No.006 铝电解电容器在无铅再流焊接过程中外壳鼓胀
1.现象表现及描述
在实施产品的无铅制程中，某产品的直流电源PCBA上的贴片铝电解电容器的防爆纹在无铅再流焊接过程中出现大范围的鼓胀，如图1.20所示。
图1.20 铝电解电容器的防爆纹鼓出
2.形成原因及机理
1）铝电解电容器的结构
要正确分析铝电解电容器在再流焊接过程中发生鼓胀现象的原因时，首先要从分析铝电解电容器的内部构造入手。
铝电解电容器是由铝圆筒外壳做负极，里面装有液体电解质，插入一卷绕状的铝带做正极制成，还需要经过直流电压处理，使正极片上形成一层氧化铝膜做介质，如图1.21所示。
图1.21 铝电解电容器结构
由于铝氧化膜介质上浸有液体电解液，因此在施加电压时，重新形成氧化膜及修复氧化膜时，会产生一种很小的称为漏电流的电流。通常，漏电流会随着温度和电压的升高而增大。正常使用情况下，最大的影响就是温度，因为温度越高电解液的挥发损耗越快，而且铝电解电容器的工作温度每增高10℃，寿命就要减少一半。例如，在105℃时其寿命为1000h，当温度降至55℃时使用，由于温度差了50℃，故其寿命可望达到1000×25h，即32000h。
当铝电解电容器的特性恶化到使其失效时，它的寿命也就终止了。温度和纹波电压是影响其寿命的两个重要因素，厂商通常会将铝电解电容器的纹波电压和测试温度标注在电容器本体上。
2）鼓胀原因及机理分析
在所有无源元器件中，铝电解电容器的失效率最高。铝电解电容器的热损坏有以下两种损坏模式。
（1）加电工作后漏电流过大导致的热炸裂。漏电流会随着温度和电压的升高而增大，在电气测试时，测试温度和电压对漏电流具有很大的影响。质量不良的铝电解电容器通电工作不久，便会因为过大的漏电流产生的热能快速积聚而使内部液体电介质膨胀甚至汽化，电容器内部压力瞬间骤增。当铝壳内压力大于铝金属的抗拉强度时，就将导致铝电解电容器因过热而炸裂甚至燃烧等事故。
（2）非工作状态下温度超过安全的耐温范围时导致的鼓胀损坏。在经过长时间的存储之后，无论是否装配在设备中，铝电解电容器的漏电流都会增加，当周围温度较高时，这种趋势将更显著。因为温度越高，液体电解液的挥发损耗越快，铝壳内的压力增大，当达到铝金属的塑变强度时，便使铝壳发生鼓胀。
非工作状态下的高温主要是在组装焊接过程中形成的，如下所述。
① 手工焊接和波峰焊接。由于手工焊接和波峰焊接时，只是引脚部分受热，通常每个焊点的焊接时间均严格控制在3±1s左右。因此，在铝壳内不会形成过热而导致内压增大的现象。例如，波峰焊接温度为260℃时不超过10s，手工焊接温度为350℃时不超过3s的工艺参数，即可满足不论是有铅还是无铅焊接时的工艺要求。
② 再流焊接。与手工焊接和波峰焊接不同，再流焊接是属于一种浸泡式的焊接，即整个元器件都必须置于高温环境中，而且浸泡的时间都很长，一般都在60s以上。这种浸泡式受热的特点是，元器件内、外整体受热，温度变化较缓慢，峰值稳定（受再流焊接峰值温度制约）。虽然不会形成瞬时温度骤变而导致突变性的超强内压引起爆炸，但会使引脚铝壳鼓胀变形。
再流焊接温度随有铅、无铅或有铅与无铅混装等状态的不同而有所区别，如下所述。
（a）有铅再流焊接：峰值温度通常取220～225℃；峰值温度下的时间为30～60s。
（b）向后兼容的混装再流焊接：峰值温度通常取230～235℃；峰值温度下的时间为40～70s。
（c）无铅再流焊接：峰值温度通常取235～245℃；峰值温度下的时间为45～75s。
3）造成本案例的原因
（1）元器件的技术属性不符合无铅元器件的定义，是造成此次事故的真正原因。元器件不含铅不一定是适合无铅制造的元器件。不含铅仅满足了ROHS要求，而只有同时具备无铅元器件应用的温度特性要求时，才是真正的适合无铅制造的元器件，概念不能混淆。
（2）无铅元器件的准确定义。无铅元器件的准确定义由下述两个核心内容构成：
① 无铅（Pb<1000ppm），符合ROHS规定；
② 极限耐温为260℃（有铅为240℃）。
例如，有铅、无铅用元器件的焊接温度特性描述如图1.22所示。
图1.22 有铅、无铅用元器件的焊接温度特性
3.解决措施
（1）采用钽电容器替代铝电解电容器：与铝电解电容器相比，钽电容器在串联电阻、感抗、对温度的稳定性等方面都有明显的优势，但是它的工作电压较低。
（2）采用耐高温（如260℃）的液体电解质适合无铅制造要求的铝电解电容器。
（3）在满足无铅再流焊接质量要求的前提下，再流焊接的峰值温度应尽量控制不超过250℃。