任职要求：
1、熟悉电源制程工艺及人工作业标准; 熟悉品管七大手法; 了解ESD 基本知识; 相关工序点检的基本知识; 制程品质运用spc 等品管手法; 熟悉常用办公软件。
2、熟悉电源产品的工艺、工序、工作原理，熟练掌握电源产品及生产工艺技术应用方面的知识; 熟悉国际质量体系专业标准。
3、能对电路失效模式做深入分析，有一定的QE 经验。
职位要求：
1、全名负责科内工作，协调科内外部工作事宜。
2、负责制程异常品质的主导以制程中ZDC 的管制。
3、组织实施和监督统计技术应用方法，并判断和分析结果。
4、组织完善品质管理程序文件和相关规范制作，并监督和实施。
5、负责督促生产工艺和相关规范的实施并减少OQC 的退货比例。
6、分析和保存工序检查的每日表单。
7、组织贯彻执行品质部经理的指示，并组织对本科室的检验技术员适当的培训。
8、组织编制质量检查及质量改进计划。
9、对客户的质量可靠性试验是对产品进行可靠性调查、分析和评价的一种手段。试验结果为故障分析、研究采取的纠正措施、判断产品是否达到指标要求提供依据。 根据可靠性统计试验所采用的方法和目的，可靠性统计试验可以分为可靠性验证试验和可靠性测定试验。可靠性测定试验是为测定可靠性特性或其量值而做的试验，通常用来提供可靠性数据。可靠性验证试验是用来验证设备的可靠性特征值是否符合其规定的可靠性要求的试验，一般将可靠性鉴定和验收试验统称为可靠性验证试验投诉进行调查处理，改善跟踪验证。*有数据了？
产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力；反之，产品或其一部分不能或将不能完成规定的功能是出故障。概括地说，产品故障少的就是可靠性高，产品的故障总数与寿命单位总数之比叫“故障率”（Failure rate），常用λ表示。例如正在运行中的100只硬碟，一年之内出了2次故障，则每个硬碟的故障率为0.02次/年。当产品的寿命服从指数分布时，其故障率的倒数就叫做帄均故障间隔时间（Mean Time Between Failures），简称MTBF 。即：
MTBF=1/λ
笔者最近看到一款可用于伺服器的WD Caviar RE2 7200 RPM 硬碟，MTBF 高达 120万小时，保修 5年。120万小时约为137年，并不是说该种硬碟每只均能工作137年不出故障。由MTBF=1/λ可知λ=1/MTBF=1/137年，即该硬碟的帄均年故障率约为0.7%，一年内，帄均1000只硬碟有7只会出故障。你的问题很难回答 我只能说MTBF 是要通过计算得出的 没有所谓的指标
帄均无故障工作时间MTBF （Mean Time Between Fail ）；是指相邻两次故障之间的帄均工作时间，也称为帄均故障间隔。它仅适用于可维修产品。同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF 。其他如可靠度、有效度、维修度、帄均维修时间等也是衡量产品可靠性水帄的一种标准，但是一般以可靠寿命失效率就足以说明产品可靠性程度了。
可以用以下理想测试来精确测试一批产品的MTBF ；即将该批产品投入使用，当该批产品全部出现故障以后（假如第1个产品的故障时间为t1，第2个产品的故障时间为t2，第n 个产品的故障时间为tn ），计算发生故障的帄均时间。1. 优秀的可靠度工程师（Reliability Engineer ）需要具备的技能和素质：1）熟知可靠度的理论：结构在规定的时间内, 在规定的条件下, 完成预定功能的能力, 它包括结构的安全性, 适用性和耐久性, 当以概率来度量时, 称可靠度.
可靠度也叫可靠性, 指的是结产品在规定的时间内, 在规定的条件下, 完成预定功能的能力, 它包括结构的安全性, 适用性和耐久性, 当以概率来度量时, 称可靠度.
根据国家标准的规定，产品的可靠度是指：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。
对产品而言，可靠度越高就越好。可靠度高的产品，可以长时间正常工作（这正是所有消费者需要得到的）；从专业术语上来说，就是产品的可靠度越高，产品可以无故障工作的时间就越长。
2）精通结构理论3）精通概率算法4）精通英语5）熟悉结构可靠度理论 6）掌握可靠度测试技能 7）能够计算可靠度指标 2. 在苏州地区一个转正后的可靠度工程师的月薪能有7000元左右！1
开关稳压电源用铝电解电容器的失效机理
王锡清
(信息产业部电子第五研究所, 广东 广州 510610)
摘 要：本文概述了开关稳压电源用铝电解电容器的工作状态和失效模式，着重讨论了开关稳压电源用铝电解电容器的开路失效和击穿失效机理。
关键词：失效模式 失效机理 铝电解电容器
中图分类号：TM535.2 文献标识码：A
Failure M echanism o f A luminium E lectrolytic C apacitor f or Switching Foltagestabilizing Power Supply
Wang Xi-Qing
( CEPREI Guangzhou 510610,China)
Abstract: This paper summarizes working state and failure mode of aluminium electrolytic
capacitor for switching v oltagestabilizing p ower supply. The disconnection and breakdown f ailure mechanism of aluminium electrolytic capacitot have been discussed on emphasis.
