不容忽視的“漏液”
2017年7月19日,合眾匯能應(yīng)電科院邀請(qǐng)參加電表聯(lián)盟舉辦的新型模組化采集終端技術(shù)研討會(huì)。會(huì)上首度發(fā)布了《超級(jí)電容長(zhǎng)期使用中的“漏液”與線路板腐蝕深度分析報(bào)告》,報(bào)告揭示了超級(jí)電容使用過(guò)程中的“漏液”現(xiàn)象與“漏液”形成條件的深入研究結(jié)果,并提出了針對(duì)性的解決措施,以期達(dá)到使用超級(jí)電容的真正目的即“與設(shè)備同壽命,免維護(hù)高可靠”?,F(xiàn)在,正式將我司的研究成果公示于眾,同時(shí)對(duì)電表與終端超級(jí)電容應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的理論支持與技術(shù)保障。
類似問(wèn)題案例:
Fluke 289C型高端萬(wàn)用表內(nèi)部某知名品牌扣式電容“漏液”
注:使用3~5年后"漏液",已成為該型號(hào)萬(wàn)用表的一個(gè)普遍問(wèn)題。
Fluke 289C型高端萬(wàn)用表內(nèi)部某知名品牌扣式電容“漏液”
某行車記錄儀某品牌(2.7V4F)超級(jí)電容“漏液”
膠塞與PCB接觸表面有黃色液油狀殘留物,局部PCB腐蝕,表面堆積黑色油狀殘留物。
膠塞表面有液體,揮發(fā)之后呈現(xiàn)油亮狀態(tài),外部套管靠近膠塞部分開(kāi)裂。
#???? 事實(shí)證明
1???? “漏液”問(wèn)題涵蓋絕大多數(shù)國(guó)內(nèi)品牌產(chǎn)品;
2???? “漏液”問(wèn)題也涵蓋柱式與扣式等多類型產(chǎn)品;
3???? “漏液?jiǎn)栴}多涵蓋小容量產(chǎn)品;
進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn):
爆發(fā)時(shí)間:集中在產(chǎn)品使用后2~4年內(nèi),早期未見(jiàn)異常;
故障原因:PCB腐蝕損壞是構(gòu)成產(chǎn)品故障的直接原因;
特征表現(xiàn):PCB腐蝕區(qū)域有水油狀液態(tài)殘留物,而非白色或黃(棕)色電解質(zhì)結(jié)晶,同時(shí),電容膠塞底部液態(tài)殘留物堆積較多;
二、電容“漏液”復(fù)現(xiàn)現(xiàn)象
第一階段:?jiǎn)栴}電容外觀和關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試
關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)如下:
可見(jiàn),問(wèn)題電容產(chǎn)品在3~4年使用之后的容量、內(nèi)阻和重量三項(xiàng)參數(shù)均符合正常自然衰減規(guī)律,未見(jiàn)失效或特性異常衰減。
外觀檢視詳情如下:
第二階段:?jiǎn)栴}電容加速破壞實(shí)驗(yàn)
“漏液”電容基本特性仍然正常,那大量“漏液”又如何生成呢?第一階段分析已經(jīng)排除電容本身大量漏液的可能性,于是問(wèn)題又來(lái)了:“漏液”電容是否存在小幅漏液現(xiàn)象?為驗(yàn)證這一點(diǎn),我們進(jìn)行了兩項(xiàng)加速破壞試驗(yàn):
1.長(zhǎng)時(shí)間真空高溫試驗(yàn)(電容內(nèi)部氣壓>真空氣壓,電解液易滲出)
2.長(zhǎng)時(shí)間高溫高濕試驗(yàn)(高溫使電容內(nèi)部氣壓升高,電解液易滲出)
加速破壞試驗(yàn)1:將問(wèn)題電容原表面液體清除,放置在真空環(huán)境試驗(yàn)箱中, 分別施加不同的環(huán)境溫度,觀察問(wèn)題電容是否會(huì)出現(xiàn)顯性漏液。
加速破壞實(shí)驗(yàn)1結(jié)論:
問(wèn)題超級(jí)電容內(nèi)部電解液損失量極少,泄漏電解液總量無(wú)法直接構(gòu)成PCB大面積腐蝕;
問(wèn)題超級(jí)電容密封特性并未出現(xiàn)顯性損傷,不會(huì)持續(xù)漏出大量電解液;
