金属化薄膜电容器损耗的工艺研究.pdf

工程硕士论文金属化薄膜电容器损耗的工艺研究摘要本文通过对金属化薄膜电容器损耗的理论分析，建立损耗（金属部分）分析模 型，确定了影响金属化薄膜电容器损耗的主要工艺因素，并以金属化薄膜电容器 CL21-400V-0.1PF,CL21-400V-0.047gF,CBB21B-Z-400V-0.22呼；CBB21-400V-0.mF,CBB21B-Z-400V-0.33pF,CBB21A-400V-0.01四 等典型产品为例，采用原材料比较和 工艺参数优化法，找出了现有工艺条件下降低和稳定金属化薄膜电容器损耗的有效措 施：1）低方阻金属化膜和边缘加厚金属化膜的使用有利于金属化薄膜电容器损耗的 降低。2）喷金工序中，CBB21B-400V-0.1PF电容器在喷金枪距离为160mm时喷金，比 传统的200mm时喷金具有明显的优越性，能够经受500V 10次充放电后，10kHz和 100kHz损耗角正切值基本保持不变或仅有微小的变化，其它类型的电容器比照该种 电容器适当调整喷金枪的距离也可得到最佳的工艺效果，达到稳定电容器损耗的目 的。3）焊接工序中，焊接头恰当的机械压力，合理的定位距离是保证焊接质量，获 得良好的芯体内部结构、优异电性能、稳定的损耗角正切值的关键。关键词：金属化薄膜电容器损耗低方阻边缘加厚喷金焊接工程硕上论文金属化薄膜也容得损耗的T艺研究AbstractThrough theoretical analysis of the dissipation for metallised film caparitors in this essay,the dissipation(metal part)analysis mould is set up and the mail technological factors that influence rhe dissipation of metallised film caparitors are confirmed.At the same time,taking typical metallised caparitors products CL21-400V-0.mF,CL21-400V-0.047MF,CBB21B-Z-400V-0.22MF,CBB21-400V-0.,CBB21B-Z-400V-0.33MF,CBB21A-400V-0.01MF as example and using the comparison of raw material&optimization methods of technology parameters,the effective measures which low down and stabilize the dissipation of metallised film capacitors are found out under present technological conditions.1)The use of low-section resistance film ahc the film whose fringe is thickened is favourable of the dissipation reduction of metallised film capacitors.2)The powder airbrushing when the airbrush and the CBB21B-400V-0.1PF capacitor are at a distance of 160mm has remarkable superiority to the one when the airbrush and the CBB21B-400V-0.mF are at a traditional distance of 200mm during 10kHz remains unchangeable basically or minor change only after standing ten-times 500V charge and discharge.The capacitors of another type can also get optimum process effectiveness by properly adjusting the distance of the powder