Keywords: failure mode, failure mechanism, aluminium electrolytic capacitor
一. 开关稳压电源的特点及其铝电解电容器的工作状态
铝电解电容器是开关稳压电源的关键电子元件，随着开关稳压电源的发展和广泛使用，用于开关稳压电源的铝电解电容器的质量、可靠性、失效模式及失效机理越来越引起电子工程界的关注。
开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源, 它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于各种通信设备、家用电器、计算机及其终端设备。 作为输入滤波和帄滑作用的铝电解电容器，它的质量和可靠性直接影响到开关电源的可靠性。一旦铝电解电容器失效，就会导致开关稳压电源的故障。
与以往用于传统的滤波电路不同, 开关稳压电源用铝电解电容器的使用条件较严酷, 它不仅要承受100Hz (全波及挢式整流时, 流经滤波电容器的纹波电流为市电工频的2倍频) 纹波大电流的冲击, 而且要承受高频(10KHz~100KHz开关频率) 大电流的冲击。
作为卷绕型芯子结构的铝电解电容器，其等效电路可以视为CLR 相串联的网络。随着频率的升高，电容器的有效电容量越来越小，而损耗角正切值却越来越大; 频率再升高时铝电解电容器的电抗呈现感抗，即在此频率下电容器已成电感器。作为电路设计师要清楚地认识到, 作为输入滤波作用的铝电解电容器，对于100Hz (市电工频的2倍频) 是一个电容器; 而对于高频开关频率 (10KHz~100KHz) 来说，往往就是一个电感器。 铝电解电容器的电抗从容抗变为感抗的频率，视电容器的外形尺寸、结构和型号规格而异，表1为开关稳压电源用几种铝电解电容器的电容量频率特性测试数据。 电容量越大其容抗变为感抗的频率越低，450V 82μF铝电解电容器到40KHz 频率仍然呈现容性，但450V 470μF铝电解电容器到20KHz 频率就呈现感性。 而对于75V12000μF铝电解电容器来说，引出线达8mm 时，频率到5KHz 就呈现感性。这是因为电容量越大，铝
箔卷绕的圈数就越多，其分布电感量就越大。因此，电路设计师在选用铝电解电容器的型号规格时一定要考虑到电容器的频率特性。
表1. 铝电解电容器电容量频率特性测试数据
开关稳压电源用铝电解电容器工作状态的另一个特点是电容器的温升厉害。这一方面是由于市电工频的纹波电流的影响，另一方面是由于高频电流（开关频率）使电容器发热；在实验室室温条件下对450V 470μF铝电解电容器进行施加纹波电流的实验, 施加1.5A 纹波电流时电容器外壳表面温升为7℃,,施加1.8A 纹波电流时电容器外壳表面温升为9℃, 施加2A 纹波电流时电容器外壳表面温升为14℃。 上述实验数据表明用于开关稳压电源的铝电解电容器温升很厉害，这还不包括高频成分电流产生的温升。
二. 开关稳压电源用铝电解电容器的失效模式
开关稳压电源用铝电解电容器的失效模式有击穿失效、开路失效、漏液失效及电参数超差失效，下面举例说明。
2.1击穿失效
开关稳压电源用铝电解电容器的击穿失效分为介质击穿和热击穿二种类型。
铝电解电容器发生介质击穿最主要的特征是阳极铝箔有明显的击穿点，击穿点往往烧通阳极铝箔形成空洞，高压铝电解电容器介质击穿时还会烧通衬垫纸和阴极箔。
热击穿是开关稳压电源用铝电解电容器经常发生的另一种击穿失效形式。对于大功率和大电流输出的开关稳压电源用铝电解电容器, 热击穿失效常占一定比例。
2.2开路失效
电腐蚀导致铝引出条断裂和电容器芯子干涸，是开关稳压电源用铝电解电容器开路失效的主要失效模式。 八十年代起, 我国彩电用铝电解电容器开始国产化，当时国内电子元件学术界对阳极引线导针腐蚀断裂使得电容器正极端引出线(引出箔) 开路失效机理进行了认真的研究。国内铝电解电容器同行进行了技术攻关, 已经基本解决了这一技术问题。然而近几年来五所研究分析中心受理的元件失效分析任务中，又发现多起开关稳压电源用铝电解电容器开路失效的失效模式。这一情况, 必须引起我们高度重视。
电容器芯子干涸，是导致开关稳压电源用铝电解电容器开路失效的另一类失效模式。而铝壳空腔内的高气压和漏液是产生电容器芯子干涸的根源。
2.3漏液失效
漏液是开关稳压电源用铝电解电容器常见的失效模式，由于使用环境及工作状态较严酷，常发生漏液失效。
2.4电参数超差失效
开关稳压电源用铝电解电容器在使用中最常见的失效模式是电容量减少、漏电流增大及损耗角正切值增大。
三. 开关稳压电源用铝电解电容器的失效机理
3.1击穿失效机理
1为400V 图 330μF高压铝电解电容器击穿失效样品芯子内层阳极铝箔展开后的形貌，在铝箔边缘有一小块黑色的部位就是阳极铝箔的击穿点。(由于铝箔较脆, 电容器芯子内层的曲率半径小, 电容器芯子展开时阳极铝箔断裂) 。
图2为图1所示样品阳极铝箔击穿部位相对应的电容器纸和阴极铝箔展开后的形貌。在电容器纸和阴极铝箔边缘有击穿空洞，击穿过程中强大的电流由阳极箔击穿阳极氧化膜通过电容器隔离纸飞弧至阴极箔。击穿过程中的高温将电容器纸和阴极铝箔烧熔形成空洞。电容器纸和阴极铝箔边缘各有三个击穿空洞，这是将卷绕形电容器芯子展开后的情形；实际上卷绕后三个击穿空洞都在一个部位。
