電解電容引腳受力的失效分析與研究

　　王少輝，楊守武，項永金（格力電器（合肥）有限公司，安徽 合肥 230088）

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202006/414832.htm

　　摘 要：家用變頻空調外機控制器主板在應用過程及售後出現電解電容拉腳故障失效突出，經過對失效品分析及大量數據統計，發現設計存在缺陷。由於電路板設計要求小型化，整體設計布局比較緊湊，但針對特殊電路，如開關電源電路、通訊電路，為了濾除低頻交流雜波，均需要使用容量較大的電解電容，由於使用物料本身的封裝高度較高，在應用過程中就導致電容引腳受力，最終出現輸出電壓值小，以及短路故障，使整個電路不能正常工作。本文從電容引腳受力拉腳的失效機理、器件本身、器件實際應用電路可靠性等方面進行全面分析改善，有效解決了此故障失效。

　　關鍵詞：變頻空調；電解電容；機械應力；矮封裝；可靠性

　　0 引言

　　電解電容是電容的一種，金屬箔為正極，與正極緊貼的金屬氧化膜是電介質，陰極由導電材料、電解質和其他材料共同組成。電解電容的價格相比其它種類有壓倒性優勢，因為組成材料是普通的工業材料，價格相對低廉，比如鋁等。製造電解電容的設備也都是普通的工業設備，可以大規模生產，成本相對比較低。電解電容的使用範圍相當廣泛，有電源的應用電路往往會用到電解電容。

　　家用變頻空調外機控制器使用電解電容在應用與售後失效較突出，其中最典型問題就是生產過程導致的電解電容引腳受力。由於受PCB板設計布局，以及特定電路的影響，必須使用容量較大的電解電容，導致電解電容本身封裝本體較高，在實際應用，以及售後出現引腳受力故障，測試存在不穩定現象。控制器過程、售後控制器失效嚴重影響空調整體產品質量及用戶實際體驗效果，問題急需進行分析研究解決。

　　1 電解電容拉腳失效原因及失效機理分析

　　統計廠內與售後電解電容引腳受力故障，共計出現在2個電路中：開關電源電路與通訊電路，2個電路故障均相同，均為電容本體受力，受力方式不同，電解電容本身比周圍器件封裝高。排查生產過程發現均為受過程裝配外力導致，電容本體受力，導致電容引腳受力。解剖故障品，查看故障品鋁箔鉚接點有受力破損痕跡，導致電容電性能失效，進而影響電路電源輸出值小等故障，此類故障測試存在不穩定現象。

　　1.1 電解電容引腳受力拉腳失效產生原因

　　開關電源電路本體受力歪斜情況下，對故障件進行多次測試，測試存在不穩定現象，輕微晃動故障電容出現故障。該C58位置電容在主板上封裝比較高，從受力情況看，電容本體沒有受力痕跡，受力方向是由主板外側向內受力，可排除電容本體受外力撞擊，分析為裝配時受力擠壓導致。排查廠內生產過程發現，該機型主板四通閥4 V針座距離故障電容較近，總裝接插線插裝四通閥線時電容有本體受力，導致電容引腳傾斜，且受力方向與售後故障一致。

　　通訊電路電容本體受力歪斜情況下，裝配過程中火線連接線對電容本體有拉扯受力。此位置C0520電容設計布局靠近板邊，且周圍器件封裝均較矮，內外機連接線在其周邊，廠內周轉、裝配線時，導致電容本體受力因素較多，測試存在不穩定現象，生產過程中有的電容引腳已經拉斷，尤其過程失效較突出。

　　1.2 電解電容拉腳失效機理分析

　　電解電容內部構造平面圖如圖1所示，最外層是鋁外殼加套管，引線一直通到芯子內部，導針與芯子鉚接。目前我司所採用的電解電容，內部引子全部採用鉚接在鋁箔上的方式，引腳與芯子之間通過膠塞隔離。膠塞是非常重要的部材之一，直接與電容的密封性與穩定性有關，對引腳起到固定作用，使引腳可以承受一定程度的外力。