airbrush,the tanget of stabilizing the loss of capacitor is obtained.3)Proper mechanical pressure F of welding end reasonable location distance L are keys to obtain good,internal core structure superior electrical and the stable value of Loss angle tangent of dielectric.Key words:loss of metallised film capacitor low section resistance thickened fringe metal powder airbrush welding工程硕卜论文金属化薄膜也容得损耗的工艺研究第一章绪论1.1 引言金属化薄膜电容器是也子整机和电器、电力设备必不可少的基础元件，属于绿色 环保、防止电网污染、抗电干扰和防爆型安全电容器，广泛应用于音像设备（音响、录像机、电视机）、计算机终端设备、通讯设备、节能光源、家用电器、汽车电子、电器设备、电子系统及军工产品、航天技术、核技术等高科技领域随着电子工业 和信息技术的高速发展，金属化薄膜电容器的市场需求量愈来愈大。高科技的应用和 发展，对金属化薄膜电容器的品种、技术性能、可靠性水平、结构形状和几何尺寸及 使用安全性提出了愈来愈苛刻的要求，促使企业必须从低档电容器向高档电容器发 展。国际市场上高档电容器供不应求，低档普遍电容器供过于求，其中损耗是影响 电容器档次高低的主要因素，金属化薄膜电容器品质等级同样受损耗（损耗角正切）的影响最大，开展金属化薄膜电容器损耗的工艺研究、提高电容器的制造水平和产品 升级是企业面临的共同课题，具有广泛的经济和社会价值。1.2 专业术语的描述1.2.1 薄膜本文中，指用于制造电容器的金属化薄膜的基材，即聚酯膜一PE膜、聚丙烯膜 一PP膜等。在直流电容器中，通常采用聚酯膜、聚丙烯薄膜，它的厚度一般在210“篦 之间。1.2.2 金属化膜1.金属化膜是利用高真空蒸镀技术，在有机薄膜表面蒸镀一层铝、锌或锌铝复 合金属薄层而制成的，金属化的形式多样，如低方阻型、边缘加厚型、渐变方阻型，中间、两边横向留边型等。其特点是金属层厚度薄，利用金属化膜的金属层做为电容 器极板，大大减小了电容器的体积，如铝金属化聚丙烯薄膜金属层厚约0.2“左右，常用方阻约45Q/口，而锌铝金属化聚丙烯薄膜的金属层更薄，约为0.1左右，方阻约7.5Q/O；金属化膜应用的最大特点是使制造的电容器具备了自愈性能。T程硕士论文金属化薄膜电容器损耗的T艺研究2.边缘加厚金属化膜示例_Zn-Al 层 4 9。/口2 4 Q/O留边 有效面积 加厚图1.2边缘加厚金属化膜示例3.渐变方阻金属化膜示例渐变方阻锌铝膜b1 c bl a_-Film:曾边bl：活动区(方阻渐支)c:加座区 图1.3 A型渐变方阻金属化膜4.金属化膜技术参数示例 表1.1金属化膜厚度及偏差金属化膜厚度H m厚度偏差 u m金属化膜厚 度口 m厚度偏差口 m金属化膜厚 度u m厚度偏差口 m2.5-4.00.27.00.310.00.45.00.258.00.311.0-12.06.00.39.00.415.00.3表L2金属化膜宽、留边、方阻、加厚宽膜宽b(mm)膜宽误差(mm)方块电阻R及误差(Q/D)留边宽度及误差(mm)锌铝膜加厚区 宽度(mm)4.5Wb W6.00.101.铝金属化膜R：3.20.72.锌铝膜加厚区R：3.01.03.活动区R：膜厚度 8H 6.51.5膜厚度 5.01.50.40.10.50.1136 bW 26.00.201.00.226 V-(+50%-20%).VI-(+50%-30%)。金属化薄膜电容器 常用I、II、III级口吗1.5.2 电容器的损耗角正切值由5电容器在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称为电容器的损耗。电 容器的损耗角正切值是在规定的正弦交流电压和频率下，电容器的等值串联电阻和容 抗的比值，也是电容器的有功功率与其无功功率的比值。一般限定值及测试频率由制 造厂规定皿。损耗是电容器发热的根源，加速老化破坏的主要因素。电容器损耗是衡量电容 器品质优劣的一个重要指标，损耗愈大发热愈严重，则表示电容器传递能量的效率愈 差。