对击穿失效样品阳极铝箔击穿部位进行了扫描电子显微分析及电子能谱分析，电子能谱分析结果表明，击穿部位有少量的铁杂质。铝电解电容器的介质是阳极铝箔表面的三氧化二铝氧化膜。当介质氧化膜表面含有杂质时, 就降低了电介质的介电性能及耐压性能；导致电容器的漏电流增大。在高电压作用下电流集中在介质氧化膜缺陷部位, 最终导致电容器的击穿。
开关稳压电源用铝电解电容器的热击穿是经常发生的击穿失效形式。图3为75V─12000μF热击穿失效样品电容器芯子的形貌，击穿时的高温将电容器纸碳化。
对于大功率和大电流输出的开关稳压电源用铝电解电容器，电容器芯子发热厉害，高温使得介质氧化膜的介电性能下降，对于原来介质氧化膜有缺陷、漏电流和损耗角正切值较大的铝电解电容器，高温使得氧化膜的介电性能进一步劣化，使得电容器漏电流增大及损耗角正切值增加，导致电容器芯子发热进一步加剧，如此不断循环，最终将电容器烧毁。
导致铝电解电容器热击穿失效的另一个原因是电网电压的异常被动造成的，当输入电压升高时，不仅使电容器二端的电压升高，而且有很大的浪涌电流流经电容器，如果持续时间较长或者频繁的电压被动会使电容器芯子的发热加剧，严重时将电容器烧毁，铝外壳烧通；如图4失效样品外观形貌所示的那样。
3.2开路失效机理
图5 为450V─82μF铝电解电容器电化学腐蚀使正极引出铝箔腐蚀断裂、导致电容器开路失效样品形貌，
图6为450V─470μF铝电解电容器电容器芯子干涸导致开路失效样品形貌。
产生正极引出铝箔腐蚀断裂导致铝电解电容器开路的原因是电化学腐蚀引起的。
氯离子是铝电解电容器危害最严重的杂质离子, 在有水存在的酸性工作电解液中，会发生电容器阳极引出线(引出箔) 的电化学腐蚀：
－ 在阳极，2H 2O Õ O2＋4H ＋4e (3.1)
＋－ H 2O Ö H＋ OH (3.2)
＋－ 在阴极，2H ＋2e ÕH2 (3.3)
上述三种化学反应是众所周知的，水电解成氧和氢（或氢和氢氧根离子〕。电容器工作电解液中含 有一定比例的水分, 在电场作用下，铝被腐蚀放出电子：
H 2O
3＋－ A l Al ＋3e (3.4)
－ 当电容器芯子或工作电解液中含有氯离子时, 由于氯离子是阴离子( Cl), 在电场作用下氯离子趋向电容器的
阳极，与电容器阳极铝引出线(或引出箔) 反应生成氯化铝：
3＋－ A l ＋3Cl AlCl3 (3.5)
在存在水情况下，氯离子会与电容器阳极铝引出线(或引出箔) 反应生成六水氯化铝：
3＋－ A l ＋3Cl ＋6H 2O AlCl3 • 6H2O (3.6)
氢氧根负离子在电场作用下趋向电容器的正极，与氯化铝 （AlCl 3) 发生化合反应形成氢氧化铝和氯离子:
-－ AlCl 3 +3OH Al(OH)3＋3Cl (3.7)
化学反应生成的氯离子继续腐蚀阳极铝引出线(或引出箔), 如此不断循环。所以少量氯离子的存在都会使电容器正极引出线(或引出箔) 产生大量腐蚀。直至将阳极引出线腐蚀断裂, 导致电容器的开路失效。
此外, 电化学腐蚀过程同时在正极引线导针与阳极铝箔铆接部位进行, 氯离子在电场作用下趋向电容器的正极，与正极引线导针与阳极铝箔铆接部位的阳极铝箔表面电介质Al 2O 3反应生成氯化铝和氧气, 导致该部位的阳极铝箔产生腐蚀:
2Al 2O 3＋12Cl 4AlCl3 + 3O2 (3.8)
＋－ AlCl 3 ＋ 3H 2O AL(OH)3＋3H ＋3Cl (3.9)
－ － 反应(3.9)生成的Cl 又参与(3.5)和(3.8)的化学反应, 直至完全耗尽。通过这种连锁反应, 少量氯离子Cl 的存在
就会导致铝引出线和电介质三氧化二铝的大量腐蚀。
工作电解液中的氯离子在电场作用下趋向阳极，由于阳极引出线(或引出箔) 处的电流密度最大, 电化学腐蚀效应首先就在阳极引线导针和阳极引线导针与阳极铝箔铆接部位发生。在长期的电化学腐蚀作用下，就导致阳极引出线(或引出箔) 处逐渐腐蚀, 在阳极引出线(或引出箔) 与阳极铝箔铆接部位产生腐蚀断裂。
除了电化学腐蚀导致开路外, 电容器芯子干涸同样会导致铝电解电容器开路失效。
铝电解电容器的阴极是具有一定粘度的液体电解质。结构设计上采用阳极箔及阴极箔之间的隔离电容器纸吸附工作电解液，铝电解电容器在使用条件下，实际上是一个电解槽，所以使用期间时刻会有气体产生。气体的产生量取决于电极的电位和漏电流的大小，工作电压越高、漏电流越大的电容器产生的气体越多。另外，
3根据法拉第定律可知，电解作用产生气体的速率为0.6cm /mA小时。电容器的漏电流越大、使用的时间越长，
则产生的气体就越多；气体的积累使得铝壳内部的压力逐渐增大。此外，开关稳压电源用铝电解电容器由于有较大的纹波电流通过，使得电容器芯子发热。根据热力学定律，电容器芯子发热使得铝壳内部空腔气体压
力进一步增加。铝壳内部空腔高气压作用于电容器芯子，将电容器芯子电容器纸吸附的电解液挤干，使得电容器芯子干涸，导致铝电解电容器开路。
