SCI论文（www.lunwensci.com）:
摘要：以导电性高分子混合型铝电解电容器为研究对象，研究了电解纸的耐高温特性，优选了阴极箔及研究对耐高温回流焊及寿命试验的影响，研究了添加前处理剂对产品耐高温回流焊能力的影响，对生产工艺进行了优化，研制了耐高温、低阻抗，漏电流小的导电性高分子混合型铝电解电容器。结果表明，所制电容器寿命达到4 000 h(125℃)，回流焊后漏电流满足0.01CU规格值。
关键词：导电性高分子；铝电解电容；耐高温；漏电流小；高温寿命试验
1概述
导电性高分子混合型铝电解电容器是一种新型铝电解电容器类别，结合了固态电容和液态电解电容的诸多优点，具备低漏电流、高可靠性、宽温度工作带、高频低阻等特性。与固态电容相比，混合型电容的电解质含有电解液，能提升容量引出和提高耐压，产品漏电流(ILC)能达到液态电解电容0.01CU(μA)水平；其中C为电容器标称电容量(μF)，U为额定工作电压(V)。相比液态电解电容，由于导电性高分子的电导率(>10 S/cm)远大于工作电解液的电导率(0.01 S/cm)，将其作为电解电容器的阴极可改善电解电容器的阻抗频率特性，使之具有高频低阻抗的特点[1]。目前常用的导电性高分子材料是聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)，其具有电导率高、热稳定性好、可配制成稳定的水分散液易于使用等优点[2]。混合型电容器通过电解液的修复氧化膜作用，降低产品漏电流(ILC)，提高了电容的耐压效果，既保持了固态电容低等效串联电阻(ESR)和长寿命的优点，又兼备耐冲击和自我修复能力，适用于要求器件具有耐高温、高可靠性、安全性好、低温特性优良的汽车电子应用场景。随着汽车电动化趋势增强，对导电性高分子混合型铝电解电容器耐电压、耐高温和耐纹波能力提出了更严格的要求[3]。目前，导电性高分子混合型铝电解电容器有经过回流焊和高温贮存试验后漏电流(ILC)变大，经过高温寿命试验后等效串联电阻(ESR)上升较快的问题。
本文采用优选后的阴极箔代替固态铝电解电容器常用阴极箔，可有效改善回流焊后和寿命试验后ESR上升较快的问题。通过工艺优化选择在含浸PEDOT之前含浸一种前处理剂。该前处理剂是一种硅油，具有优良的耐热、耐氧化性，可有效保护铝箔表面，提升产品应对高温回流焊能力。通过优选化学纤维材质的电解纸，提高产品耐热性，开发出耐高温、长寿命、性能优良的导电性高分子混合型铝电解电容器。
2实验
2.1实验原料
铝箔(包括阳极箔、阴极箔)、引线、电解纸、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、电解液、橡胶塞、基座、铝壳等。
2.2工艺流程
工艺流程如图1所示。
2.3实验仪器
烘箱使用爱斯佩克公司烘箱（CPV-H33）；电源设备使用南通市恒生电子有限公司电容器耐久性试验电源(SP3010A)；漏电流(ILC)测试仪器为致新精密科技有限公司漏电流测量仪(ZX6589)；电容量(C)、损耗角正切(tanδ)和等效串联电阻(ESR)测试仪器为安捷伦公司精密LCR电桥(E4980A)测量。
3阴极箔的选择
在导电性高分子铝电解电容器工艺制作过程中，需要经过高温加热处理。在此过程中，传统腐蚀法制备的阴极箔会产生腐蚀氧化，从而使电容器电容量降低，等效串联电阻(ESR)增大。而优选的C/Al复合负极箔用将碳粉做成浆料预涂覆在铝箔表面，然后再将箔片进行真空热处理，制成一种具有良好界面结力的C/Al复合阴极箔[4]。
图2为改善前的阴极箔，可看出是在光面铝基材上溅镀上一层合金与碳的混合膜层，膜层厚度较薄，高分子分散液与箔容易剥离，导致高温寿命试验过程中ESR增大，电容量降低。图3为优选的改善后阴极箔，可看出是采用轻微腐蚀箔作为基材，腐蚀程度兼顾对水系分散液的浸润性与体电阻。并且加厚了合金+碳的镀层，使其腐蚀孔内也有足够的镀层面积与高分子接触，可大幅降低导电性高分子与铝箔之间的接触电阻，阻止铝箔表面腐蚀氧化[5]。经过优化孔径，能提高导电性高分子分散液与箔的附着力，在高温耐久试验中不易腐蚀氧化，可保持更稳定的特性。
4电解纸的选择
本研究采用的电解纸选用了PET化学纤维作为原料，用来代替常用的植物纤维，在一定程度上克服了植物纤维不耐高温，不耐腐蚀的缺点。
4.1不同原料电解纸微观形貌
通过使用扫描电子显微镜(SEM)观测到不同原料电解纸的微观形貌如图4和图5所示。
从图4和图5中可以看出，改善前电解纸使用了大量纤维直径较粗的纤维素(植物纤维)，微观结构相对疏松，单根植物纤维和纤维间孔隙、空位较大。改善后电解纸使用直径较细的化学合成纤维，组织结构紧凑、致密，表面呈面状整体，无明显独立的纤维组织结构以及纤维结构间间隙，均匀性更好。同时，改善后电解纸孔隙更小，隔绝箔灰、毛刺及抗短路能力更好。
4.2不同原料电解纸热稳定性
选取改善前后相同厚度的电解纸进行热重分析测试(TGA测试)，用来测定不同温度控制下电解纸质量随温度变化曲线如图6和图7所示。