表征电容器损耗特性的参数是损耗角正切fgb,O角为电容器的总电流与其无功 电流分量间的夹角。电容器的损耗角正切值愈小，损耗愈小，电容器的性能愈好，寿 命越长。它也是本文研究的重点。1.5.3 电容器的绝缘电阻电容器的绝缘电阻，在数值上等于加在电容器两端的电压与通过电容器的漏电 流的比值。高质量的电容器，绝缘电阻很高，一般为数百数Kg。电容器的绝缘电阻主要取决于介质的绝缘电阻和电容器表面绝缘电阻的大小，在两极之间绝缘电阻一般在IO,105A皿；两电极与外包封之间绝缘电阻大于 1052WiQ,1.5.4 电容器的耐压电容器的耐压是在额定环境温度下可连续加在电容器引出线间(极间)的最高 直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上，如果工作电压超过电容器的耐压，电容器就会击穿，造成不可修复的永久损坏。耐压表征了电容器极间承受电场电压的 能力。其规格有：50V(63V).100V.160V.250V、400V、630V、1000V.1600V 等，8工程硕士论文金属化薄膜电容器损耗的工.艺研究检测或分选使用的耐电压值一般是额定电压的L 44倍，具体倍数视产品型号及使 用场合而定，耐电压测试时间一般在510秒电容器的极间耐压是电容器制造技术的关键，它决定着电容器的技术先进性和 使用可靠性。电容器的耐压指标反映了电容器的极间绝缘和系统绝缘性能，实质上也 考核了金属化薄膜的介质绝缘性能以及电容器制造水平。1.5.5 高档金属化电容器应具备的性能长寿命、低电感、耐大电流、低损耗、散热性能好、重量轻、机械性能好、环 保型设计、高质量、高可靠性及安全性。1.6金属化薄膜电容器的主要失效模式及失效机理分析一、金属化薄膜电容器的主要失效模式及失效机理在使用中，金属化电容器常见早期失效模式多种多样，但大致可归为两类：1.是突发性失效，即外观及内部可见的变化。绝缘外壳鼓胀、变形、开裂、有 机膜熔融成团块，严重时发生爆炸和燃烧。表现为击穿、开路、短路。1）引起电容器击穿的主要失效机理：电介质材料有疵点或缺陷，或含有导 电杂质或导电粒子，导致的局部放电；电介质的电老化与热老化；电介质内 部的电化学反应；电介质在电容器制造过程中受到机械损伤；电介质分子结构改 变；在高湿度或低气压环境中极间飞弧；在机械应力作用下电介质瞬时短路。2）引起电容器开路的主要失效机理：引线部位发生“自愈“，使电极与引 出线绝缘；引出线与电极接触表面氧化，造成低电平开路；引出线与电极接触 不良；机械应力作用下电介质瞬时开路。2.是退化性失效，即电性能指标发生显著变化。表现为电容量超差、损耗角正 切值也3增大、绝缘性能下降或漏电流上升等。引起电容器电参数恶化的主要失效机理：受潮或表面污染；自愈效应；电介质电老化与热老化；电极腐蚀；杂质与有害离子的作用；引出线和电极 的接触电阻增大口吸这两种失效都会使电容器丧失功能，其中由于损耗角正切g5增大导致电容器发 热引起的失效约占全部失效形式的50%60%。因此金属化薄膜电容器损耗角正切fgb 的大小和使用中的稳定程度影响着电容器的使用寿命，反映了其性能、质量、可靠性、安全性的好坏。二、金属化薄膜电容器的主要失效分析1.局部放电造成由于加工过程中介质中存在微小气隙，金属化电容器“过度自愈”造成气隙，导致电容器在高电压作用下产生局部放电，电容器内部迅速聚集大量的热，来不及散 发，又造成周围介质的进一步破坏，局部放电加剧，形成恶性循环的。工程硕士论文金属化薄膜电容器损耗的工艺研究2.损耗引起的电容器温升一个理想的电容器在工作时无能量耗散，但由于介质损耗和电容器内部金属电 阻和接触电阻的存在，使电容器呈现明显的阻态特性，在有负载时导致电容器发热，并经电容器外表面将热量散到周围环境中去，从中心到外表之间建立一个温度梯度，当发热量小时，发散热能够平衡；当发热量大时，发散热不能平衡，电容器温度升高,导致失效，引起外壳鼓胀、变形、开裂、有机膜熔融成团块，严重时发生爆炸和燃烧 等现象。为此，损耗是发热的根源，造成电容器失效的主要因素。1.7 本论文的选题背景和意义随着电子信息产业的发展以及家电的普及，我国的电容器行业得到了空前发展，从数量上、质量上、服务上、满足了电子整机及家用电器发展的需要，并带动了相关 的材料行业、设备行业、仪表行业的发展。从销售额来看，电容器的生产主要集中 在日本、中国内地和我国台湾地区，我国已成为全球电容器产品仅次于日本的生产大 国。