電解電容引腳受力的失效分析與研究

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

　　摘 要：家用變頻空調(diào)外機(jī)控制器主板在應(yīng)用過(guò)程及售后出現(xiàn)電解電容拉腳故障失效突出，經(jīng)過(guò)對(duì)失效品分析及大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在缺陷。由于電路板設(shè)計(jì)要求小型化，整體設(shè)計(jì)布局比較緊湊，但針對(duì)特殊電路，如開(kāi)關(guān)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，由于使用物料本身的封裝高度較高，在應(yīng)用過(guò)程中就導(dǎo)致電容引腳受力，最終出現(xiàn)輸出電壓值小，以及短路故障，使整個(gè)電路不能正常工作。本文從電容引腳受力拉腳的失效機(jī)理、器件本身、器件實(shí)際應(yīng)用電路可靠性等方面進(jìn)行全面分析改善，有效解決了此故障失效。

　　關(guān)鍵詞：變頻空調(diào)；電解電容；機(jī)械應(yīng)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(zhì)，陰極由導(dǎo)電材料、電解質(zhì)和其他材料共同組成。電解電容的價(jià)格相比其它種類(lèi)有壓倒性?xún)?yōu)勢(shì)，因?yàn)榻M成材料是普通的工業(yè)材料，價(jià)格相對(duì)低廉，比如鋁等。制造電解電容的設(shè)備也都是普通的工業(yè)設(shè)備，可以大規(guī)模生產(chǎn)，成本相對(duì)比較低。電解電容的使用范圍相當(dāng)廣泛，有電源的應(yīng)用電路往往會(huì)用到電解電容。

　　家用變頻空調(diào)外機(jī)控制器使用電解電容在應(yīng)用與售后失效較突出，其中最典型問(wèn)題就是生產(chǎn)過(guò)程導(dǎo)致的電解電容引腳受力。由于受PCB板設(shè)計(jì)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(dǎo)致電解電容本身封裝本體較高，在實(shí)際應(yīng)用，以及售后出現(xiàn)引腳受力故障，測(cè)試存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。控制器過(guò)程、售后控制器失效嚴(yán)重影響空調(diào)整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶(hù)實(shí)際體驗(yàn)效果，問(wèn)題急需進(jìn)行分析研究解決。

　　1 電解電容拉腳失效原因及失效機(jī)理分析

　　統(tǒng)計(jì)廠內(nèi)與售后電解電容引腳受力故障，共計(jì)出現(xiàn)在2個(gè)電路中：開(kāi)關(guān)電源電路與通訊電路，2個(gè)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?chē)骷庋b高。排查生產(chǎn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)均為受過(guò)程裝配外力導(dǎo)致，電容本體受力，導(dǎo)致電容引腳受力。解剖故障品，查看故障品鋁箔鉚接點(diǎn)有受力破損痕跡，導(dǎo)致電容電性能失效，進(jìn)而影響電路電源輸出值小等故障，此類(lèi)故障測(cè)試存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。

　　1.1 電解電容引腳受力拉腳失效產(chǎn)生原因

　　開(kāi)關(guān)電源電路本體受力歪斜情況下，對(duì)故障件進(jìn)行多次測(cè)試，測(cè)試存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，輕微晃動(dòng)故障電容出現(xiàn)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(méi)有受力痕跡，受力方向是由主板外側(cè)向內(nèi)受力，可排除電容本體受外力撞擊，分析為裝配時(shí)受力擠壓導(dǎo)致。排查廠內(nèi)生產(chǎn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，該機(jī)型主板四通閥4 V針座距離故障電容較近，總裝接插線(xiàn)插裝四通閥線(xiàn)時(shí)電容有本體受力，導(dǎo)致電容引腳傾斜，且受力方向與售后故障一致。

　　通訊電路電容本體受力歪斜情況下，裝配過(guò)程中火線(xiàn)連接線(xiàn)對(duì)電容本體有拉扯受力。此位置C0520電容設(shè)計(jì)布局靠近板邊，且周?chē)骷庋b均較矮，內(nèi)外機(jī)連接線(xiàn)在其周邊，廠內(nèi)周轉(zhuǎn)、裝配線(xiàn)時(shí)，導(dǎo)致電容本體受力因素較多，測(cè)試存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，生產(chǎn)過(guò)程中有的電容引腳已經(jīng)拉斷，尤其過(guò)程失效較突出。

　　1.2 電解電容拉腳失效機(jī)理分析

　　電解電容內(nèi)部構(gòu)造平面圖如圖1所示，最外層是鋁外殼加套管，引線(xiàn)一直通到芯子內(nèi)部，導(dǎo)針與芯子鉚接。目前我司所采用的電解電容，內(nèi)部引子全部采用鉚接在鋁箔上的方式，引腳與芯子之間通過(guò)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(wěn)定性有關(guān)，對(duì)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，本體傾斜后，電容引腳就會(huì)受力，通過(guò)導(dǎo)針給芯子內(nèi)部施加了較大的外力，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致電容電性能發(fā)生變化。電容受力傾斜。

