余鐵松，徐 桑，宋艷春，林 海

(益陽(yáng)市產(chǎn)商品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，湖南省電容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，湖南 益陽(yáng) 413000)

固液混合鋁電解電容器的電介質(zhì)包括導(dǎo)電性高分子和液態(tài)電解液，也稱導(dǎo)電性高分子混合型鋁電解電容器。主要解決PEDOT型固態(tài)鋁電解電容器(以下簡(jiǎn)稱固態(tài)電容器)容量偏小、電壓偏低和不具備生成和修復(fù)氧化膜能力的缺點(diǎn)，導(dǎo)電性高分子混合型鋁電解電容器由于具備液態(tài)電解液，使得其具備液態(tài)鋁電解電容器的“自愈”功能，因此其產(chǎn)品可靠性更好，良品率更高。

液態(tài)鋁電解電容器使用液態(tài)電解液作為電介質(zhì)在電極表面生成和修復(fù)介質(zhì)氧化膜。但是在高溫環(huán)境下由于電解液可能與電極鋁箔發(fā)生進(jìn)一步化學(xué)反應(yīng)以及自身的熱穩(wěn)定性原因，從而導(dǎo)致電容器內(nèi)部壓力過(guò)高，容易產(chǎn)生漏電流大、漏液、溫度特性差以及極端溫度下使用壽命短等問(wèn)題[1-2]。

PEDOT型固態(tài)鋁電解電容器的開(kāi)發(fā)就是為了解決液態(tài)鋁電解電容器的所謂漏液或爆漿問(wèn)題。固態(tài)電容器就是在上述的特殊結(jié)構(gòu)中采用固態(tài)的有機(jī)半導(dǎo)體材料或?qū)щ娋酆衔锊牧献鳛殡娊赓|(zhì)。固態(tài)電容器具有較液態(tài)鋁電解電容器更低等效串聯(lián)電阻(ESR)、較好高頻特性和更好的耐熱穩(wěn)定性。但是它也有較大缺陷，比如固態(tài)電容器與液態(tài)電容器相比其工作電壓偏低、容量引出率低、不具備生成和修復(fù)介質(zhì)氧化膜的能力。因此，固態(tài)電容器在制程中如果控制不當(dāng)，產(chǎn)品易于失效，良品率往往比液態(tài)鋁電解電容器還低[3]。

固液混合鋁電解電容器兼具有液態(tài)鋁電解電容器和固態(tài)電容器的優(yōu)良特性。雖然混合電容也無(wú)法提供與傳統(tǒng)電解液電容相當(dāng)?shù)碾妷号c容量，但是卻比傳統(tǒng)的固態(tài)電容器具備對(duì)陽(yáng)極鋁箔表面的氧化膜電介質(zhì)層生成和修復(fù)的能力[4]。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

陽(yáng)極箔、陰極箔、電解紙、高分子分散液(PEDOT/PSS)、電解液、引出線、橡膠塞、鋁殼等。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

CPV-H33烘箱，愛(ài)斯佩克公司；SP3010A型電容器耐久性試驗(yàn)高頻電源，南通市恒生電子設(shè)備廠；K3W直流穩(wěn)壓電源，揚(yáng)州怡恒電源科技有限公司。

電容器的漏電流使用致新精密科技有限公司漏電流測(cè)量?jī)x(ZX6589)，漏電流測(cè)試數(shù)據(jù)均為充電30 s測(cè)得；電容量(CAP)、損耗角正切值(DF)和等效患聯(lián)電阻(ESR)使用安捷倫公司精密LCR電橋(EA980A)測(cè)量；其中電容量(CAP)和損耗角正切值(DF)在120 Hz下測(cè)得以；等效患聯(lián)電阻(ESR)在100 kHz下測(cè)得；以上測(cè)試溫度均處在(25±2)℃環(huán)境下。

1.3 固液混合鋁電解電容器的制備

制備68 μF/35 V規(guī)格的固液混合鋁電解電容器。

主要包括以下制作步驟：

(1)將正、負(fù)箔片和隔離紙裁切成指定寬度。

(2)使用釘接機(jī)將正負(fù)導(dǎo)針?lè)謩e釘接在正、負(fù)箔片上，將釘接后的箔片與隔離紙卷繞成素子。

(3)將素子點(diǎn)焊在不銹鋼鐵條上。

(4)將素子放入化成液中進(jìn)行修復(fù)處理，修復(fù)后烘干。

(5)焊接后的素子含浸高分子分散液，含浸完高分子分散液的素子烘干。

(6)將烘干后的素子含浸電解液。

(7)將含浸后的產(chǎn)品裝配膠塞和鋁殼進(jìn)行組立。

(8)將組立后的半成品電容器老化充電形成[5]。

1.4 對(duì)比分析

選取以上制備工藝制作的固液混合電容器與相同規(guī)格的固態(tài)電容器及液態(tài)電容器進(jìn)行對(duì)比分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 特性平均值對(duì)比