从数量来看，自改革开放以来，日本、韩国及我国台湾地区将电容器制造业转向 中国内地，世界电子信息整机制造业在中国内地设厂，跨国公司在中国内地采购，我 国不但是电容器生产大国，而且也是消费大国。国内市场整机生产所需的电容器增长 巨大，我国越来越成为全球电容器消费的重要市场，电容器行业在2006年2010年 期间存在较大的发展空间。电容器制造业必须适应新环境：新的电子信息整机、家 用电器、通信设备等的不断出现，为电容器行业带来机遇，电容器企业应顺应市场变 化，提高产品质量，不断推出适应不同整机要求的新产品，才能做大做强。有机薄膜电容器行业既属于资金、技术密集型产业，也是开放性行业，不受政 策性保护。据我们的最新统计资料，全球有机薄膜电容器2006年市场销量为300亿 只，其中绝大部分是传统的引线式薄膜电容器，尤其是金属化薄膜电容器，市场上大 量低档产品供过于求，而高档产品供不应求，主要依靠进口。随着我国信息产业的迅 速发展，国外著名薄膜电容器制造商，如：德国EPCOS集团、日本松下等公司纷纷在 国内投资办厂，竞争态势日显“国内市场国际化、国际竞争国内化”，因此提高企业 技术水平、提升产品档次是企业生存的关键。铜峰电子是国内目前唯一具有电容器用薄膜一一金属化膜一一薄膜电容器一条 龙生产格局的国家大型企业，安徽省高新技术产业化百亿元工程第一批重点承担单 位。铜峰电子主营薄膜电容器及其相关材料等，其“铜峰”牌系列电容器、有机薄膜、金属化薄膜三类产品的市场占有率始终保持全国第一。在铜峰电子的三大类主导产品 中，电容器用聚丙烯薄膜年生产能力3500吨，位居全国第一，亚洲第二，世界第三；电容器用金属化薄膜年生产能力1200吨以上，也是位居全国第一位；交流电力电容 器4亿多微法、新型直流薄膜电容器年产能力5亿只，居全国第八位，其中金属化膜 电容器产值占该公司电容器的90%以上，规格如下：CL21型金属化聚酯薄膜电容器；10工程硕L论文金属化薄膜电容器损耗的工艺研究CL21X小型金属化聚酯薄膜电容器；CBB21型金属化聚丙烯薄膜电容器；CBB21s 型交流、脉冲金属化聚丙烯薄膜电容器；CL62型抑制电磁干扰和电源网络连接用 金属化聚酯薄膜电容器；CBB65型空调用电容器；MKP型安规电容器等。我国金属化薄膜电容器的发展现状：自上世纪六十年代以手工生产的金属化薄 膜电容器问世以来，我国金属化电容器大致经历了三个发展高潮：八十年代以彩电国 产化为契机完成了由手工作业到单机自动化的引进技术改造；九十年代以电子整机的“短、小、轻、薄”为中心完成了金属化薄膜电容器的小型化（卷绕型和金属化叠片 型）的技术改造；进入本世纪以来为配合电子整机的安全性和可靠性要求，经历了以 安规电容为主的技术改造。近年来金属化薄膜电容器又迎来了股份制改制和民营投资 为主的第四个发展高潮回。铜峰电子对金属化薄膜电容器的技术开发一直走在同行的前列，历来注重金属 化薄膜电容器新工艺的推广、新材料的使用和新产品的研发，对质量的追求永无止境。公司认识到，在影响金属化薄膜电容器产品质量的诸多因素中，损耗一直是最主要的 因素，据我公司的资料统计，因金属化薄膜电容器的损耗不合格（含开路、上机失效、损耗不稳定）引起的用户申诉、退货远超过了其它电参数质量问题，每年造成的外部 质量损失约有数十万元，因此十分重视和支持降低、稳定金属化薄膜电容器损耗的工 艺和试验研究。传统的降低、稳定金属化薄膜电容器损耗的主要技术手段为：选用优良品种 的介质材料、金属化膜、喷金材料、CP线等；选用全自动化、高精度的生产设备，高精度的检测仪器，完备的周期试验手段；具备净化处理的恒温恒湿的作业环境；加强重点工序卷绕、压扁、喷金、焊接、分选的工艺控制，加强操作人员的培训，严格遵守操作规程；车间实行5s管理；产品技术指标采用IEC标准，工厂管理 已取得IS09000资格证书，质量在受控的状态下进行企业的一切活动；IS014000认 证；绿色环保无铅化工作基本完成；长城CQC、UL、CSA、VDE等八国安全认证普遍实 施R通过国内同行厂家调研和互联网查询得知，目前我国国内有关研究降低、稳定 金属化薄膜电容器损耗工艺的论文、报道、技术研究很少，所以降低、稳定金属化薄 膜电容器损耗的工艺研究对我国金属化薄膜电容器制造技术的发展具有十分重要的 意义。同时，金属化薄膜电容器生产技术的不断改进（如新材料、加工技术和制造手 段等方面）和产品设计的优化、变革，必将推动我国电容器制造技术的飞速发展，赶 超世界先进水平，振兴我国的民族工业。