收稿日期: 2002-1-16 作者简介：王锡清（1941－ ）, 男, 江苏宜兴人, 信息产业部电子第五研究所高级工程师, 长期从事电子元件失效机理研究和电子元件可靠性快速评价方法研究工作。第一单元、常用的可靠性指标及客户可靠性要求的分解
1. 常用的可靠性指标(30min)
可靠度、不可靠度、瞬时失效率、保证寿命、帄均寿命、特征寿命、帄均修复时间、有效度。
2. 可靠性与MTBF 的理解(30min)
一个电表的故事
3. 客户可靠性要求的分解(30min)
第二单、可靠性模型的建立(30min)
第三单、可靠性预计(60min)
1. GJB 可靠性预计法
2. 广州地铁电源系统的可靠性模型和预计
第四单元、电子可靠性设计(200min)
1. 可靠性设计的思路
设计失败的案例
2. 某型计算机可靠性设计缺陷分析
3. 降额设计
4. 储备（冗余）设计
5. 潜在通路分析
案例1、潜在通路
案例2、潜在时间
案例3、潜在标志
案例4、潜在指示
地铁上紧急按钮的潜在指示
6. 电子产品热设计
1) 温度对电子设备可靠性的影响
2) 电子设备热的来源
3) 热设计的目的
4) 热设计的程序
5) 热设计中元器件布局案例
案例
6) 热设计中元器件的安装原则
安装失误案例
7) 鼓风机的选择与安装
8) 冷却剂流道设计
9) 改善热设计的方法及案例
案例1、密封电子设备
案例2、机载电子设备
7. 软件可靠设计技巧与管理
软件可靠设计案例
第五单元、元器件的常见的失效模式及预防对策(120min)
①阻容元件常见的失效模式及预防对策
案例
②二极管三极管常见的失效模式及预防对策
案例
③机电元件常见的失效模式及预防对策
案例
④集成电路常见的失效模式及预防对策
案例
⑤防浪涌设计
案例
⑥防闩锁设计
案例
⑦ESD 防护
案例
第六单元、可靠性试验
1. 可靠性试验及其分类(10min)
2. 可靠性测定试验(30min)
点估计
区间估计
3. 可靠性鉴定试验(30min)
1) 试验大纲
2) 试验条件
3) 试验样品
4) 一次抽样检验方案的基本原理
5) 案例分析
4.HALT/HASS试验(30min)
1)HALT 和HASS 的概念与应用范围
2) 高加速的基本原理
3)HALT/HASS试验过程及方法
4) 开展HALT 和HASS 的几点看法
5. 加速寿命实验(30min)
1) 寿命试验的分类
2) 寿命试验的测试点
3) 寿命试验的数据处理
4) 加速寿命试验的理论依据
5) 加速应力的选择
6) 样品数量的选择
7) 激活能的计算
8) 双应力加速实验法
6. 可靠性实验案例介绍(70min)
案例1、已知置信度和MTBF 时的实验测定
案例2、已知置信度和可靠度时的实验测定
案例3、案例加速寿命实验测定法
案例4、激活能的测定
第七单元、咨询与答疑（30min ）
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讲师介绍：张老师
中国可靠性实战知名专家，高级工程师，获硕士学位。曾在深圳某通信公司从事产品设计，曾主持低频治疗仪、通信机、日立电梯对讲系统的设计。具有丰富的硬件设计经验。1994 邀请加入中国最权威的可靠性试验室，从事电子产品测试、试验和可靠性技术研究等领域的学术带头工作。在此试验室一直从事电子元器件和设备的可靠性工作。负责了五个国家重点工程的可靠性工作，开展电子设备可靠性预计、可靠性设计、可靠性分析等工作，主持了GJB/Z299《电子设备可靠性预计手册》关键技术研究，并相继发布了A 、B 版。编写了《可靠性建模与分配》，《可靠性预计技术》、《可靠性设计技术》、《故障模式、效应及危害性分析（FMECA ）》、《故障树分析(FTA)》、《工程用元器件质量管理》等有创新性的培训课题。
张老师是《以可靠性为中心的质量设计、分析和控制》一书的作者，是GJB/z299《电子设备可靠预计手册》、GB/T7829《故障树分析（FTA ）》等标准的制订负责人。张老师具有中国质量工程师培训执教资格，是《环境试验》《电子产品可靠性与其试验》编委。
张老师具有丰富的产品设计经验和产品测试实践以及深厚的可靠性理论基础。曾为地铁2号线电源系统及科利公司完成可靠性、维修性设计建议书，为康佳、TCL 、美的、科龙、电子36所、34所、54所、44所、26所进行过可靠性内训授课和咨询；为我国电子行业技术人员进行了近百次公开可靠性设计、可靠性预计、3F 方法、元器件优选等方面的技术培训。应邀赴韩国参加韩国信赖性学会成立大会，并代表中国专家在大会演讲。
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1、熟悉电源制程工艺及人工作业标准; 熟悉品管七大手法; 了解ESD 基本知识; 相关工序点检的基本知识; 制程品质运用spc 等品管手法; 熟悉常用办公软件。
2、熟悉电源产品的工艺、工序、工作原理，熟练掌握电源产品及生产工艺技术应用方面的知识; 熟悉国际质量体系专业标准。
3、能对电路失效模式做深入分析，有一定的QE 经验。
职位要求：
1、全名负责科内工作，协调科内外部工作事宜。
2、负责制程异常品质的主导以制程中ZDC 的管制。
3、组织实施和监督统计技术应用方法，并判断和分析结果。
