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电子失效专题丨这种环境容易使电解电容失效
电解电容是一种电容器，其特点是具有电容量和工作电压范围大。它们通常使用金属箔（如铝或钽）作为正电极，正电极上的绝缘氧化层（如氧化铝或五氧化二钽）作为电介质。电解电容器的负极通常由浸有电解液的纤维纸、薄膜或固态聚合物构成。在汽车电子、工业控制设备、音响器材等领域有广泛应用。
在实际应用中，电解电容受温湿度、电流电压、工艺等原因，漏电现象多发，常给企业带来较大损伤。本文以电解电容失效为例，通过外观检查、电参数测试、CT检查、拆解、电信号分析、失效模拟等测试方法，分析其失效根因及机理，并提出改善建议。
某PCBA上的450V-540uf电解电容在使用中出现漏电的问题，故障品均发生在冬季的北方地区，使用环境低于0℃。需求对电解电容失效原因进行分析。
1、外观检查：
失效电容外观无异常，无鼓胀和漏液。故障的电容在板上朝内布局。主板上两个位置的电容随机出现失效。
图1：NG样品外观
2、电性测试：
使用LCR测试仪对失效样品和OK样品进行电性测试，发现有1pcs NG样品内阻相对OK样品有增加，NG样品ESR相对偏高，Q值有大幅下降。
|
样品序号 |
直流阻抗 |
容值 |
ESR |
Q值 |
|
NG1# |
0.25mΩ |
484.2 |
164.18 |
16.62 |
|
NG2# |
0.25mΩ |
496.96 |
681.79 |
3.64 |
|
NG3# |
12.5Ω |
338.17 |
202.25 |
19.34 |
|
OK1# |
0.25mΩ |
479.88 |
106.42 |
25.93 |
|
OK2# |
0.25mΩ |
496.42 |
113.61 |
23.47 |
表1：样品电性测试结果
（1）CT分析：
CT分析， NG样品内部损伤在内层电极位置向内爆破击穿，OK样品电极卷绕整齐，无变形。
图2：NG-1#样品CT图片
图3：NG-2#样品CT图片
图4：NG-3#样品CT图片
（2）拆解分析：
对NG1#样品进行拆解，可发现内层的隔膜和电极均有击穿烧毁的痕迹。将电极一直展开，可看到击穿的起始位置在电极与隔膜有压合印记的位置。
3、模拟复现分析：
（1）单体低温耐压模式复现：
对样品放入高低温箱中，温度稳定半个小时后，进行耐压测试，在-10℃电解电容的击穿电压高于常温下，高于电容的工作电压；
|
测试状态 |
450 |
500 |
550 |
600 |
620 |
650 |
|
常温 |
正常 |
正常 |
正常 |
正常 |
NG |
/ |
|
-10℃ |
正常 |
正常 |
正常 |
正常 |
正常 |
NG |
表2：电容耐压测试结果
（2）电容单体低温参数测试：
选取4pcs 未使用样品对比测试常温和-10℃下电容的参数，发现电容的ESR和Q值下降幅度较大。在低温下电容内部损耗要远大于常温。
|
状态 |
样品 |
Cp（uf） |
Q |
ESR（mΩ） |
D |
|
常温 |
1# |
493.31 |
25.27 |
106.22 |
0.03957 |
|
2# |
480.71 |
22.62 |
121.72 |
0.04420 |
|
|
3# |
481.26 |
24.99 |
110.09 |
0.04001 |
|
|
4# |
486.67 |
24.91 |
109.21 |
0.04014 |
|
|
-10℃ |
1# |
444.47 |
4.89 |
585.76 |
0.20451 |
|
2# |
462.99 |
5.09 |
542.26 |
0.19662 |
|
|
3# |
455.97 |
5.84 |
483.54 |
0.17112 |
|
|
4# |
459.75 |
5.62 |
497.36 |
0.17786 |
表3：电容不同温度下的参数
（3）电容信号分析：
控制PCBA上电，分析电解电容工作时的电压电流。测试温度为常温和-10℃下，测试电容上面的电压及纹波电流。结果显示，电容上面的上电电压常温和低温下无明显区别，电压410V低于电容的击穿电压，而低温下纹波电流约为7.15A，建议使用的纹波电流约为5A。
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测试状态 |
上电电压 |
纹波电流（均方根） |
|
常温 |
410V |
7.05A |
|
-10℃ |
410V |
7.15A |
表4：整机运行下电容的电压和纹波电流
图10：电容上的纹波电流（整体）
产品低温运行时电容上的纹波电流超过7A，同时由于低温下电解电容的ESR会大幅增加（约为常温的5倍）在低温下启动其承受纹波电流能力会大大降低。
由于产品的输入的纹波电流超过了器件承受值，最终导致低温环境下电解电容击穿失效。
