電解電容器失效：原因、壽命及案例
故障案例
我最近幫一位客戶修理了一台設備。問題是開關電源模組出現了奇怪的故障。我用萬用電表測試了一下，5V 輸出正常，但 12V 輸出卻突然跳到了 20V。
打開電源檢查後，我發現整流濾波電容老化，幾乎沒有電容值。這導致整流後紋波非常大，開關電源的穩壓迴路也出現了故障。
解決方法很簡單。更換電容器就能讓它恢復運作。但是這個電源模組不能再用了，因為無法確定其他電容器、電阻器和其他元件還能用多久。唯一穩健的辦法是用一個新的電源模組取代整個模組。
工程師最害怕的問題：組件故障
上述設備的電源故障顯然是由電解電容器故障引起的。此問題導致客戶產品停駛數日，損失顯而易見。因此，元件故障是產品工程師應密切注意並認真研究的重要課題。
談到電解電容故障，經常維修電路的人都非常熟悉：電容值降低、漏液、膨脹等等。漏出的電解液會擴散到各處，導致電路無法正常運作。電解電容也最常用於電源。一旦它們失效，電源就會出現異常，造成的損失往往遠大於一兩個電容的容量。
為什麼電解電容器會失效？
原因一：過電壓會破壞氧化層
那麼，什麼會導致電容器失效呢？一個常見的原因是電容器承受的電壓高於其額定值。例如，電解電容器接反了極性，或在 12V 電源中使用了 6.3V 的電解電容器。任何這樣做的人都可能遇到這種情況。 PCBA 設計人員都知道，很少人從來沒有弄壞過電容器。
即使是短暫的過電壓也能擊穿鋁箔的氧化層，並在電容器內部造成短路。
原因二：漣波電流過高
第二個原因是漣波電流過大。電解電容器通常用於電源電路中以濾除漣波電流，但過大的漣波電流會在電容器內部產生熱量。這會導致電解液蒸發，並增加電容器內部的壓力。這會加速電容器老化，進而導致膨脹、漏電甚至爆炸。
原因3：工作溫度過高或過低
第三個原因是工作溫度異常。
工作溫度過高最容易被忽視，但它也是導致電容器早期失效的最重要原因之一。高溫會加速電解液蒸發，降低電容，增加等效串聯電阻（ESR）。溫度過低同樣不利。低溫會導致電解液凝固，大幅降低電容，並顯著增加串聯電阻。
原因四：材料的自然老化
還有其他原因。例如，電解電容器中的材料會隨著時間推移而老化。濕度和溫度等環境因素會加速這個老化過程。其結果是性能逐漸下降，最終導致電容器完全失效。
電解電容器的優點和缺點
一般來說，電解電容器具有容量大、成本低的優點，因此是電源電路中不可或缺的元件。但我們也需要了解它們的缺點。它們的壽命較短，而且對工作溫度非常敏感。如果長時間在高溫下工作，可能無法達到預期的使用壽命。
電解電容器壽命和溫度
電解電容器的預期壽命可以用經驗公式估算：
簡化公式：
f1 = 2（ΔT/10）
LB 是基本壽命，通常為 1000 至 2000 小時。1 和f2 這些函數與溫度和工作電壓有關。M 是最高工作溫度，通常為 105°C。C 是電容器的工作溫度。這裡，f1 是以 2 為底的指數函數。
根據經驗公式，溫度每升高10°C，電容器的壽命就會減半。當溫度低於-25°C時，電解電容器的性能也會顯著下降。例如，在-40°C的環境溫度下，等效串聯電阻（ESR）可能比室溫下高出10倍。
因此，保持電容器的工作溫度在適當的範圍內非常重要。一般來說，如果希望電容器的壽命超過 2500 小時，則工作溫度 T 應保持在適當的範圍內。C 溫度必須低於65°C。對於某些密封產品、開關電源、充電器和LED燈來說，這並不容易做到。