表1 不同種類(lèi)電容器特性平均值對(duì)比Table 1 Comparison of the average characteristics of different types of capacitors

固態(tài)電容器容量引出率在90%左右，然而導(dǎo)電性高分子混合型電容器容量引出率可達(dá)到96%左右，這在一定程度上可以降低正箔材料的使用量，一方面可以降低成本，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)素子小型化生產(chǎn)；混合型和固態(tài)電容器的ESR比液態(tài)電容器小很多[6]?；旌闲碗娙萜饔捎诮B電解液，可以修復(fù)鋁箔及導(dǎo)電性高分子層缺陷處，所以漏電流相比變得非常小[7]，接近液態(tài)電容器水平。

2.2 溫度特性

圖1 不同溫度下Cap變化對(duì)比圖Fig.1 Capacity of the temperature characteristics of different types of capacitors

圖2 不同溫度下ESR變化對(duì)比圖Fig.2 ESR of the temperature characteristics of different types of capacitors

混合型電容器溫度特性最為穩(wěn)定，在寬溫條件下，容量變化最?。辉诘蜏貤l件下容量衰減為三者中最小，ESR變化比固態(tài)電容器更大，但是比液態(tài)電容器要小很多[8]。

2.3 頻率特性

圖3 不同頻率下Cap變化對(duì)比圖Fig.3 Capacity of the frequency characteristics of different types of capacitors

圖4 不同頻率下ESR變化對(duì)比圖Fig.4 ESR of the frequency characteristics of different types of capacitors

從頻率特性來(lái)看，混合型電容器延續(xù)了固態(tài)電容器高頻特性優(yōu)良的特點(diǎn)，在高頻下ESR表現(xiàn)非常好。

2.4 高溫負(fù)載試驗(yàn)(125 ℃)

圖5 高溫負(fù)載125 ℃ Cap變化對(duì)比圖Fig.5 Cap change in high temperature load test

圖6 高溫負(fù)載125 ℃ ESR變化對(duì)比圖Fig.6 ESR change in high temperature load test

在125 ℃溫度條件下，施加產(chǎn)品額定電壓，由以上數(shù)據(jù)分析來(lái)看，混合型電容器與固態(tài)電容器相比，容量變化更小，ESR變化更大。

2.5 耐久性試驗(yàn)(125 ℃，100 kHz，1400 mA)

圖7 紋波壽命125 ℃ Cap變化對(duì)比圖Fig.7 Capacity change in in ripple current life test

由于液態(tài)電容器在125 ℃溫度條件下，無(wú)法承受1400 mA的紋波電流，所以該試驗(yàn)沒(méi)有液態(tài)電容器對(duì)比數(shù)據(jù)。

在125 ℃環(huán)境中，不超過(guò)額定電壓范圍內(nèi)印加紋波電流1400 mA，混合型電容器與固態(tài)電容相比，容量變化更小，ESR變化更大。

圖8 紋波壽命125 ℃ ESR變化對(duì)比圖Fig.8 ESR change in ripple current life test

3 結(jié) 論

固液混合鋁電解電容器相對(duì)導(dǎo)電性高分子固態(tài)電容器，具有容量引出率高，漏電流小，溫度特性優(yōu)良優(yōu)點(diǎn)，而且高頻濾波性能完全達(dá)到固態(tài)鋁電解電容器的性能，由于添加電解液存在，ESR相對(duì)較大，因此耐紋波能力比固態(tài)電容器較為遜色[9]；但在高溫回流焊、高頻振動(dòng)等會(huì)破壞導(dǎo)電性高分子結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，電解液可以對(duì)受損的導(dǎo)電性高分子膜和電介質(zhì)進(jìn)行修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)自愈的功效。電壓20 V以上的導(dǎo)電性高分子固態(tài)電容器品種容易發(fā)生漏電和短路不良，大大限制了固態(tài)鋁電解電容器市場(chǎng)的進(jìn)一步快速發(fā)展，而固液混合鋁電解電容器則可解決高電壓下易漏電和短路不良的問(wèn)題，尤其適用于電壓25～200 V 規(guī)格的產(chǎn)品生產(chǎn)[10]，因此混合型電容器在取代固態(tài)電容器尤其是在高壓應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的市場(chǎng)前景。