4、组织完善品质管理程序文件和相关规范制作，并监督和实施。
5、负责督促生产工艺和相关规范的实施并减少OQC 的退货比例。
6、分析和保存工序检查的每日表单。
7、组织贯彻执行品质部经理的指示，并组织对本科室的检验技术员适当的培训。
8、组织编制质量检查及质量改进计划。
9、对客户的质量可靠性试验是对产品进行可靠性调查、分析和评价的一种手段。试验结果为故障分析、研究采取的纠正措施、判断产品是否达到指标要求提供依据。 根据可靠性统计试验所采用的方法和目的，可靠性统计试验可以分为可靠性验证试验和可靠性测定试验。可靠性测定试验是为测定可靠性特性或其量值而做的试验，通常用来提供可靠性数据。可靠性验证试验是用来验证设备的可靠性特征值是否符合其规定的可靠性要求的试验，一般将可靠性鉴定和验收试验统称为可靠性验证试验投诉进行调查处理，改善跟踪验证。*有数据了？
产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力；反之，产品或其一部分不能或将不能完成规定的功能是出故障。概括地说，产品故障少的就是可靠性高，产品的故障总数与寿命单位总数之比叫“故障率”（Failure rate），常用λ表示。例如正在运行中的100只硬碟，一年之内出了2次故障，则每个硬碟的故障率为0.02次/年。当产品的寿命服从指数分布时，其故障率的倒数就叫做帄均故障间隔时间（Mean Time Between Failures），简称MTBF 。即：
MTBF=1/λ
笔者最近看到一款可用于伺服器的WD Caviar RE2 7200 RPM 硬碟，MTBF 高达 120万小时，保修 5年。120万小时约为137年，并不是说该种硬碟每只均能工作137年不出故障。由MTBF=1/λ可知λ=1/MTBF=1/137年，即该硬碟的帄均年故障率约为0.7%，一年内，帄均1000只硬碟有7只会出故障。你的问题很难回答 我只能说MTBF 是要通过计算得出的 没有所谓的指标
帄均无故障工作时间MTBF （Mean Time Between Fail ）；是指相邻两次故障之间的帄均工作时间，也称为帄均故障间隔。它仅适用于可维修产品。同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF 。其他如可靠度、有效度、维修度、帄均维修时间等也是衡量产品可靠性水帄的一种标准，但是一般以可靠寿命失效率就足以说明产品可靠性程度了。
可以用以下理想测试来精确测试一批产品的MTBF ；即将该批产品投入使用，当该批产品全部出现故障以后（假如第1个产品的故障时间为t1，第2个产品的故障时间为t2，第n 个产品的故障时间为tn ），计算发生故障的帄均时间。1. 优秀的可靠度工程师（Reliability Engineer ）需要具备的技能和素质：1）熟知可靠度的理论：结构在规定的时间内, 在规定的条件下, 完成预定功能的能力, 它包括结构的安全性, 适用性和耐久性, 当以概率来度量时, 称可靠度.
可靠度也叫可靠性, 指的是结产品在规定的时间内, 在规定的条件下, 完成预定功能的能力, 它包括结构的安全性, 适用性和耐久性, 当以概率来度量时, 称可靠度.
根据国家标准的规定，产品的可靠度是指：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。
对产品而言，可靠度越高就越好。可靠度高的产品，可以长时间正常工作（这正是所有消费者需要得到的）；从专业术语上来说，就是产品的可靠度越高，产品可以无故障工作的时间就越长。
2）精通结构理论3）精通概率算法4）精通英语5）熟悉结构可靠度理论 6）掌握可靠度测试技能 7）能够计算可靠度指标 2. 在苏州地区一个转正后的可靠度工程师的月薪能有7000元左右！1
开关稳压电源用铝电解电容器的失效机理
王锡清
(信息产业部电子第五研究所, 广东 广州 510610)
摘 要：本文概述了开关稳压电源用铝电解电容器的工作状态和失效模式，着重讨论了开关稳压电源用铝电解电容器的开路失效和击穿失效机理。
关键词：失效模式 失效机理 铝电解电容器
中图分类号：TM535.2 文献标识码：A
Failure M echanism o f A luminium E lectrolytic C apacitor f or Switching Foltagestabilizing Power Supply
Wang Xi-Qing
( CEPREI Guangzhou 510610,China)
Abstract: This paper summarizes working state and failure mode of aluminium electrolytic
capacitor for switching v oltagestabilizing p ower supply. The disconnection and breakdown f ailure mechanism of aluminium electrolytic capacitot have been discussed on emphasis.