問(wèn)題超級(jí)電容電特性在持續(xù)真空破壞性試驗(yàn)后未見(jiàn)異常;
對(duì)比歷史數(shù)據(jù),推測(cè)如若存在電解液損失,實(shí)際電解液泄漏量不超過(guò)10mg;
加速破壞試驗(yàn)2:
選取3支問(wèn)題電容,將表面原有液體洗凈,放置在(70℃95%RH)高低溫試驗(yàn)箱中,持續(xù)充電72小時(shí),觀察問(wèn)題電容是否會(huì)再次呈現(xiàn)出“漏液”現(xiàn)象。
試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電容外觀圖可見(jiàn),試驗(yàn)電容樣品膠塞部位未見(jiàn)異常,既無(wú)表面白色結(jié)晶物, 也無(wú)油狀殘留物。
這說(shuō)明:高溫高濕試驗(yàn),問(wèn)題電容短時(shí)間內(nèi)并無(wú)“漏液”現(xiàn)象出現(xiàn)。
第二階段分析已經(jīng)排除“漏液”電容存在小幅“漏液”的可能性,于是問(wèn)題 又來(lái)了:大面積“漏液”現(xiàn)象如何產(chǎn)生?與超級(jí)電容有何關(guān)聯(lián)?于是,我們展開(kāi)了大量模擬復(fù)現(xiàn)試驗(yàn),主要分為兩類:
(1)敞開(kāi)條件模擬復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)
(2)密閉條件模擬復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)
第三階段:敞開(kāi)條件模擬復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)
敞開(kāi)條件模擬復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)3詳情如下:
敞開(kāi)條件模擬復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)論:
?1.無(wú)論正常超級(jí)電容,還是模擬”漏液“電容,持續(xù)高溫高濕(70℃, 95%RH)短時(shí)不會(huì)導(dǎo)致電容本身特性或者關(guān)聯(lián)PCB出現(xiàn)異常;
?2.無(wú)論正常超級(jí)電容,還是模擬”漏液“電容,持續(xù)高溫高濕(70℃, 95%RH)與常溫常濕交變循環(huán)短時(shí)不會(huì)導(dǎo)致電容本身特性或者關(guān)聯(lián) PCB出現(xiàn)異常;
這說(shuō)明,敞開(kāi)條件下(超級(jí)電容及關(guān)聯(lián)PCB未使用外殼進(jìn)行密封),高溫高濕或者凝露環(huán)境均不會(huì)短時(shí)導(dǎo)致“漏液”問(wèn)題出現(xiàn)。
第四階段:相對(duì)密閉條件模擬復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)
(第一部分)PCB腐蝕條件摸索試驗(yàn)
(第一部分試驗(yàn))PCB腐蝕條件摸索試驗(yàn)結(jié)論:
1.少量的電解液泄漏可能引發(fā)“漏液”現(xiàn)象;
2.凝露結(jié)成且短時(shí)難以揮發(fā),長(zhǎng)時(shí)間累積構(gòu)成液體電解池,這可能是 “漏液”現(xiàn)象初步形成的主因;
3.凝露揮發(fā)速度越低,越容易導(dǎo)致正負(fù)極之間電解池形成電通路,進(jìn)而形成電化學(xué)腐蝕;
4.低溫高濕環(huán)境凝露將大幅延長(zhǎng)揮發(fā)時(shí)間,加速電化學(xué)腐蝕擴(kuò)散。
進(jìn)一步推論:
這也表明:正常電容表面潔凈,在前2~3年往往不會(huì)出現(xiàn)“漏液”現(xiàn)象 ,該現(xiàn)象通常會(huì)在幾年之后通過(guò)自然滲漏的累積才可能出現(xiàn)。
這說(shuō)明:低溫高濕(45℃,95%RH)與常溫常濕溫濕循環(huán),即自然凝