由图6和图7中可知，改善后电解纸开始分解温度300℃,改善前电解纸开始分解温度250℃。原电解纸中纤维主要由纤维素(植物纤维)组成，其中纤维素的耐热性较差，而改善后电解纸主要是由化学合成纤维组成，材质物理强度和耐热性高，耐高温和耐腐蚀特性比原电解纸优异[6]。
5前处理剂选择
近来，考虑到环境问题，在回流处理中使用无铅焊料。该焊料的熔点高于含铅焊料的熔点。与传统回流的温度相比，必须提高回流的温度。这可能导致施加到固体电解质电容器上的热应力增加、电容器膨胀以及电容器劣化[7]。导电性高分子混合型铝电解电容器绝大部分应用场景为贴片式，在安装过程中，要求电容器必须经受温度更高、时间更长的无铅回流焊[8-9]。对导电性高分子混合型铝电解电容器要求经过无铅回流焊后漏电流仍然很小，然而高温工艺对铝箔的三氧化二铝层均具有一定的破坏作用，导致产品漏电流增大。本研究在含浸导电性高分子材料前含浸一种前处理剂并烘干，可有效增强产品耐高温特性，降低产品漏电流值[10]。
前处理剂主要成分是一种甲基类有机硅树脂，具有以下优良特性：
(1)耐热性。在250℃的高温环境中也几乎不发生分解、老化和变色，可以认为该药剂在铝箔表面形成一层保护膜，保护氧化皮膜在高温下结构不会劣化。
(2)电气绝缘性能。可在较高的温度范围内发挥出电气性能，在高温环境下其电气绝缘性能也下降很小，而且因温度和频率改变导致电容率和介质损耗因素变化亦不大[11]。
表1和表2分别为改善前后的回流焊试验结果，添加前处理剂能有效降低高温回流焊后产品漏电流，大幅提升产品合格率。
回流焊试验的条件为最高温度260℃,最高温度下维持10 s，＞217℃时间满足90 s，回流焊次数为2次，每次回流焊后冷却至室温后进行电性能测试。
6工艺优化
为了提升导电性高分子混合型铝电解电容器产品的稳定性及电容器寿命，采取以下工艺优化方案：
(1)采用钉卷之后立即套胶塞工艺，能有效防止含浸过程中导电性高分子爬升到引出线焊点处，导致产品漏电流增加；
(2)采用含浸导电性高分子/含浸电解液一体化工艺，减少产品的周转工序以及时间，有利于防止水分侵入，提高产品寿命。
7铝电解电容器性能参数
通过优化阴极箔与电解纸选择，增加前处理工序，在最佳生产状态下制作了导电性高分子混合型铝电解电容器，器件在125℃4 000 h寿命试验前后电容量变化率不超过15%，阻抗比小于3；回流焊及高温贮存试验后漏电流能满足在0.01CU规格值内。
图8为125℃高温负荷寿命试验结果，产品性能参数在4 000 h之内比较稳定。
表3和表4为125℃高温贮存试验结果，产品试验前后的参数均在标准范围内。
电容量变化率应小于初始值的±20%，实测数据为-7%～-3%；损耗角正切值应小于14%，实测数据为1.2%～2.2%。25 V 100μF规格产品漏电流值应小于25.0μA，35 V 68μF规格产品漏电流值应小于23.8μA，实测数据分别为2.0μA与5.1μA。以上电容量和损耗角正切均在频率为120 Hz下测得；等效串联电阻在频率为100 kHz下测得。漏电流在施加产品额定电压充电2 min后测得，测试温度为20℃±2℃。
8结论
通过对阴极箔与电解纸优化，并通过工艺改进在含浸导电性高分子前含浸前处理剂，制备了性能稳定，回流焊后性能优良，耐高温寿命达到4 000 h(125℃)的导电性高分子混合型铝电解电容器产品。
参考文献：
[1]胡明，阎实，张之圣，等.导电高分子固体铝电解电容器的研究[J].电子元件与材料，2002(12)：4-6.
[2]宋晔，徐大伟，牛冬梅，等.一种降低PEDOT固体铝电解电容器芯子损耗和高频阻抗的方法：CN113192757A[P].2021-07-30.
[3]陈天殷.汽车铝电解电容器的应用与维护[J].汽车电器，2015(12)：42-44.
[4]潘应君，刘涛，宣圣柱，等.固体铝电解电容器用C/Al复合负极箔的研究[J].电子元件与材料，2011，30(2)：62-64.
[5]刘涛.固体铝电解电容器用碳/铝复合箔的研究[D].武汉：武汉科技大学，2012.
[6]越智贵史，石休正树，熊冈弘伦.铝电解电容器用分隔件及铝电解电容器：CN113228213B[P].2023-05-02.
[7]船桥稔，上田晃，山田胜治.固体电解质电容器及其制造方法：CN101271779B[P].2011-07-27.
[8]王安安，杨治安，艾亮，等.贴片式中高压铝电解电容器的研究[J].电子元件与材料，2016(6)：32-34.
[9]梁雅丽，黄远彬，李基森.适合无铅回流焊的片式铝电解电容器研制[J].电子元件与材料，2006，25(10):59-61.
[10]阎实，胡明，时雨荃，等.表面活性剂对导电PPY固体铝电解电容器性能的影响[J].天津大学学报，2003(5)：543-547.
[11]何腾云.铝箔表面处理对固体铝电解电容器性能的影响[J].化学工程与装备，2013(6)：47-49.
寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！ 文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/78520.html