Keywords: failure mode, failure mechanism, aluminium electrolytic capacitor
一. 开关稳压电源的特点及其铝电解电容器的工作状态
铝电解电容器是开关稳压电源的关键电子元件，随着开关稳压电源的发展和广泛使用，用于开关稳压电源的铝电解电容器的质量、可靠性、失效模式及失效机理越来越引起电子工程界的关注。
开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源, 它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于各种通信设备、家用电器、计算机及其终端设备。 作为输入滤波和帄滑作用的铝电解电容器，它的质量和可靠性直接影响到开关电源的可靠性。一旦铝电解电容器失效，就会导致开关稳压电源的故障。
与以往用于传统的滤波电路不同, 开关稳压电源用铝电解电容器的使用条件较严酷, 它不仅要承受100Hz (全波及挢式整流时, 流经滤波电容器的纹波电流为市电工频的2倍频) 纹波大电流的冲击, 而且要承受高频(10KHz~100KHz开关频率) 大电流的冲击。
作为卷绕型芯子结构的铝电解电容器，其等效电路可以视为CLR 相串联的网络。随着频率的升高，电容器的有效电容量越来越小，而损耗角正切值却越来越大; 频率再升高时铝电解电容器的电抗呈现感抗，即在此频率下电容器已成电感器。作为电路设计师要清楚地认识到, 作为输入滤波作用的铝电解电容器，对于100Hz (市电工频的2倍频) 是一个电容器; 而对于高频开关频率 (10KHz~100KHz) 来说，往往就是一个电感器。 铝电解电容器的电抗从容抗变为感抗的频率，视电容器的外形尺寸、结构和型号规格而异，表1为开关稳压电源用几种铝电解电容器的电容量频率特性测试数据。 电容量越大其容抗变为感抗的频率越低，450V 82μF铝电解电容器到40KHz 频率仍然呈现容性，但450V 470μF铝电解电容器到20KHz 频率就呈现感性。 而对于75V12000μF铝电解电容器来说，引出线达8mm 时，频率到5KHz 就呈现感性。这是因为电容量越大，铝
箔卷绕的圈数就越多，其分布电感量就越大。因此，电路设计师在选用铝电解电容器的型号规格时一定要考虑到电容器的频率特性。
表1. 铝电解电容器电容量频率特性测试数据
开关稳压电源用铝电解电容器工作状态的另一个特点是电容器的温升厉害。这一方面是由于市电工频的纹波电流的影响，另一方面是由于高频电流（开关频率）使电容器发热；在实验室室温条件下对450V 470μF铝电解电容器进行施加纹波电流的实验, 施加1.5A 纹波电流时电容器外壳表面温升为7℃,,施加1.8A 纹波电流时电容器外壳表面温升为9℃, 施加2A 纹波电流时电容器外壳表面温升为14℃。 上述实验数据表明用于开关稳压电源的铝电解电容器温升很厉害，这还不包括高频成分电流产生的温升。
二. 开关稳压电源用铝电解电容器的失效模式
开关稳压电源用铝电解电容器的失效模式有击穿失效、开路失效、漏液失效及电参数超差失效，下面举例说明。
2.1击穿失效
开关稳压电源用铝电解电容器的击穿失效分为介质击穿和热击穿二种类型。
铝电解电容器发生介质击穿最主要的特征是阳极铝箔有明显的击穿点，击穿点往往烧通阳极铝箔形成空洞，高压铝电解电容器介质击穿时还会烧通衬垫纸和阴极箔。
热击穿是开关稳压电源用铝电解电容器经常发生的另一种击穿失效形式。对于大功率和大电流输出的开关稳压电源用铝电解电容器, 热击穿失效常占一定比例。
2.2开路失效
电腐蚀导致铝引出条断裂和电容器芯子干涸，是开关稳压电源用铝电解电容器开路失效的主要失效模式。 八十年代起, 我国彩电用铝电解电容器开始国产化，当时国内电子元件学术界对阳极引线导针腐蚀断裂使得电容器正极端引出线(引出箔) 开路失效机理进行了认真的研究。国内铝电解电容器同行进行了技术攻关, 已经基本解决了这一技术问题。然而近几年来五所研究分析中心受理的元件失效分析任务中，又发现多起开关稳压电源用铝电解电容器开路失效的失效模式。这一情况, 必须引起我们高度重视。
电容器芯子干涸，是导致开关稳压电源用铝电解电容器开路失效的另一类失效模式。而铝壳空腔内的高气压和漏液是产生电容器芯子干涸的根源。
2.3漏液失效
漏液是开关稳压电源用铝电解电容器常见的失效模式，由于使用环境及工作状态较严酷，常发生漏液失效。
2.4电参数超差失效
开关稳压电源用铝电解电容器在使用中最常见的失效模式是电容量减少、漏电流增大及损耗角正切值增大。
三. 开关稳压电源用铝电解电容器的失效机理
3.1击穿失效机理
1为400V 图 330μF高压铝电解电容器击穿失效样品芯子内层阳极铝箔展开后的形貌，在铝箔边缘有一小块黑色的部位就是阳极铝箔的击穿点。(由于铝箔较脆, 电容器芯子内层的曲率半径小, 电容器芯子展开时阳极铝箔断裂) 。