1.8 金属化薄膜电容器损耗工艺研究概况、本课题的内容1.8.1金属化薄膜电容器损耗存在的问题和研究方向11工程硕上论文金属化薄膜电容器损耗的工艺研究金属化薄膜电容器使用过程中，损耗角正切值由5超标或不稳定性已成为影响金 属化薄膜电容器质量的主要因素，常出现相同的电容器芯子（原材料、生产工艺相同）在不同的喷金和焊接状态下得到不同的检验结果。在生产过程中对这类电容器的设 计、制造工艺等虽进行了必要的改进，但在高频、高电压、高脉冲、大电流作用下，损耗角正切值zgb变化甚至恶性增大现象时有发生。因此从影响金属化薄膜电容器损耗角正切值rgb最大的关键工序和金属化膜入 手，在电容器的设计、喷金料选用、喷金工艺改进、焊接状态调整、焊接工艺改进等 方面进行试验研究，找出导致损耗角正切值fgb增大和发生变化的主要原因，进而提 出改进措施，有利于提高金属化薄膜电容器的制造水平。1.8.2 金属化薄膜电容器损耗工艺研究的方法和内容1.8.2.1 方法1）以理论分析为指导，从设备、材料、工艺等方面进行研究，努力找出降低、稳定金属化薄膜电容器损耗角正切值由内的主要因素，开展基膜、金属化膜、喷金料 等的优化选用；喷金和焊接工艺改进研究；工艺参数的合理搭配等。2）采用先进仪器和测试手段，如采用频率为lOOkHZ的仪器（如丹麦产DB232）检测损耗角正切值，探寻出其中的一般规律并采取相应的措施。3）对制造中的重点工序展开研究，提出工艺创新方法，提高我国的电容器制造 水平，生产出更多种类的高档次的产品。1.8.2.2本文研究的主要内容本文进行了金属化薄膜电容器生产工艺特点的研究，介绍了金属化薄膜电容器 的结构、特点、主参数，建立了损耗分析模型，并分析了影响金属化薄膜电容器损耗 的主要因素，继而提出了本文的研究对象即降低和稳定金属化薄膜电容器损耗的工艺 思路。通过对金属化薄膜电容器损耗的理论分析，提出了降低金属化膜的方阻、控制 芯子的错边、提高喷金层与金属层的粘结强度、保证喷金层完整度、降低喷金层与引 线之间的桥接电阻，以及改进喷金、焊接工艺方法，是实现对金属化薄膜电容器损耗 角正切tgS控制的有效措施。为达到生产出理想产品的目的，在工艺方面，重点从喷金和焊接两道工序入手，通过工艺参数的优化设计、工艺控制、设备状态调整、操作等提高金属化薄膜电容器 损耗角正切值的稳定性，进而提高电容器耐大电流和高脉冲的能力，满足用户日益提 高的要求。本选题具有先进性、实用性、可行性，并且能够创造出良好的经济效益与社会 效益。12工程硕士论文金属化薄膜电容器损耗的T艺研究第二章 金属化薄膜电容器损耗的理论分析2.1 金属化薄膜电容器损耗的组成金属化薄膜电容器的损耗主要由介质损耗、漏导损耗和金属损耗组成。2.1.1介质损耗介质损耗是指绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，也叫介质损失，简称介损。介质损耗包括电导损耗、极化 损耗和电离损耗等。电导损耗是介质的漏电流所引起的；极化损耗一般是由于电介质 极化比较缓慢而造成的；电离损耗就是因为电容器的介质与极板之间的边缘部分存在 着空气隙，当气隙之间的电压超过电离电压时，气隙间产生放电，因而引起能量的损 耗口九介质损耗分为主介质损耗和辅助介质损耗两部分。下面是几个术语介绍：1.介质损耗角S在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角（功率因数 角力）的余角（6）,简称介损角。2.介质损耗角正切值rgb又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称介损角正切。介质损耗角正切的定义如下:介质损耗因数（坨5户被测试品的有功功朝 被测试品的无功功较xlOO%如果取得试品的电流相量i和电压相量廿，则可以得到如下相量图:图2.1 电容器损耗等效电路图总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成，因此：介质损耗因数100%=器100%=詈x 100%这正是损耗角6=（90-6）的正切值，因此现在的数字化仪器从本质上讲，是 通过测量或者得到介损因数。用测量介损来判断电容器的绝缘状况是一种传统 的、十分有效的方法。并且可进一步分析出导致绝缘下降的原因，如：绝缘受潮、介 质老化变质等等3.主介质损耗（tg%）：对于 PE 膜，tg6 3xlO-3；对于 PP 膜，tg3 1(TQ相对很大，故tg0,该项可略。