铝氧化膜的保护作用，降低产品漏电流回升。

由图可以看出添加新型添加剂的氧化膜看上去更加致密均匀，氧化质量提高了，使用寿命也大幅提升。

经研制的工作电解液配方如表1所示，电解液性能参数：δ30℃≈14000μS/cm，PH=6～6.5。

（二）优选原材料

1.阳极铝箔

阳极铝箔是电容器的主要组成材料，选择好阳极箔是非常关键。对于贴片铝电解电容器，产品体积较小，需选用比容较高的阳极箔，有利于缩小体积；由于做贴片品铝箔只切2.2mm宽度，要求抗拉机械强度要很好。另外，根据影响漏电流IL的如下因素：

U：工作电压K：腐蚀系数SO：光箔面积

P：电阻率a：形成电压UF：Al2O3氧化膜的耐压系数

我们选择耐压系数大，形成电压高，介质氧化膜电阻大的铝箔。而且耐压系数大，氧化膜厚、致密，酸根离子的侵蚀作用及水合作用也大大减少。

2.阳极铝箔

对于贴片铝电解电容器，2.2mm的窄片宽，制造过程容易出现断箔，因此阴极铝箔应具有良好的机械抗拉强度，需引张强度≥15N/cm。我们选用ECM-5033型阴极箔可以满足要求。

3.电解纸

贴片铝电解电容器对电解纸的密度和厚度要求较高。电解纸密度低电解纸留边量窄，在电容器组装时由于受到机台封口模具挤压，易造成产品内部正箔和铝壳顶部接触，引起产品短路；相反，电解纸密度太高，会导致产品损耗偏大。其次，电解纸厚度太低，很难起到隔离正、负铝箔的作用，容易引起正、负铝箔之间短路，而厚度太高，会使芯子直径加大，导致芯子装不进铝壳里面。国内小体积产品经常存在着假性短路现象，究其原因，与产品电解纸的选择有密切关系。同时为了降低产品ESR值，延长产品的使用寿命，笔者选用MJ255-40电解纸生产100μF/16Vφ6.3×5mm的电容器。

从表2可以看出，选用MJ255-40电解纸，可以使得电容器的ESR值大幅下降。

4.导针和胶粒

采用纯度较高10039导针加80V化成电压，能降低产品漏电流，采用1.6mm厚度丁基胶粒密封，可以有效保证产品的气密性。同时要严格控制氯离子含量，为确保电容器的高可靠性，胶粒的氯离子含量≤0.0001%。

（三）工艺改进

1.对钉花质量进行调整

经过调整后铆接后铆针孔在舌部中心线上，导针与铝箔互相垂直，四个花瓣大小均匀，轮廓清晰，手感平滑而且压平后紧贴铝箔，花瓣不超出导针舌部边缘。铆针孔在导针压扁部中央；导针压扁部与铝箔面基本垂直，夹角约为900±50。接触电阻也由原来的1.2mΩ降为现在的0.6mΩ，这样的调整可以大大降低产品的可减小电容器的等效串联电阻值，延长使用寿命。

2.对组装封口工艺进行改进

对寿命一个重要的影响因素就是封口质量的控制，首先材料选取气密性能更好的丁基橡胶，在原束腰在胶粒的一半，该为束在胶粒的2/3位置，能有效防止产品在回流焊后胶粒容易凸出，并有利于防止产品容量衰减与损耗值增加，提高产品高温稳定性，图4、图5分别是产品高温负荷时容量与损耗随时间变化曲线，其中1#是普通设计，2#是改束腰后的设计：

（四）高温负荷和贮存试验

经过上述对工作电解液配方的研究，以及对原材料和生产工艺的优化，产品性能得到了很大提高，经105℃高温负荷3000小时电容器的各项电性能参数均良好，解剖时未见阳极有腐蚀，具体性能见表3。

（五）回流焊试验

表4是笔者研究的贴片电容器与同类产品进行的260℃无铅回流焊对比试验情况。表4中1#为同类产品，2#是研制的产品，产品过无铅回流焊后，产品电性能参数良好，可见该技术是符合回流焊要求的。

四、结论

通过开发使用高温物化稳定性又有高电导率的工作电解液，优选原材料以及对导针的钉花质量和封口工艺做工艺改进，大大降低了产品的ESR值，可延长产品使用寿命。产品使用寿命达105℃3000小时。且能通过260℃无铅回流焊的苛刻条件后产品的性能无明显变化，切外观良好。

参考文献：

[1]林学清，洪雪宝.铝电解电容器工程技术[M].厦门：厦门大学出版社，2007，112.

[2]梁亚芹.绿色照明用铝电解电容器的研制[J].电子元件与材料，2008，27（1）：52

[3]梁雅丽，黄远彬.适合无铅回流焊片式铝电解电容器的研制[J].电子元件与材料，2006（10）：59-61.

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