露條件,由于凝露更難以揮發(fā),更容易形成初始腐蝕,更容易引發(fā)“漏 液”現(xiàn)象。
(第二部分)PCB腐蝕強(qiáng)度摸索實(shí)驗(yàn)
PCB腐蝕強(qiáng)度摸索試驗(yàn)結(jié)論:
隨著電容表面電解液量的減少,在固定的交變循環(huán)試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)PCB腐蝕程度有所減弱,但并無(wú)法阻止腐蝕反應(yīng)的展開(kāi);
進(jìn)一步推論:
即使泄漏或滲漏量極少(即使低至1‰總液量),長(zhǎng)期凝露條件下依然會(huì)形成腐蝕“漏液”現(xiàn)象。
(第三部分)PCB腐蝕阻止實(shí)驗(yàn)
PCB腐蝕阻止試驗(yàn)結(jié)論:
隨著電容引腳距離的增加,在固定的交變循環(huán)試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)PCB腐蝕情況顯著改善,可有效阻止腐蝕反應(yīng)的展開(kāi);
進(jìn)一步推論:
即使存在一定量的泄漏或滲漏量,在一定的引腳間距下,都可以有效阻止PCB腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。
電容膠塞和PCB表面水汽凝結(jié)圖1
電容膠塞和PCB表面水汽凝結(jié)圖2
電容膠塞和PCB表面水汽凝結(jié)圖3
D16和D12.5電容膠塞表面水汽凝結(jié)實(shí)驗(yàn)后的效果對(duì)比圖:D16膠塞表面無(wú)任何凝露殘留 D12.5膠塞表面潮濕,在右下部形似“漏液”
試驗(yàn)電容樣品膠塞部位異常,干燥后有淺綠色與微黃色殘留物 ;2、3號(hào)焊接位置( 紅色方框內(nèi))PCB異常,焊盤輕微變暗, 周圍PCB綠油涂層小范圍起皮,并留有殘 留物。試驗(yàn)剛結(jié)束時(shí) ,膠塞和PCB接觸面堆積著少量液態(tài)殘留物。
電容“漏液”成因分析
漏液具備的必要條件:
1.超級(jí)電容處于帶電工作狀態(tài);
2.超級(jí)電容自然滲漏長(zhǎng)期積累的微量電解質(zhì)(初始腐蝕條件);
3.超級(jí)電容在相當(dāng)時(shí)間內(nèi)處于交變濕熱循環(huán)工作環(huán)境(凝露環(huán)境);
4.超級(jí)電容置于相對(duì)密閉的空間內(nèi)(濕氣能滲入,但揮發(fā)緩慢);
5.超級(jí)電容的極間距相對(duì)較?。ㄒ讟?gòu)成電解池通路);
漏液成因過(guò)程還原-電解池形成:
1.?在長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的持續(xù)工作過(guò)程中,包含超級(jí)電容在內(nèi)的所有液態(tài)電容都無(wú)法實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上理想密封,均存在極小微量的滲漏。一般而言, 密封特性越差,泄漏越快,失效越早?!鹃L(zhǎng)時(shí)間】【自然泄漏】
2.?腳間距偏小的超級(jí)電容(含其他類型正負(fù)極間距偏小的電容),由于固體表面的吸附特性,兩極在較嚴(yán)重的凝露環(huán)境下易構(gòu)成通路,特別是在凝露揮發(fā)困難或緩慢的地方?!灸_距小】【帶電】
漏液成因過(guò)程還原-電解池形成:
1.受相對(duì)濕度偏大且溫濕度變化頻繁季節(jié)環(huán)境的影響,非完全密閉的電表殼體內(nèi)滲入濕氣形成凝露,且凝露難以揮發(fā)干涸。該不利環(huán)境持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),凝露越多?!灸丁俊景朊芊狻?span>
2.?凝露在電容膠塞底部堆積形成液態(tài)水,該水分未能在短時(shí)間內(nèi)揮發(fā) ,與泄漏出的微量電解液結(jié)合形成電解池?!倦娊獬亍俊疚⒘俊?span>
濕氣凝露與滲漏電解液在膠塞底部構(gòu)成電解池?