图2为图1所示样品阳极铝箔击穿部位相对应的电容器纸和阴极铝箔展开后的形貌。在电容器纸和阴极铝箔边缘有击穿空洞，击穿过程中强大的电流由阳极箔击穿阳极氧化膜通过电容器隔离纸飞弧至阴极箔。击穿过程中的高温将电容器纸和阴极铝箔烧熔形成空洞。电容器纸和阴极铝箔边缘各有三个击穿空洞，这是将卷绕形电容器芯子展开后的情形；实际上卷绕后三个击穿空洞都在一个部位。
对击穿失效样品阳极铝箔击穿部位进行了扫描电子显微分析及电子能谱分析，电子能谱分析结果表明，击穿部位有少量的铁杂质。铝电解电容器的介质是阳极铝箔表面的三氧化二铝氧化膜。当介质氧化膜表面含有杂质时, 就降低了电介质的介电性能及耐压性能；导致电容器的漏电流增大。在高电压作用下电流集中在介质氧化膜缺陷部位, 最终导致电容器的击穿。
开关稳压电源用铝电解电容器的热击穿是经常发生的击穿失效形式。图3为75V─12000μF热击穿失效样品电容器芯子的形貌，击穿时的高温将电容器纸碳化。
对于大功率和大电流输出的开关稳压电源用铝电解电容器，电容器芯子发热厉害，高温使得介质氧化膜的介电性能下降，对于原来介质氧化膜有缺陷、漏电流和损耗角正切值较大的铝电解电容器，高温使得氧化膜的介电性能进一步劣化，使得电容器漏电流增大及损耗角正切值增加，导致电容器芯子发热进一步加剧，如此不断循环，最终将电容器烧毁。
导致铝电解电容器热击穿失效的另一个原因是电网电压的异常被动造成的，当输入电压升高时，不仅使电容器二端的电压升高，而且有很大的浪涌电流流经电容器，如果持续时间较长或者频繁的电压被动会使电容器芯子的发热加剧，严重时将电容器烧毁，铝外壳烧通；如图4失效样品外观形貌所示的那样。
3.2开路失效机理
图5 为450V─82μF铝电解电容器电化学腐蚀使正极引出铝箔腐蚀断裂、导致电容器开路失效样品形貌，
图6为450V─470μF铝电解电容器电容器芯子干涸导致开路失效样品形貌。
产生正极引出铝箔腐蚀断裂导致铝电解电容器开路的原因是电化学腐蚀引起的。
氯离子是铝电解电容器危害最严重的杂质离子, 在有水存在的酸性工作电解液中，会发生电容器阳极引出线(引出箔) 的电化学腐蚀：
－ 在阳极，2H 2O Õ O2＋4H ＋4e (3.1)
＋－ H 2O Ö H＋ OH (3.2)
＋－ 在阴极，2H ＋2e ÕH2 (3.3)
上述三种化学反应是众所周知的，水电解成氧和氢（或氢和氢氧根离子〕。电容器工作电解液中含 有一定比例的水分, 在电场作用下，铝被腐蚀放出电子：
H 2O
3＋－ A l Al ＋3e (3.4)
－ 当电容器芯子或工作电解液中含有氯离子时, 由于氯离子是阴离子( Cl), 在电场作用下氯离子趋向电容器的
阳极，与电容器阳极铝引出线(或引出箔) 反应生成氯化铝：
3＋－ A l ＋3Cl AlCl3 (3.5)
在存在水情况下，氯离子会与电容器阳极铝引出线(或引出箔) 反应生成六水氯化铝：
3＋－ A l ＋3Cl ＋6H 2O AlCl3 • 6H2O (3.6)
氢氧根负离子在电场作用下趋向电容器的正极，与氯化铝 （AlCl 3) 发生化合反应形成氢氧化铝和氯离子:
-－ AlCl 3 +3OH Al(OH)3＋3Cl (3.7)
化学反应生成的氯离子继续腐蚀阳极铝引出线(或引出箔), 如此不断循环。所以少量氯离子的存在都会使电容器正极引出线(或引出箔) 产生大量腐蚀。直至将阳极引出线腐蚀断裂, 导致电容器的开路失效。
此外, 电化学腐蚀过程同时在正极引线导针与阳极铝箔铆接部位进行, 氯离子在电场作用下趋向电容器的正极，与正极引线导针与阳极铝箔铆接部位的阳极铝箔表面电介质Al 2O 3反应生成氯化铝和氧气, 导致该部位的阳极铝箔产生腐蚀:
2Al 2O 3＋12Cl 4AlCl3 + 3O2 (3.8)
＋－ AlCl 3 ＋ 3H 2O AL(OH)3＋3H ＋3Cl (3.9)
－ － 反应(3.9)生成的Cl 又参与(3.5)和(3.8)的化学反应, 直至完全耗尽。通过这种连锁反应, 少量氯离子Cl 的存在
就会导致铝引出线和电介质三氧化二铝的大量腐蚀。
工作电解液中的氯离子在电场作用下趋向阳极，由于阳极引出线(或引出箔) 处的电流密度最大, 电化学腐蚀效应首先就在阳极引线导针和阳极引线导针与阳极铝箔铆接部位发生。在长期的电化学腐蚀作用下，就导致阳极引出线(或引出箔) 处逐渐腐蚀, 在阳极引出线(或引出箔) 与阳极铝箔铆接部位产生腐蚀断裂。
除了电化学腐蚀导致开路外, 电容器芯子干涸同样会导致铝电解电容器开路失效。
铝电解电容器的阴极是具有一定粘度的液体电解质。结构设计上采用阳极箔及阴极箔之间的隔离电容器纸吸附工作电解液，铝电解电容器在使用条件下，实际上是一个电解槽，所以使用期间时刻会有气体产生。气体的产生量取决于电极的电位和漏电流的大小，工作电压越高、漏电流越大的电容器产生的气体越多。另外，
3根据法拉第定律可知，电解作用产生气体的速率为0.6cm /mA小时。电容器的漏电流越大、使用的时间越长，
