Надежность электролитических конденсаторов

Алюминиевые электролитические конденсаторы (они же электролиты) имеют жизненно важное значение для функционирования многих электронных устройств. Постоянно возрастающие требования к энергоэффективности, расширяющемуся использованию возобновляемой энергии и росту электронной начинки в современных автомобилях значительно повлияли на распространение этих компонентов в последние десятилетия.

Автор: Dr. Arne Albertsen

Конструкция и процесс производства электролитических конденсаторов

Алюминиевые электролитические конденсаторы сочетают в диапазон рабочих напряжений от нескольких вольт до примерно 750 вольт и широкий диапазон емкости от 1 мкФ до более 1 Ф, предлагая при этом компактные размеры. Анодная фольга высокой шероховатости полностью покрыта тонким диэлектрическим слоем и контактирует с точно подобранным катодом - жидкостью электролита. (Рисунок 1).

Рис. 1. Конструкция алюминиевого электролитического конденсатора (упрощенное сечение).

Процесс изготовления электролитов включает следующие основные этапы производства:

Травление - алюминиевая фольга высокой чистоты толщиной 20 ~ 100 мкм является основным материалом для последующих анодных и катодных фольг. Травление увеличивает общую площадь поверхности материала анода до 140 раз (рис. 2) по сравнению с их геометрической поверхностью.

Формирование - анодная фольга имеет диэлектрический слой, состоящий из оксида алюминия (Al2O3). Он наносится поверх шероховатой анодной фольги с помощью электрохимического процесса, называемого анодным окислением или формованием. Качество формования, то есть однородное и полное покрытие площади поверхности, важно для высокой надежности компонентов во время работы. Чем дальше рабочее напряжение от номинального предела, тем меньше становится вероятность пробоя диэлектрика. Типичные значения для соотношения напряжения формования к номинальному напряжению электролитов Jianghai  находится в диапазоне от 1,25 (низкое напряжение) до 1,60 (высокое напряжение). Толщина диэлектрического слоя составляет приблизительно 1,4 нм / В; это составляет около 900 нм для электролита с напряжением 450 В (это составляет менее 1/100 от толщины человеческого волоса).

Резка - вытравленная и формованная фольга наносится на так называемые рулоны шириной около 50 см. Материнские ролики нарезаются на ширину, необходимую для материала анода и катода.

Намотка - прикрепление электрических контактных лапок к фольге (сшивание, холодная сварка) и намотка анода, бумаги (прослойка, многослойная при необходимости) и катодной фольги.

Пропитка - поры прокладочной бумаги и вся площадь поверхности анодной фольги покрываются электролитом, жидким катодом.

Сборка обмоточного элемента конденсатора в банку, электрическое соединение между контактными лапками и паяльными или винтовыми клеммами и заклепка банки для гермитизации.

Постформинг («обжиг») для заживления срезанных краев фольги.

100% линейный контроль жизненно важных электрических параметров (емкости, коэффициента рассеяния и тока утечки).

На рис. 2 приведена электронная микрофотография поверхности травленной анодной фольги высокого напряжения. Гомогенное распределение и большой свободный диаметр протравленных углублений обеспечивают хорошее покрытие оксидным слоем и полный доступ электролита к всей поверхности анодной фольги. Уже на этой ранней стадии производства определяется, подходит ли полученный электролит для требовательных, профессиональных промышленных применений с высокими требованиями к надежности, возможными пульсациями тока и длительному сроку службы.

Рис.2. Вид сверху на травленую анодную фольгу.

В частности, этапы «формирования» и «пост формования» имеют большое влияние на надежность работы электролитов. Jianghai преследует цель поддержания достаточно большого отклонения формующего напряжения от номинального напряжения и разумного времени выдержки во время последующего формования для обеспечения высокой надежности. Поскольку напряжение формования обычно не указывается в таблицах данных, конечному пользователю компонентов трудно использовать этот параметр в качестве индикатора производительности. Задавая вопрос поставщику электролитов и сравнивая значения тока утечки, конечный пользователь может сделать свои выводы относительно философии дизайна производителя электролитов. Во времена роста цен на материалы и энергоносители даже некоторые известные производители прибегают к снижению напряжения формования серий. С точки зрения качества, Jianghai считает эти «меры по оптимизации затрат» неприемлемыми.

Время жизни vs Надежность

Механизмы электрохимического старения ограничивают срок службы электролитов до значения, которое можно оценить в зависимости от температуры, пульсаций тока и напряжения во время работы. В течение этого времени случайные сбои могут возникнуть в любой момент. Количество этих неудач зависит от объема наблюдаемой партии. Наличие случайных отказов обычно не связано с процессом старения, а скорее является следствием скрытых внутренних дефектов (например, в прокладочной бумаге, фольге или вблизи электрических соединений). Часто эти сбои происходят без предупреждения и заканчиваются коротким замыканием. Возросшие токи утечки в результате повреждения диэлектрического слоя могут привести к такому большому образованию (которое сопровождается накоплением газообразного водорода), что избыточное давление открывает защитную крышку. Затем электролит высыхает и выходит из строя с низкой емкостью.