　　電容安裝在PCB板上，本體傾斜後，電容引腳就會受力，通過導針給芯子內部施加了較大的外力，使其內部結構發生變化，最終導致電容電性能發生變化。電容受力傾斜。

　　電容內部導針鉚接圖如圖2所示，電解電容正負極鋁箔均與導針鉚接在一起，鉚接點比較平滑，內部接觸良好。

　　電容內部導針鉚接處受力如圖4所示，鉚接處鋁箔周邊已破損，輕微破損鋁箔對電性能有影響，受力過大直接導致鉚接花瓣以及鋁箔件刺穿電解紙，造成短路或電容量小等故障。

　　2 電路設計核查與對比分析

　　失效電解電容應用於我司變頻空調外機主板上，失效位置及電路集中。在電路中主要作用是對直流電源進行濾波，濾除電源中的交流成分，使直流電壓更穩定。電容把電壓的變動轉化為電流的變化，頻率越高，峰值電流越大，從而緩衝了電壓，保證後電路電壓的穩定。濾波就是充電、放電的過程。

　　2.1 開關電源電路

　　開關電源電路輸出原理圖如圖4所示，輸出端3個電解電容的主要作用是進一步濾除電路中殘留交流成分，使其輸出直流電壓波形更平滑，保證之後電路器件能有穩定正常的工作電壓。此處電解電容主要是儲能，濾波，平滑波形作用。

　　2.2 外機控制板通訊電路

　　此外機通訊電路為強電零火線通訊，通訊原理圖如圖5所示，通訊電源為220 V交流電，經過半波整流、通過C2電解電容濾波得到平滑的直流電。此電容主要是對半波整流直流電源進行濾波、將交流成分濾波掉，使其輸出信號更平滑穩定。利用其充放電特性，使整流後的脈動直流電壓變成相對穩定的直流電壓。

　　3 電解電容引腳受力拉腳的解決方案

　　經實際應用以及驗證分析，受設計影響，生產過程應用以及裝配操作時，受外力因素不能有效控制。生產過程以及售後受外力不可控因素太多，且無法改變。採用以下3個方案均可以改善，具體如圖6所示電解電容引腳受力改善方案。

　　綜合各方面因素，如人力，裝配可操作性，節能、省成本等，確認方案1不可行，方案2可以臨時過渡，採用方案3是最有效的可靠性解決方案，且可以大面積推廣到其它相同類型主板，節省了人力與物力。採用方案3改成矮封裝電解電容現已在應用過程大批量使用，使用效果良好，應用過程以及售後再未見有此故障失效。

　　3.1 對電路設計進行改善

　　對電路設計進行改善，受PCB板布局，以及器件高度密集集中化限制，改善難度較大，等於是重新開發新的產品。重新改設計、開模，實驗驗證等周期較長，且浪費人力與物力較多，此方案不可行。

　　3.2 對電解電容處打膠

　　在生產過程中，對電容本體進行打膠處理，打膠防護如圖7所示，當受外力時，可以起到防護作用，抗外力效果顯著，受電容封裝較高限制，大的外力也會有受力隱患。打膠需要安排專人打膠，需要膠棒，且膠槍耗電較大。此改善不僅增加了人力成本，也浪費了資源，也不節能，短期使用可以。

　　3.3 開發新的電容矮封裝物料

　　在原有設計不變的情況下，開發新的物料，採用矮封裝結構，對電解電容的高度進行降低，且各項性能不發生變化。開發單個物料，其開發周期、開發進度以及後期的實驗結果均比較快，可以大面積推廣到其它同類型主板，省時省力。

　　目前已針對不同通訊電路與開關電源電路，開發出220 μF、470 μF、1 000 μF三款矮封裝電解電容，由於電路在外機控制器比較通用，現已在多個型號主板使用。如圖8所示更改前後尺寸對比圖，可以看出：更改前後封裝高度尺寸差別明顯，且均比周邊大的器件高度低，可有效杜絕電容引腳受力故障的發生。

　　4 結語

　　通過產品實際應用過程中的問題反饋信息及對器件單體及應用電路綜合分析，本文從電解電容的產品構造、工作原理、引腳受力的失效機理、失效因素、器件應用電路等方面進行分析，確定整改方向， 將電解電容引腳受力拉腳故障徹底解決。

　　參考文獻：

　　[1] 徐友龍.鋁電解電容器技術的新進展[J].電子元件與材料,2008,27(9):5-7.

　　（註：本文來源於科技期刊《電子產品世界》2020年第07期第31頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。）