　　電容內(nèi)部導(dǎo)針鉚接圖如圖2所示，電解電容正負(fù)極鋁箔均與導(dǎo)針鉚接在一起，鉚接點(diǎn)比較平滑，內(nèi)部接觸良好。

　　電容內(nèi)部導(dǎo)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(duì)電性能有影響，受力過(guò)大直接導(dǎo)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(shè)計(jì)核查與對(duì)比分析

　　失效電解電容應(yīng)用于我司變頻空調(diào)外機(jī)主板上，失效位置及電路集中。在電路中主要作用是對(duì)直流電源進(jìn)行濾波，濾除電源中的交流成分，使直流電壓更穩(wěn)定。電容把電壓的變動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值電流越大，從而緩沖了電壓，保證后電路電壓的穩(wěn)定。濾波就是充電、放電的過(guò)程。

　　2.1 開(kāi)關(guān)電源電路

　　開(kāi)關(guān)電源電路輸出原理圖如圖4所示，輸出端3個(gè)電解電容的主要作用是進(jìn)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，保證之后電路器件能有穩(wěn)定正常的工作電壓。此處電解電容主要是儲(chǔ)能，濾波，平滑波形作用。

　　2.2 外機(jī)控制板通訊電路

　　此外機(jī)通訊電路為強(qiáng)電零火線(xiàn)通訊，通訊原理圖如圖5所示，通訊電源為220 V交流電，經(jīng)過(guò)半波整流、通過(guò)C2電解電容濾波得到平滑的直流電。此電容主要是對(duì)半波整流直流電源進(jìn)行濾波、將交流成分濾波掉，使其輸出信號(hào)更平滑穩(wěn)定。利用其充放電特性，使整流后的脈動(dòng)直流電壓變成相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓。

　　3 電解電容引腳受力拉腳的解決方案

　　經(jīng)實(shí)際應(yīng)用以及驗(yàn)證分析，受設(shè)計(jì)影響，生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)用以及裝配操作時(shí)，受外力因素不能有效控制。生產(chǎn)過(guò)程以及售后受外力不可控因素太多，且無(wú)法改變。采用以下3個(gè)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(jié)能、省成本等，確認(rèn)方案1不可行，方案2可以臨時(shí)過(guò)渡，采用方案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(lèi)型主板，節(jié)省了人力與物力。采用方案3改成矮封裝電解電容現(xiàn)已在應(yīng)用過(guò)程大批量使用，使用效果良好，應(yīng)用過(guò)程以及售后再未見(jiàn)有此故障失效。

　　3.1 對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行改善

　　對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)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，等于是重新開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品。重新改設(shè)計(jì)、開(kāi)模，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等周期較長(zhǎng)，且浪費(fèi)人力與物力較多，此方案不可行。

　　3.2 對(duì)電解電容處打膠

　　在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)電容本體進(jìn)行打膠處理，打膠防護(hù)如圖7所示，當(dāng)受外力時(shí)，可以起到防護(hù)作用，抗外力效果顯著，受電容封裝較高限制，大的外力也會(huì)有受力隱患。打膠需要安排專(zhuān)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(fèi)了資源，也不節(jié)能，短期使用可以。

　　3.3 開(kāi)發(fā)新的電容矮封裝物料

　　在原有設(shè)計(jì)不變的情況下，開(kāi)發(fā)新的物料，采用矮封裝結(jié)構(gòu)，對(duì)電解電容的高度進(jìn)行降低，且各項(xiàng)性能不發(fā)生變化。開(kāi)發(fā)單個(gè)物料，其開(kāi)發(fā)周期、開(kāi)發(fā)進(jìn)度以及后期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均比較快，可以大面積推廣到其它同類(lèi)型主板，省時(shí)省力。

　　目前已針對(duì)不同通訊電路與開(kāi)關(guān)電源電路，開(kāi)發(fā)出220 μF、470 μF、1 000 μF三款矮封裝電解電容，由于電路在外機(jī)控制器比較通用，現(xiàn)已在多個(gè)型號(hào)主板使用。如圖8所示更改前后尺寸對(duì)比圖，可以看出：更改前后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(fā)生。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題反饋信息及對(duì)器件單體及應(yīng)用電路綜合分析，本文從電解電容的產(chǎn)品構(gòu)造、工作原理、引腳受力的失效機(jī)理、失效因素、器件應(yīng)用電路等方面進(jìn)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(xiàn)：

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

　　（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第31頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）