100% конечное измерение емкости, тока утечки и ESR для всех произведенных компонентов и проведение дополнительных испытаний на образцах, отобранных из всех серийных партий, обеспечивают высокий уровень качества продукции. Следовательно, сбои являются редким исключением [2].

Существует множество определений термина «надежность», и в зависимости от того, спрашиваете ли вы статистика, математика или инженера, вы можете получить разный ответ. Здравый подход к определению надежности может быть следующим: вероятность того, что электронное устройство удовлетворительно выполнит свою работу в течение указанного периода времени.

Рисунок 3. Коэффициент отказов в зависимости от времени.

Типичный график надежности от времени жизни электролитов соответствует так называемой «кривой ванны» [3]. Частота отказов (FIT; количество отказов по времени) λ обозначает количество отказов в единицу времени (плотность отказов, единица измерения FIT = время отказов в 10–9 отказов / час).

"Кривая ванны" на рисунке 3 показывает три различных последовательных сегмента:

• ранний период отказа («младенческая смертность») с уменьшающимся коэффициентом FIT λ;

• период в пределах нормального времени жизни имеет постоянную скорость FIT λ, которая описывает возникновениеслучайных отказов;

• последний сегмент с увеличивающимися показателями FIT λ, которые возникают в результате износа и выходят за допустимые пределы в конце или после окончания обычного срока службы.

Режимы и механизмы отказов

Обычный режим отказа средне устаревшего электролита - это параметрический сбой из-за низкой емкости или увеличенного ESR (см. рисунок 4, светло-зеленые прямоугольники).

Механизмы отказов, показанные на рис. 4, могут быть вызваны производственными или прикладными причинами. Сбои, связанные с производством, наблюдаются редко, потому что чистота основных материалов и уровень качества процессов механического производства постоянно улучшались в течение последних лет. Зачастую отказы можно отследить в результате неблагоприятных условий эксплуатации, поскольку перегрузка (например, температура окружающей среды, пульсация тока, рабочего напряжения, вибрация, механическое напряжение и т. д.) иногда не может быть ни предсказана, ни предотвращена.

Рисунок 4. Режимы отказов и механизмы отказов.

Оценка частоты отказов

Даже при использовании лучших материалов и производственных процессов мирового класса в сочетании с эффективной системой обеспечения качества в полевых условиях случаются случайные сбои компонентов. В контексте оценки частоты отказов MIL-HDBK-217F часто упоминается в литературе, хотя руководство опирается на данные о надежности компонентов, которые были разработаны несколько десятилетий назад. Численные значения найденных там частот отказов компонентов часто превышают частоту отказов, наблюдаемые с текущими партиями Jianghai, в 10-100 раз. Даже несмотря на эти наблюдения, данные MIL-HDBK-217F и найденные там схемы расчета обеспечивают некоторое понимание зависимости интенсивности отказов от температуры окружающей среды и фактического рабочего напряжения (рисунок 5).

Рисунок 5. Коэффициенты увеличения частоты отказов (MIL HDBK-217F).

Частота отказов норируется для работы при температуре окружающей среды 40 ° C и при 50% номинального напряжения. Чтобы получить достоверные данные о надежности из лабораторных испытаний, потребуются огромные усилия. Потребуются экспериментально полученные данные испытаний из миллиардов объектов, то есть около 1 миллиона электролитов должны быть испытаны при высокой нагрузке. Jianghai скорее использует информацию о фактических сбоях у клиентов вместе с типичной информацией о применении (температура, пульсация тока, рабочее напряжение). Используя реальные данные, производственные данные о количествах и типах по технологиям, а также результаты лабораторных испытаний, ставки FIT могут быть оценены при разумных усилиях. Порядок величины для оценки частоты отказов поля составляет 0,5 ~ 20 FIT.

Из FIT-Rates MTBF (среднее время между сбоями) можно легко рассчитать как его обратную величину: MTBF = 1 / FIT. Обратите внимание, что показатель MTBF не представляет собой гарантированное минимальное время до тех пор, пока не наблюдается первый сбой, а скорее указывает среднее время, когда около 37% начальной популяции электролитов живы (аналогично радиоактивному распаду, функция распределения для отказ компонентов подчиняется экспоненциальному распределению).