2对cRp 夕 产上式简化为：Egb=igSdl+g3d2+tgb+tg%土 tgdi+tg3e Ce J=27rfcrdA+27rfcxre=27rfcrd+2 可cr。(2-3)等效电路图如下：C1 广c rd re-II-C=l-L-图2.4 金属化电容器等效电路图 讨论与分析：损耗化取决于金属化薄膜介质的本身，它主要是由介质本身的 性质所决定的，在实际生产过程中，除选择品质优良的金属化薄膜介质外，无更多的 办法降低由内一因此，在介质材料确定的条件下，降低和稳定金属化薄膜电容器损 耗fgb主要取决于金属部分Egb。的损耗，金属部分的损耗Eg。约占fgb的510%,但 却是最主要的影响因素。2.3 金属化薄膜电容器金属部分损耗名瓦的理论分析模型2.3.1金属部分损耗火电的组成在金属化薄膜电容器生产过程中只要原材料质量保证，介质损耗、漏导损耗则 相对不变，可视为一常数。由此可见金属化薄膜电容器的损耗角正切值Egb变化是金15T程硕I:论文金属化薄膜电容器损耗的T艺研究属部分损耗坦式变化引起的，且也式=17rfcre o金属部分损耗fg2包括以下四部分，即引出线的损耗由极板（电极电阻）的 功率损耗a心2、喷金层与电容器芯体端面之间的桥接电阻陪乞3和引线与喷金层之间 的焊接电阻吆直4四部分组成。即也式=3e+*2+g%+坦殍4。其等效电路图如下：ne e4图2.5%的组成等效电路图2.3.2引出线的损耗暂金属化薄膜电容器引出线的损耗可表示为：tg%】金属化薄膜电容器工作在直流或脉动电路中，引出线的等效电阻2是很小的,其损耗功率也很小，故引出线的损耗修幻可忽略。尽管如此，为了把引出线电阻造成的影响减到最小，需对作为电极的引出线加 以分析：金属化薄膜电容器的引出线通常采用。0.5mm、00.6mm、。0.8mm的镀锡铜包钢 线（CP线），其截面图如下：钢芯层包铜层镀锡层图2.6引出线（CP线）的剖面图因电极的导电层集中靠近引出线的外层，即如上图所示的铜包层的位置。为减 小引出线的电阻，根据电阻定律R=p/s,需减小引出线的电阻率，由于夕铜p株,根据电流的集肤效应，电流集中在引线外层，故采用了铜包层，以增加引出线的导电 能力；为了提高引出线与喷金层和外部电路连接的焊接能力，采用了镀锡层用以提高 引出线的可焊性；为进一步减小电阻值还需尽可能地采用大截面和尽可能短的引出 线。2.3.3极板的损耗也比2 间金属化电容器极板的损耗角正切值可表示为：出02=2碇%2设电容器极板的损耗功率：%=/2xf其中/为电流之为极板等效电阻，可通过减小等效电阻力来降低损耗功率有，达到减小极 板损耗角正切值的目的。为找出减小损耗角正切值的措施，需对金属化电极的电流分16匚程硕L论文金属化薄膜电容器损耗的工艺研究年进行分析，如下图所示:图2.7 芯子极板电流分布等效图金属化电容器属无感电容器，设极板的有效长度为L、有效宽度为b、厚度为4，错边和留边部分载流电极宽为Ab,极板材料的电阻率为Q,极扳始端的电流为/（忽 略介质的漏导电流部分），下端电流降为零，在距下端距离为X处取长度为公的单元 极板层，此处的电流为乙。此单元极板层的损耗功率为:dP=Lde(2-5)按芯子极板电流分布等效电路图，九=/又：代入上式得:bdP=I工 f x2dx b2deL上、下两极板的总损耗功率为二尸=21夕-+2/2(x2dx L df b2deLAZ?4-2/b2dfLL4T(2 6+-p-D L de)(2-6)该式与=/陵七比较，尸=%时:b+3MLd；(2-7)由此可见，欲减小等效电阻力,设计卷绕型金属化膜电容器芯子时，在其额定 电压和外形尺寸允许的前提下，应尽可能选取宽度6和留边M较小的低方阻（4大）的金属化膜，同时采用小错边卷绕。17工程硕上论文金属化薄膜电容器损耗的T艺研究2.3.4喷金层与电容器芯体端面金属之间的桥接电阻名刍 即如下图所示1与2之间的桥接电阻构成公。W1金属化电容器芯子2-喷金层图2.8金属化电容器芯子喷金后示意图当喷金层与金属化膜的金属层接触不牢、不致密，两导体表面吸附某些气体或 其它杂质，使得两导体间形成一个很薄的间隙，约在几个埃到几十埃之间。间隙对于 电子形成位垒，电子可按一定的几率穿过位垒，从一个导体跑到另一个导体，这样就 形成了间隙电阻即接触电阻。如在生产过程中，工艺控制不严，较大的接触电阻引起 功耗增加，导致电容的损耗超标不合格。同时喷金材料的选用也是至关重要，与金属层同种或相近的金属喷金材料有利 于与金属镀层相互渗透，接触处金属之间形成金属键，接合牢固，减小喷金层与镀层 间的接触电阻。