Kondensatoren Zuverlässigkeit von Elektrolytkondensatoren

Aluminium-Elektrolytkondensatoren beeinflussen durch ihre Qualität die Zuverlässigkeit der Geräte. Die Kenntnis wesentlicher Parameter dieser Bauelemente, die durch den in ihnen enthaltenen flüssigen Elektrolyten eine Besonderheit unter den elektronischen Bauteilen darstellen, ist zur sicheren Auslegung von Geräten unabdingbar. Die typischen Einflussfaktoren sowie die Definitionen der Zuverlässigkeit werden erläutert. Als Hilfsmittel zum erfolgreichen Einsatz stehen Leitlinien zur Verwendung von Elkos zur Verfügung.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren (Alu-Elkos, Elkos) sind wichtige Bestandteil vieler elektronischer Geräte. Erhöhte Anforderungen an die Energieeffizienz, die expandierende Nutzung erneuerbarer Energie und der stetig wachsende Elektronikanteil im Automobil haben die weite Verbreitung dieser Bauelemente vorangetrieben.

In vielen Applikationen hängen Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Gerätes direkt von den entsprechenden Parametern der Elkos ab [4]. Während ein früherer Beitrag [1] des Autors das Thema Lebensdauerabschätzung beleuchtete, geht dieser Artikel auf die Einflussfaktoren auf die Zuverlässigkeit von Elkos ein.

Aufbau und Herstellung von Elkos

Aluminium-Elektrolytkondensatoren vereinen in sich Eigenschaften wie Spannungsfestigkeiten im Bereich von wenigen Volt bis zu ca. 750 V und einen weiten Kapazitätsbereich von 1 μF bis über 1 F bei gleichzeitig kompaktem Aufbau. Eine hoch aufgeraute Anodenfolie mit einer dünnen Dielektrikumsschicht wird dabei vollflächig von einer passgenauen Katode, der Elektrolytflüssigkeit, kontaktiert (Bild 1). Die Herstellung von Elkos umfasst im Wesentlichen die folgenden Prozessschritte:

  • Ätzen: Hochreine Aluminiumfolien mit einer Dicke von 20 bis 100 μm sind das Ausgangsmaterial der späteren Anoden- und Katodenfolien. Der Ätzvorgang erhöht die Oberfläche des Anodenmaterials je nach Spannungsfestigkeit um mehr als das 120-fache (Bild 2).
  • Formieren: Die Anodenfolie trägt die Dielektrikumsschicht des Elkos, das Aluminiumoxid (Al2O3), welches in einem elektrochemischen Verfahren auf die aufgeraute Anodenfolie aufwächst. Das Verfahren wird als anodische Oxidation oder auch Formierung bezeichnet. Die Güte der Formierung, also eine gleichmäßig dicke und vollständige Überdeckung des Anodenmaterials mit Aluminiumoxid, ist dabei ein wesentlicher Schlüssel zur hohen Zuverlässigkeit der Bauteile im Betrieb, denn je weiter die Formierspannung oberhalb der Nennspannung liegt, desto mehr sinkt die Wahrscheinlichkeit eines dielektrischen Durchschlages. Praktische Werte für das Verhältnis aus Formierspannung zu Nennspannung liegen bei Jianghais Elektrolytkondensatoren typischerweise im Bereich 1,25 (Niedervolt) bis 1,6 (Hochvolt). Die Schichtdicke beträgt ca. 1,4 nm/V, also z.B. ca. 900 nm für einen Elko mit 450 V Spannungsfestigkeit. Dies entspricht weniger als dem Hundertstel der Dicke eines menschlichen Haares.
  • Zuschneiden: Die geätzte und formierte Folie wird auf so genannten Mutterrollen mit einer Breite von ca. 50 cm bereitgestellt. Aus diesen Mutterrollen entstehen beim Zuschneiden die Folienstreifen für Anoden- und Katodenmaterial in der jeweils benötigten Breite.
  • Wickeln: Anbringen der elektrischen Anschlussfähnchen an die Folien (Quetschung/Kaltschweißen) und Wickeln von Anode, Papier (Abstandhalter, ggf. mehrlagig) und Katode.
  • Imprägnieren: Die Poren des im Wickel enthaltenen Papiers und die gesamte Oberfläche der Anodenfolie werden mit der flüssigen Katode, dem Elektrolyten, benetzt.
  • Einhausung des Wickels im Becher, Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen den Anschlussfähnchen und den Löt- bzw. Schraubanschlusselektroden und Verschlussbördelung der Dichtung.
  • Nachformieren (Burn-in) zur Ausheilung der Schnittkanten.
  • 100-prozentige Qualitätskontrolle der vitalen Parameter (Kapazität, Verlustfaktor, Leckstrom).

Bild 2 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche einer geätzten Hochvolt-Anodenfolie. Die homogene Verteilung und der große freie Querschnitt der geätzten Löcher ermöglichen es, Oxidschicht und Elektrolyt gleichmäßig über die gesamte Oberfläche einzubringen. Bereits zu diesem frühen Zeitpunkt im Produktionsablauf entscheidet sich, ob der Elko später den hohen Anforderungen in Bezug auf Zuverlässigkeit, Stromtragfähigkeit und Langlebigkeit in professionellen Industrieapplikationen gerecht werden kann.

Die einzelnen Prozessschritte haben großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit von Elkos im Betrieb. Jianghai verfolgt hier das Ziel, einen hinreichenden Sicherheitsabstand der Formierspannung von der Nennspannung und eine ausreichende Verweildauer beim Nachformieren zu gewährleisten, um eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen. Da die Formierspannung nicht im Datenblatt angegeben wird, fällt es dem Endanwender nicht leicht, diese als Vergleichsparameter zu bewerten. Indirekt lassen sich jedoch durch gezieltes Nachfragen beim Hersteller und den Vergleich der Leckströme Schlüsse auf die Auslegungsphilosophie des jeweiligen Anbieters ziehen. Angesichts steigender Material- und Energiepreise beobachtet man vermehrt, dass sogar namhafte Hersteller die Formierspannung bei laufenden Serien senken. Jianghai betrachtet derartige Bestrebungen zur Kostenoptimierung aus Qualitätssicht als nicht vertretbar.