Факторы, влияющие на надежность

Надежность (а также срок службы) электролитов любой марки и типа нелинейным образом зависит от температуры, пульсаций тока и рабочего напряжения. Небольшие изменения в любом из этих параметров оказывают большое влияние на общую производительность этих компонентов. Тщательно разработанная схема необходима для получения необходимого уровня надежности устройства:

Сложность - уменьшение количества компонентов повышает надежность.

Перегрузка - температура, пульсация тока и рабочее напряжение, иногда в сочетании с механическим напряжением, таким как вибрация, требуют компромиссов в отношении стоимости и размера. По возможности, тепловая перегрузка должна быть сведена к минимуму: на каждые 10 К повышения температуры частота отказов электролитов удваивается!

Надежность отдельных компонентов - при выборе компонентов следует учитывать их индивидуальную надежность с учетом их стоимости. Высоконадежные компоненты обычно имеют более высокую цену.

Успешное применение электролитических конденсаторов

Большинство реальных отказов, наблюдаемых с электролитами, не связаны с классическими случайными сбоями. Вне сферы влияния производителя электролитов конечный пользователь обязан защищать надлежащие условия эксплуатации, обеспечивая надежную конструкцию, бережное обращение и процессы сборки, а также умеренное воздействие окружающей среды. Ниже приведен список некоторых советов, которые могут оказаться полезными для успешного применения электролитов в различных схемах и условиях:

Транспортировка и хранение

Электролиты (аллюминиевые) и заглушка электролита (резиновые) мягкие и эластичные. Таким образом, поврежденные (вздутые) компоненты не должны использоваться. К сожалению, часто встречается загрязнение галогенами (в частности, бромидом для скрытия зарубежных поставок). Это относится как к отгрузке отдельных компонентов, так и к перевозке готовой продукции.

Монтаж и сборка

Следует избегать давления, вытягивания или изгибания клемм (особенно в случае радиальных электролитов). Это может привести к серьезному повреждению внутренних контактов анода или катодной фольги.

Клей, формовочные смеси и лаки не должны содержать галины. В непосредственной близости от заглушки электролита должно быть предусмотрено отверстие для вентиляции, чтобы предотвратить накопление микроклимата в замкнутом пространстве (риск коррозии). Проводящие дорожки не должны быть проложены под электролитом. Электролит никогда не должен использоваться в качестве «ручки» для переноса печатной платы.

Пайка

Пределы температуры пайки, указанные производителем, должны соблюдаться во избежание повреждений (вздутие, потеря ресурса или термическое разрушение электролита). Это относится, в частности, к обработке электролитов SMT в процессе безсвинцовой пайки (высокотемпературные профили пайки).

Эксплуатация

При включении или выключении могут возникать переходные напряжения от индуктивных нагрузок за пределами рабочего напряжения или обратного напряжения. Даже если они возникают только один раз, переходные процессы такого типа вызывают постоянное повреждение электролитического конденсатора, и их следует избегать в правильной конструкции. 

Механическое перенапряжение во время работы (например, саморезонанс) может привести к поломке соединительных выступов. Приклеивание электролитов к печатной плате или размещение их в другом месте может решить проблему.

Любое повышение температуры окружающей среды на 10 K удваивает частоту отказов и сокращает срок службы вдвое. Таким образом, выгодно размещать электролиты вдали от источников тепла (радиаторов, силовых катушек и т. д.).

Заключение

Своей собственной надежностью алюминиевые электролитические конденсаторы влияют на надежность электронных устройств, в которых они установлены. Тщательное знание некоторых основных параметров этих компонентов необходимо для обеспечения надежной конструкции электронных устройств.

Дается определение надежности и важнейших факторов, влияющих на надежность. Набор практических советов поможет в качестве руководства для успешного применения электролитических конденсаторов. Применение общих принципов зависит от конкретного типа продукта и конкретного применения. Консультации с поставщиком необходимы для получения рекомендаций по всему проекту и для подтверждения любых оценок.

Источники

[1] Albertsen, A., Lebe lang und in Frieden! Hilfsmittel für eine praxisnahe Elko-Lebensdauerabschätzung, Elektronik Components 2009, 22-28 (2009).
[2] Both, J., Aluminium-Elektrolytkondensatoren, Teil 1 — Ripplestrom and Teil 2 — Lebensdauerberechnung, BC Components, February 10, 2000.
[3] Stiny, L., Handbuch passiver elektronischer Bauelemente, Franzis Verlag, Poing, 2007. [4] Venet, P., A,. Lahyani, G. Grellet, A,. Ah-Jaco, Influence of aging on electrolytic capacitors function in static converters: fault prediction method, Eur. Phys. J. AP 5, 71-83 (1999).
Рейтинг
0
Следующий пост

Посмотреть

Другие статьи

Комментарии0

Оставить комментарий