注:在正常環(huán)境下 ,自然泄漏出的極其微量的電解液(?1‰~2‰)會(huì)自然揮發(fā)逸散,僅殘留微量電解質(zhì)結(jié)晶 ,在正常凝露環(huán)境 ,凝露也會(huì)正常揮發(fā)而不形成長(zhǎng)時(shí)間液體,正負(fù)極之間濕氣凝露與滲漏電解液在膠塞底部構(gòu)成電解池?zé)o法形成電解池。
漏液過(guò)程還原:
不同引腳間距電解池示意圖
漏液成因過(guò)程還原2——電化學(xué)腐蝕反應(yīng):
?1.?由于電容自身帶電,優(yōu)先在高電位引針附近引發(fā)電化學(xué)反應(yīng),該反應(yīng)一旦開(kāi)始,便逐步開(kāi)始腐蝕PCB表面焊盤和敷銅?!倦娀瘜W(xué)反應(yīng)】
?2.?焊盤與敷銅發(fā)生腐蝕后,PCB銅箔表面保護(hù)層破壞,在空氣中繼續(xù)形成自然腐蝕,該腐蝕自身會(huì)產(chǎn)生更多銅離子,并進(jìn)一步吸收空氣中的水汽,加速水汽在膠塞底部和PCB腐蝕點(diǎn)綠油涂層下累積。【自然腐蝕反應(yīng)】
漏液成因過(guò)程還原3——擴(kuò)散和加劇
1.隨著時(shí)間的延長(zhǎng),在反應(yīng)液體及電解質(zhì)擴(kuò)散特性和大面積敷銅的雙重作用下,反應(yīng)區(qū)域不再局限于膠塞底部電解池附近,自然腐蝕反應(yīng)生成的銅離子形成新電解池,繼續(xù)帶電反應(yīng)吸附空氣中的水汽。特別是在潮濕環(huán)境下(潮濕季節(jié)),反應(yīng)由于電解池的不斷擴(kuò)大而加速,隨著反應(yīng)區(qū)域的擴(kuò)張,逐步通過(guò)板上空洞和過(guò)孔等侵蝕到PCB背面。【擴(kuò)散和加劇】
2.?高低電位間距較小的地方,電腐蝕強(qiáng)度更大,反應(yīng)發(fā)生區(qū)域PCB走線腐蝕破壞或其他器件受影響失效,整版性能受損?!?span>PCB損壞】
漏液成因過(guò)程簡(jiǎn)圖
四、如何防止“漏液”
小容量超級(jí)電容選型和設(shè)計(jì)指導(dǎo)
1.直徑不超過(guò)D12.5或者腳間距小于5mm的超級(jí)電容產(chǎn)品選型, 盡量選用二次灌封型產(chǎn)品。特別是在密閉環(huán)境下,推薦使用二次灌封型產(chǎn)品;
2.直徑超過(guò)D16的超級(jí)電容選型,選用常規(guī)類型產(chǎn)品即可;
3.超級(jí)電容產(chǎn)品應(yīng)遠(yuǎn)離熱源,盡量在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留相對(duì)獨(dú)立區(qū)域;
4.PCB布線時(shí),敷地應(yīng)避讓或繞過(guò)超級(jí)電容所在區(qū)域,并盡量保證高低電位PCB布線留有適當(dāng)間距;
5..扣式電容的“漏液”問(wèn)題涉及因素較多,需另行考慮。
兩種布線方式對(duì)比示意圖
PCB布線指導(dǎo)
建議小容量超級(jí)電容單體布線過(guò)程中,采用大間距布線,盡量避免使用敷地 ,特別是在多支單體串聯(lián)的場(chǎng)合,高低電位差較大,更應(yīng)注意該問(wèn)題。
? *?聲明:該報(bào)告最終解釋權(quán)歸合眾匯能所有,未經(jīng)同意禁止轉(zhuǎn)載上述圖片及文字,如需進(jìn)一步技術(shù)溝通,請(qǐng)聯(lián)系小編;15611260092(微信同號(hào))謝謝關(guān)注!