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    合眾匯能
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    【重磅 】合眾匯能首度正式公開(kāi)《超級電容長(cháng)期使用中的“漏液”與線(xiàn)路板腐蝕深度分析報告》

    2022-09-02 1142人瀏覽

    不容忽視的“漏液”

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     2017719日,合眾匯能應電科院邀請參加電表聯(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《超級電容長(cháng)期使用中的漏液與線(xiàn)路板腐蝕深度分析報告》,報告揭示了超級電容使用過(guò)程中的漏液現象與漏液形成條件的深入研究結果,并提出了針對性的解決措施,以期達到使用超級電容的真正目的即與設備同壽命,免維護高可靠?,F在,正式將我司的研究成果公示于眾,同時(shí)對電表與終端超級電容應用提供了強有力的理論支持與技術(shù)保障。


    類(lèi)似問(wèn)題案例:

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    Fluke 289C型高端萬(wàn)用表內部某知名品牌扣式電容漏液

    注:使用3~5年后"漏液",已成為該型號萬(wàn)用表的一個(gè)普遍問(wèn)題。


    Fluke 289C型高端萬(wàn)用表內部某知名品牌扣式電容漏液



    某行車(chē)記錄儀某品牌(2.7V4F)超級電容漏液


    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)題涵蓋絕大多數國內品牌產(chǎn)品;

    2???? “漏液問(wèn)題也涵蓋柱式與扣式等多類(lèi)型產(chǎn)品;

    3???? “漏液?jiǎn)?wèn)題多涵蓋小容量產(chǎn)品;

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    進(jìn)一步調查發(fā)現:

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    爆發(fā)時(shí)間:集中在產(chǎn)品使用后24年內,早期未見(jiàn)異常;

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    故障原因:PCB腐蝕損壞是構成產(chǎn)品故障的直接原因;

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    特征表現:PCB腐蝕區域有水油狀液態(tài)殘留物,而非白色或黃(棕)色電解質(zhì)結晶,同時(shí),電容膠塞底部液態(tài)殘留物堆積較多;

    二、電容“漏液”復現現象

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    第一階段:?jiǎn)?wèn)題電容外觀(guān)和關(guān)鍵參數測試

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    關(guān)鍵參數測試相關(guān)數據如下:



    可見(jiàn),問(wèn)題電容產(chǎn)品在3~4年使用之后的容量、內阻和重量三項參數均符合正常自然衰減規律,未見(jiàn)失效或特性異常衰減。

    外觀(guān)檢視詳情如下:



    第二階段:?jiǎn)?wèn)題電容加速破壞實(shí)驗

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    “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象?為驗證這一點(diǎn),我們進(jìn)行了兩項加速破壞試驗:

    .長(cháng)時(shí)間真空高溫試驗(電容內部氣壓>真空氣壓,電解液易滲出)

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    .長(cháng)時(shí)間高溫高濕試驗(高溫使電容內部氣壓升高,電解液易滲出)

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    加速破壞試驗1:將問(wèn)題電容原表面液體清除,放置在真空環(huán)境試驗箱中, 分別施加不同的環(huán)境溫度,觀(guān)察問(wèn)題電容是否會(huì )出現顯性漏液。



    加速破壞實(shí)驗1結論:

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    問(wèn)題超級電容內部電解液損失量極少,泄漏電解液總量無(wú)法直接構成PCB大面積腐蝕;

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    問(wèn)題超級電容密封特性并未出現顯性損傷,不會(huì )持續漏出大量電解液;

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    問(wèn)題超級電容電特性在持續真空破壞性試驗后未見(jiàn)異常;

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    對比歷史數據,推測如若存在電解液損失,實(shí)際電解液泄漏量不超過(guò)10mg;

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    加速破壞試驗2

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    選取3支問(wèn)題電容,將表面原有液體洗凈,放置在(70℃95%RH)高低溫試驗箱中,持續充電72小時(shí),觀(guān)察問(wèn)題電容是否會(huì )再次呈現出漏液現象。



    試驗結束時(shí)電容外觀(guān)圖可見(jiàn),試驗電容樣品膠塞部位未見(jiàn)異常,既無(wú)表面白色結晶物, 也無(wú)油狀殘留物。

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    這說(shuō)明:高溫高濕試驗,問(wèn)題電容短時(shí)間內并無(wú)“漏液”現象出現。

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    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:大面積漏液現象如何產(chǎn)生?與超級電容有何關(guān)聯(lián)?于是,我們展開(kāi)了大量模擬復現試驗,主要分為兩類(lèi):

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    (1)敞開(kāi)條件模擬復現試驗

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    (2)密閉條件模擬復現試驗

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    第三階段:敞開(kāi)條件模擬復現試驗

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    敞開(kāi)條件模擬復現試驗3詳情如下:



    敞開(kāi)條件模擬復現試驗結論:

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    ?1.無(wú)論正常超級電容,還是模擬漏液電容,持續高溫高濕(70℃, 95%RH)短時(shí)不會(huì )導致電容本身特性或者關(guān)聯(lián)PCB出現異常;

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    ?2.無(wú)論正常超級電容,還是模擬漏液電容,持續高溫高濕(70℃, 95%RH)與常溫常濕交變循環(huán)短時(shí)不會(huì )導致電容本身特性或者關(guān)聯(lián) PCB出現異常;

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    這說(shuō)明,敞開(kāi)條件下(超級電容及關(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)導致漏液問(wèn)題出現。

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    第四階段:相對密閉條件模擬復現試驗

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    (第一部分)PCB腐蝕條件摸索試驗



    (第一部分試驗)PCB腐蝕條件摸索試驗結論:

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    1.少量的電解液泄漏可能引發(fā)漏液現象;

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    2.凝露結成且短時(shí)難以揮發(fā),長(cháng)時(shí)間累積構成液體電解池,這可能是漏液現象初步形成的主因;

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    3.凝露揮發(fā)速度越低,越容易導致正負極之間電解池形成電通路,進(jìn)而形成電化學(xué)腐蝕;

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    4.低溫高濕環(huán)境凝露將大幅延長(cháng)揮發(fā)時(shí)間,加速電化學(xué)腐蝕擴散。

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    進(jìn)一步推論:

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    這也表明:正常電容表面潔凈,在前2~3年往往不會(huì )出現漏液現象 ,該現象通常會(huì )在幾年之后通過(guò)自然滲漏的累積才可能出現。

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    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 液現象。

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    (第二部分)PCB腐蝕強度摸索實(shí)驗


    PCB腐蝕強度摸索試驗結論:

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    隨著(zhù)電容表面電解液量的減少,在固定的交變循環(huán)試驗時(shí)間內PCB腐蝕程度有所減弱,但并無(wú)法阻止腐蝕反應的展開(kāi);


    進(jìn)一步推論:

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    即使泄漏或滲漏量極少(即使低至1‰總液量),長(cháng)期凝露條件下依然會(huì )形成腐蝕漏液現象。

    (第三部分)PCB腐蝕阻止實(shí)驗


    PCB腐蝕阻止試驗結論:

    隨著(zhù)電容引腳距離的增加,在固定的交變循環(huán)試驗時(shí)間內PCB腐蝕情況顯著(zhù)改善,可有效阻止腐蝕反應的展開(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腐蝕反應的進(jìn)行。



    電容膠塞和PCB表面水汽凝結圖1

    電容膠塞和PCB表面水汽凝結圖2

    電容膠塞和PCB表面水汽凝結圖3

    D16和D12.5電容膠塞表面水汽凝結實(shí)驗后的效果對比圖: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號焊接位置( 紅色方框內)PCB異常,焊盤(pán)輕微變暗, 周?chē)?span>PCB綠油涂層小范圍起皮,并留有殘 留物。試驗剛結束時(shí) ,膠塞和PCB接觸面堆積著(zhù)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.超級電容處于帶電工作狀態(tài);


    2.超級電容自然滲漏長(cháng)期積累的微量電解質(zhì)(初始腐蝕條件);


    3.超級電容在相當時(shí)間內處于交變濕熱循環(huán)工作環(huán)境(凝露環(huán)境);


    4.超級電容置于相對密閉的空間內(濕氣能滲入,但揮發(fā)緩慢);


    5.超級電容的極間距相對較?。ㄒ讟嫵呻娊獬赝罚?;




    漏液成因過(guò)程還原-電解池形成:


    1.?在長(cháng)達數年的持續工作過(guò)程中,包含超級電容在內的所有液態(tài)電容都無(wú)法實(shí)現嚴格意義上理想密封,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(cháng)時(shí)間】【自然泄漏】


    2.?腳間距偏小的超級電容(含其他類(lèi)型正負極間距偏小的電容),由于固體表面的吸附特性,兩極在較嚴重的凝露環(huán)境下易構成通路,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.受相對濕度偏大且溫濕度變化頻繁季節環(huán)境的影響,非完全密閉的電表殼體內滲入濕氣形成凝露,且凝露難以揮發(fā)干涸。該不利環(huán)境持續時(shí)間越長(cháng),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)間內揮發(fā) ,與泄漏出的微量電解液結合形成電解池?!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)結晶 ,在正常凝露環(huán)境 ,凝露也會(huì )正常揮發(fā)而不形成長(cháng)時(shí)間液體,正負極之間濕氣凝露與滲漏電解液在膠塞底部構成電解池無(wú)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:


    ?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,該反應一旦開(kāi)始,便逐步開(kāi)始腐蝕PCB表面焊盤(pán)和敷銅?!倦娀瘜W(xué)反應】


    ?2.?焊盤(pán)與敷銅發(fā)生腐蝕后,PCB銅箔表面保護層破壞,在空氣中繼續形成自然腐蝕,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?!咀匀桓g反應】




    漏液成因過(guò)程還原3——擴散和加劇


    1.隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng),在反應液體及電解質(zhì)擴散特性和大面積敷銅的雙重作用下,反應區域不再局限于膠塞底部電解池附近,自然腐蝕反應生成的銅離子形成新電解池,繼續帶電反應吸附空氣中的水汽。特別是在潮濕環(huán)境下(潮濕季節),反應由于電解池的不斷擴大而加速,隨著(zhù)反應區域的擴張,逐步通過(guò)板上空洞和過(guò)孔等侵蝕到PCB背面?!緮U散和加劇】


    2.?高低電位間距較小的地方,電腐蝕強度更大,反應發(fā)生區域PCB走線(xiàn)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

    小容量超級電容選型和設計指導


    1.直徑不超過(guò)D12.5或者腳間距小于5mm的超級電容產(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的超級電容選型,選用常規類(lèi)型產(chǎn)品即可;


    3.超級電容產(chǎn)品應遠離熱源,盡量在設計時(shí)預留相對獨立區域;


    4.PCB布線(xiàn)時(shí),敷地應避讓或繞過(guò)超級電容所在區域,并盡量保證高低電位PCB布線(xiàn)留有適當間距;


    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(xiàn)方式對比示意圖


    PCB布線(xiàn)指導

    建議小容量超級電容單體布線(xiàn)過(guò)程中,采用大間距布線(xiàn),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,更應注意該問(wèn)題。




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