降低電容器額定功率可以延長其使用壽命嗎？
降低電解電容器故障率的另一個主要方法是降低額定電壓。例如，額定電壓為 16V 的電容器可以降低 80% 的額定電壓，用於 12V 電路中。
但要注意的是，降低額定電壓並不能顯著延長電容器的壽命。這是因為高壓電容器即使降低工作電壓後，其等效串聯電阻（ESR）仍可能高於低壓電容器。較高的ESR意味著較高的工作溫度，最終會縮短其壽命。
鉭電容器故障案例
我還有另一個關於電容器故障的慘痛經歷要分享：務必小心鉭電容器，因為它們的故障非常嚴重。輕微的故障會導致爆炸，嚴重的故障會導致起火。
我曾經遇過一批電路板，其中一個鉭電容失效燒毀，甚至燒穿了PCB板。電路板報廢還不是最大的問題，損壞的PCB板導致電源穩壓迴路崩潰，直接損壞了與之連接的精密感測器。損失高達數萬美元。
關於鉭電容器類型的說明
這裡還有一點要補充，以免有誤會。上述故障案例並不表示所有鉭電容都存在同樣的問題。
事實上，電解電容器包含多種類型，例如鋁電解電容器、導電聚合物鋁固態電解電容器和導電聚合物混合鋁電解電容器。鉭電容器也有不同的技術類型：
- 傳統二氧化錳鉭電容器（MnO₂鉭）
- 導電聚合物鉭電容器（聚合物鉭）
它們的電氣性能、壽命特性和故障模式明顯不同，有些方面甚至截然不同。
許多技術文章只是簡單地說“鉭電容具有低ESR值”，這種說法並不嚴謹。對於相同的電容值和額定電壓，二氧化錳鉭電容和導電聚合物鉭電容在100 kHz頻率的ESR值可能相差數十倍甚至幾百倍。
同樣，將所有電解電容器視為同一種元件，或將所有鉭電容器視為具有相同特性，都是不正確的。不同技術類型的產品在可靠性、漣波耐受性、等效串聯電阻 (ESR)、溫度特性和失效機制等方面可能存在完全不同的表現。
因此，在分析元件故障時，不應只關注「電解電容器」或「鉭電容器」等字眼，還需要檢查具體採用了哪種技術，以及工作條件是否滿足設計要求。
除了電容器之外，還要注意其他元件的故障。
因此，對於鉭電容，不能簡單地用「好」或「壞」來形容。在設計過程中，需要根據特定的電容類型、工作環境和可靠性需求來選擇。如果使用傳統的二氧化錳鉭電容，則應特別注意突波電流和降額設計。如果使用聚合物鉭電容，則應專注於紋波處理能力、漏電流和長期可靠性。
除了電容器，電阻器故障也是常見的問題。如果您希望開發的產品不再讓您擔憂，就應該仔細研究所有零件的故障模式，包括電容器、電阻器和半導體裝置。
常見問題
一種可能的故障模式是短路，而這無法僅透過更換幾個元件來解決。此外，更換元件也會增加成本並佔用更多電路板面積。而且，電容下降後，功率元件形成的零極對也會發生變化，迴路可能無法保持穩定。
幾千小時的壽命是指滿載時的額定壽命。例如，一個額定工作溫度為105°C、額定壽命為2000小時的電容器，在65°C、中等漣波條件下，其壽命可達32,000小時。這意味著大約可以連續使用3.5年，如果使用得當，壽命甚至更長。
像TDK和Vishay這樣的公司提供計算器和圖表來估算實際使用時間。此外，「壽命」可以用多種方式衡量，例如平均故障間隔時間（MTBF）和平均故障間隔時間（DMTBF）等統計值。
鉭電容也屬於「電解電容」。它們體積小、電容大，但由於不含液態電解質，因此不會乾燥或漏液。同時，它們的自癒能力較弱，這也是其失效時可能較為嚴重的原因之一。
與MLCC相比，鉭電容具有正溫度特性。它們的ESR值高於MLCC，但其頻率響應曲線更平坦。