2.3.5引线与喷金层之间的焊接电阻引起的损耗织5“如下图所示，引线与喷金层之间的焊接电阻z是由喷金层2与引出线（CP线）3之间的接触电阻形成。因此，焊接质量是它的决定因素。注.电容器芯子.2.喷金层.3.引线（CP线）.图2.9金属化电容器芯组焊接是利用低电压、大电流短路放电产生的瞬时高热量来熔化芯子端面喷金和18工程硕士论文金属化薄膜也容器损耗的工艺研究引线上的镀锡层，使两者熔合在一起，达到电容器的电极引出的目的。焊接质量的好坏决定着引线与喷金层之间的桥接电阻的大小，是决定义电4的 关键。2.4 金属化薄膜电容器损耗名5的的测试方法金属化薄膜电容器损耗角正切值Egb是影响其质量的一个重要指标。由于产品的 使用场合越来越趋向于高频，所以用户对fgb的要求越来越高，损耗角正切值rgb由 原先的IKHz测试变为lOKHz测试，有的甚至要求lOOKHz测试。这是因为金属化薄膜电容器损耗主要取决于金属部分名瓦的损耗，而 tg3e=27tfcre,即名5与测试频率/成正比，因此金属化薄膜电容器的损耗角正切值 在低频测试时较小，测试频率越高fgb值越大，其差别通过损耗角正切值fgb的大小 反映得特别明显。生产中采用高频测试损耗，这样可以明显地反映出因接触电阻增大 而造成的损耗变化。当金属化也容器端面喷金或焊接状态不好，会降低电容器芯子端面金属层与喷 金层或引线与喷金层的结合度，导致接触电阻超标、恶性增大或显著变化。当电容 器充电后进行短路放电，大电流通过喷金面时因接触电阻弓而产生热量，金属部分损 耗（发热）功率尸=/2*%,其发热量与接触电阻弓、瞬间电流/的平方成正比，瞬 态大电流在接触不良处产生局部高温，造成薄膜横向收缩，使金属层与喷金层的桥接 电阻之进一步增大，从而使其高频测试条件下的金属损耗值由心增大，严重时导致 金属层与喷金层脱落、电容器失效。因此，利用高频测试损耗角正切值发现电容器的内部缺陷是一个有效的办法。2.5接触损耗的影响与控制当主介质损耗晦、漏导损耗rg3合格时，接触部分的损耗即成为电容器发热 及耐电冲击能力低的根源，也是导致电容器失效的主要原因。接触部分的损耗主要是 蒸发层与喷金层之间、喷金层与引线之间的接触损耗两部分。这两部分的损耗都可以 通过工艺加以控制。如CBB类金属化聚丙烯薄膜电容器，只要一旦金属化膜方阻及宽度选定，其形 成的值也就确定，起变化的主要是喷金接触电阻和焊接牢度的接触电阻形成的 坦瓦。因此降低和稳定电容器损耗的关键在于降低和稳定喷金接触和焊接牢度的接触 电阻，即提高电容器的喷金和焊接质量。接着我们对降低和稳定金属化薄膜电容器损 耗的具体可行的措施展开讨论。19工程硕士论文金属化薄膜电容器损耗的工艺研究第三章 金属化薄膜电容器损耗的工艺研究由于金属化薄膜电容器的制造具有工序多、工艺复杂、质量难于控制的特点，因此我们应抓住问题的关键。通过第二章的理论分析，为达到降低和稳定金属化薄膜 电容器损耗的目的，对金属化薄膜电容器的制造工艺应从以下几方面开展研究：3.1降低、稳定金属化薄膜电容器损耗在设计和工艺方面应注意的问题1.芯子尺寸的结构设计要充分考虑易于散热，即增大表面散热面积和散热系数。2.在几何尺寸允许时，可尽量缩小电极宽度，增大端面，减小端面电流密度，降低滞留电感损耗，获得更大的dV/dt值（即搞高电压瞬态脉冲性能）。3.采用低方阻电极、Zn/AL电极、边缘加厚电极、渐变方阻电极等。4.额定电压400V以上的小容量电容器，可采用内串结构，提高起始游离电压,有效地降低自愈性击穿带来的结构性失效。5.选择纵/横热收缩率合理的介质膜，控制合理的卷绕张力，优化热定型工艺参 数，防止和减少气隙。6.采用Q排掩膜方式，降低表面飞弧，合理喷金工艺，尽量降低桥接电阻。7.用高频大电流充放电，尽量剔除焊接不良品，降低放行批产品早期失效风险。3.2 降低、稳定金属化薄膜电容器损耗的主要工艺途径3.2.1卷绕工艺3.2.1.1 金属化膜的选择在生产工艺相同的条件下，用方阻不同的金属化膜生产出电容器的损耗是不一 样的。金属化膜蒸发层方阻是影响电极损耗的主要因素，蒸发层金属膜薄则方阻大，电容器的自愈性能好，但电容器的名心较大；反之金属膜厚方阻小，电容器的自愈性 能差，名心相应较小。为减小电极电阻应适当增加金属镀层厚度以减小金属化膜的方 阻，从结构设计上采用尽可能窄的金属化膜以减少金属化膜方数。采用低方阻金属化膜、边缘加厚金属化膜或采用渐变方阻金属化膜，能增加芯 体端面的接触牢度，可降低喷金层与电容器芯体端面之间的接触电阻和构成电容器的 有效电极电阻，但电容器的体积略有增加。