则产生的气体就越多；气体的积累使得铝壳内部的压力逐渐增大。此外，开关稳压电源用铝电解电容器由于有较大的纹波电流通过，使得电容器芯子发热。根据热力学定律，电容器芯子发热使得铝壳内部空腔气体压
力进一步增加。铝壳内部空腔高气压作用于电容器芯子，将电容器芯子电容器纸吸附的电解液挤干，使得电容器芯子干涸，导致铝电解电容器开路。
收稿日期: 2002-1-16 作者简介：王锡清（1941－ ）, 男, 江苏宜兴人, 信息产业部电子第五研究所高级工程师, 长期从事电子元件失效机理研究和电子元件可靠性快速评价方法研究工作。第一单元、常用的可靠性指标及客户可靠性要求的分解
1. 常用的可靠性指标(30min)
可靠度、不可靠度、瞬时失效率、保证寿命、帄均寿命、特征寿命、帄均修复时间、有效度。
2. 可靠性与MTBF 的理解(30min)
一个电表的故事
3. 客户可靠性要求的分解(30min)
第二单、可靠性模型的建立(30min)
第三单、可靠性预计(60min)
1. GJB 可靠性预计法
2. 广州地铁电源系统的可靠性模型和预计
第四单元、电子可靠性设计(200min)
1. 可靠性设计的思路
设计失败的案例
2. 某型计算机可靠性设计缺陷分析
3. 降额设计
4. 储备（冗余）设计
5. 潜在通路分析
案例1、潜在通路
案例2、潜在时间
案例3、潜在标志
案例4、潜在指示
地铁上紧急按钮的潜在指示
6. 电子产品热设计
1) 温度对电子设备可靠性的影响
2) 电子设备热的来源
3) 热设计的目的
4) 热设计的程序
5) 热设计中元器件布局案例
案例
6) 热设计中元器件的安装原则
安装失误案例
7) 鼓风机的选择与安装
8) 冷却剂流道设计
9) 改善热设计的方法及案例
案例1、密封电子设备
案例2、机载电子设备
7. 软件可靠设计技巧与管理
软件可靠设计案例
第五单元、元器件的常见的失效模式及预防对策(120min)
①阻容元件常见的失效模式及预防对策
案例
②二极管三极管常见的失效模式及预防对策
案例
③机电元件常见的失效模式及预防对策
案例
④集成电路常见的失效模式及预防对策
案例
⑤防浪涌设计
案例
⑥防闩锁设计
案例
⑦ESD 防护
案例
第六单元、可靠性试验
1. 可靠性试验及其分类(10min)
2. 可靠性测定试验(30min)
点估计
区间估计
3. 可靠性鉴定试验(30min)
1) 试验大纲
2) 试验条件
3) 试验样品
4) 一次抽样检验方案的基本原理
5) 案例分析
4.HALT/HASS试验(30min)
1)HALT 和HASS 的概念与应用范围
2) 高加速的基本原理
3)HALT/HASS试验过程及方法
4) 开展HALT 和HASS 的几点看法
5. 加速寿命实验(30min)
1) 寿命试验的分类
2) 寿命试验的测试点
3) 寿命试验的数据处理
4) 加速寿命试验的理论依据
5) 加速应力的选择
6) 样品数量的选择
7) 激活能的计算
8) 双应力加速实验法
6. 可靠性实验案例介绍(70min)
案例1、已知置信度和MTBF 时的实验测定
案例2、已知置信度和可靠度时的实验测定
案例3、案例加速寿命实验测定法
案例4、激活能的测定
第七单元、咨询与答疑（30min ）
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讲师介绍：张老师
中国可靠性实战知名专家，高级工程师，获硕士学位。曾在深圳某通信公司从事产品设计，曾主持低频治疗仪、通信机、日立电梯对讲系统的设计。具有丰富的硬件设计经验。1994 邀请加入中国最权威的可靠性试验室，从事电子产品测试、试验和可靠性技术研究等领域的学术带头工作。在此试验室一直从事电子元器件和设备的可靠性工作。负责了五个国家重点工程的可靠性工作，开展电子设备可靠性预计、可靠性设计、可靠性分析等工作，主持了GJB/Z299《电子设备可靠性预计手册》关键技术研究，并相继发布了A 、B 版。编写了《可靠性建模与分配》，《可靠性预计技术》、《可靠性设计技术》、《故障模式、效应及危害性分析（FMECA ）》、《故障树分析(FTA)》、《工程用元器件质量管理》等有创新性的培训课题。
张老师是《以可靠性为中心的质量设计、分析和控制》一书的作者，是GJB/z299《电子设备可靠预计手册》、GB/T7829《故障树分析（FTA ）》等标准的制订负责人。张老师具有中国质量工程师培训执教资格，是《环境试验》《电子产品可靠性与其试验》编委。
张老师具有丰富的产品设计经验和产品测试实践以及深厚的可靠性理论基础。曾为地铁2号线电源系统及科利公司完成可靠性、维修性设计建议书，为康佳、TCL 、美的、科龙、电子36所、34所、54所、44所、26所进行过可靠性内训授课和咨询；为我国电子行业技术人员进行了近百次公开可靠性设计、可靠性预计、3F 方法、元器件优选等方面的技术培训。应邀赴韩国参加韩国信赖性学会成立大会，并代表中国专家在大会演讲。