3.2.1.2 电容器芯子错边1.控制卷绕时两金属化膜相互错开距离从理论上讲，错边尺寸AL越大越好，可增大金属化膜电极与喷金层接触面，减 小接触电阻。如图3.1所示：20工程硕上论文金属化薄膜电容器损耗的工艺研究图3.1金属化膜卷绕白芯子剖面示意图但考虑工艺的可能性，错边过大AL制造成本增大，同时薄膜在热压收缩时易造 成端面倒塌；以及喷金工序，在喷涂压力的作用下，因错边而伸出的薄膜发生倾斜，喷金棵粒不能渗入错开的膜层，从而减小了接触面积，薄膜与喷金层的接合力减小，接触电阻增加皿。所以金属薄膜错边控制在0.81mm之间比较恰当。2.应注意控制卷绕的张力适当。张力过大膜易受损变形，在后道工序中残留的空气不易排出，并在高温处理时 膜更易收缩脱离喷金层：张力过小膜层间会残留空气。3.2.1.3 热聚合（压扁）工艺对损耗的影响该工艺是利用聚丙烯薄膜受热收缩的物理性能，在加热过程中，聚丙烯在纵向 横向发生均匀热收缩，把卷绕时残留在金属化膜层间的空气挤出，同时也使吸附在膜 上的潮气受热蒸发掉，热聚合提高了电容器的紧密度和电性能的稳定性。如果热聚合不充分，造成芯子定形不彻底，膜层松驰，导致容量下降，电晕放 电耐压下降，损耗增大，因此热聚合必须严格控制温度、时间及压力。部分高要求电 容器为了充分聚合，避免热压机极板传热不均匀性，可将产品在一定温度烘房内压扁，使产品受热均匀聚合，达到性能稳定。3.2.2 喷金工艺3.2.2.1 喷金质量与损耗的关系为了引出电极就必须在金属化薄膜电容器芯子的两端面喷上金属层，因而电容 器的tg 6与喷金工艺有着直接的关系。喷金质量的好坏决定了电容器金属部分接触 电阻的大小，是影响电容器的接触损耗主要因素。为保证喷金质量，增大金属化膜电极与喷金层接合强度，减小接触电阻对损耗 的影响，应选用低溶点喷金材料，并控制好电弧电压、压缩空气（必须经过干燥和过 滤处理、防止杂质和喷金材料被氧化）压力以及喷枪与电容器端面之间的角度和距离，确保喷金颗粒均能良好地渗入极板，避免聚丙烯膜的边缘因发热而收缩及喷金料在喷 涂过程中氧化，获得较好的喷金质量。3.2.2.2 喷金质量的影响因素喷金材料的选择、喷枪高度、喷金气压、电压、喷金机的送丝速度、电容器芯 子移动速度及芯子端面预先除尘等决定了喷金层的质量（见表3.1）,表现为喷金颗21T.程硕士论文金属化薄膜电容器损耗的工艺研究粒的粗细、喷金层的厚度、喷金层与金属层粘结强度、氧化程度、喷金时膜是否烫伤 和烫伤程度等。相互关系如表3.1所示：表3.1各主要匚艺因素与喷金质量指标的关系工艺参数粒子大小及氧化射入深度及粘结强度厚度及均匀度膜烫伤程度空气压力OO送丝速度OOOO芯子移动速度OO喷枪高OOOO电压OOO注：代表该工艺参数对喷金层质量指标有影响3.2.2.3 喷金材料的选择为使喷金层和芯子端面金属化层之间有良好的接触以减小端面接触损耗，在选 择喷金材料时，必须选用与金属化膜的金属层接触电位差尽量小的材料，以增加喷金 层与金属化膜的金属层之间的粘接强度和相互渗透力。同时还需满足环保要求。众所周知，随着人类环保意识的日益增强，全世界对消费类电子产品有毒有害物 质限制使用的呼声越来越高，在国际明令限制使用的六种有毒有害物质（铅、汞、镉、六价铭、聚溟联苯和聚澳二苯酸）中，涉及喷金料的有2种，即铅和镉。因此使用无 铅（无铅的含义并非完全没有，是限制喷金料中的铅镉含量，国标规定铅含量不大于 400ppm,镉含量不大于30 ppm）喷金料。目前国内外很多电容器厂家都已改变工艺，从使用传统铅基喷金料更换为无铅喷金料。为了适应喷金料的更新换代，积极进行无 铅喷金料的工艺试验，并取得成功从诸多无铅喷金料中，优选出锌锡系列合金丝和锌丝作为金属化薄膜电容器端 面喷金的金属材料。根据同种或相近金属易扩散的原理，如锌锡系列合金丝同金属化薄膜电容器的 锌铝膜层和铝镀膜层更易结合，表现出材料之间结合牢固、附着力强、损耗角小，是 电容器厂家用于生产精品电容器及耐温、耐压要求较高电容器的首选材料，其主要成 份与性能如表3.2：表3.2锌锡合金主要成份编号主要成份强度 N/mm2断后延伸 率电阻率Clmm2/m熔点液相线固相线5Sn9Zn9638104.17212.0196.56Sn9Zn9036106.49215.21983.2.2.4 压缩空气的压力、流量和净化度的控制227r程硕士论文金属化薄膜也容器损耗的t艺研究1.通常压缩空气的压力控制在0.70