薄膜電容賦能儀的研制

任蓉莉，荊 萌，張國勇

(1.中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024）2.山西省氣象局山西太原 030002)

電容器是一種使用面廣，用量大且不可替代的電子元件，廣泛應(yīng)用于家用電器、顯示器、照明電器、通訊產(chǎn)品、電源及儀器、儀表等電子設(shè)備中。而薄膜電容因其具有優(yōu)良的特性，如容值穩(wěn)定，耐壓性能好，絕緣電阻高，頻率響應(yīng)寬、介質(zhì)損失小等，近年來需求激增。

結(jié)合我國各類薄膜電容器的進出口情況可以看出，小型化、片式化是有機薄膜電容器的發(fā)展趨勢。疊片式金屬化有機薄膜電容器具有抗高頻脈沖、抗大電流能力、工藝流程短、制造成本低、價格競爭力強等突出優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種場合。

疊片式薄膜電容器的主要生產(chǎn)流程為：鍍膜、分切、卷繞、熱壓、噴金、開邊、切片、賦能、焊接、封裝、分選、編帶等。其中，賦能是疊層薄膜電容器生產(chǎn)中必需的一道工序，賦能的好壞直接關(guān)系到電容器的品質(zhì)，進而影響到設(shè)備的成品率。

1 儀器開發(fā)

1.1 儀器開發(fā)背景

薄膜電容行業(yè)已發(fā)展多年，我國目前既不是薄膜電容器的生產(chǎn)大國，也不是生產(chǎn)強國。日本、德國、意大利目前是疊片式薄膜電容器的主要生產(chǎn)國和出口國，其中日本產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量在世界上處于領(lǐng)先地位。

由于我國薄膜電容疊層工藝生產(chǎn)線基本上是全套引進，因而主要的關(guān)鍵設(shè)備完全依賴進口，國產(chǎn)設(shè)備大都用于一些輔助工序。由于缺乏先進裝備的支持，國內(nèi)電容企業(yè)一直處于競爭劣勢。伴隨著國內(nèi)外對薄膜電容器需求的不斷增長，與電容器相關(guān)的先進生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)成為首要任務(wù)。

基于此，我們開發(fā)了薄膜電容賦能儀，它提供了一個調(diào)幅的正弦波為電容賦能，它的頻率高、功率大，可以為電容器提供更高效的能量。

1.2 賦能機理

金屬化有機薄膜電容器用的介質(zhì)材料大多是在普通聚酯或聚丙烯類薄膜上通過高溫蒸發(fā)鍍上一層鋁金屬化薄膜制定，其特點是具有自我復(fù)原作用，即當(dāng)有機薄膜的缺陷處被擊穿時，極板間產(chǎn)生短路放電電流而使被擊穿部位周圍的金屬層熔化并蒸發(fā)，從而恢復(fù)極板間介質(zhì)的絕緣性能，提高工作場強，保證電容器的繼續(xù)使用。

如圖1所示，若薄膜中的缺陷(例如導(dǎo)電與半導(dǎo)電雜質(zhì))在賦能時造成薄膜的局部擊穿，會產(chǎn)生適度放電，使擊穿處的局部溫度突然升高并產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致缺陷處的薄膜介質(zhì)燒穿和缺陷周圍的金屬化層熔化并被蒸發(fā)，致使缺陷處的薄膜介質(zhì)的絕緣性能恢復(fù)，從而使整個金屬化薄膜介質(zhì)的絕緣性能恢復(fù)。

圖1 賦能過程示意圖

在電容器的制造工藝過程中，將存在于薄膜介質(zhì)中的導(dǎo)電與半導(dǎo)電雜質(zhì)“清潔”掉，可以避免薄膜電容器在賦能時的多層擊穿現(xiàn)象，從而保證電容器的質(zhì)量，進一步增加薄膜電容器的絕緣電阻。

1.3 儀器原理

薄膜電容賦能儀的基本工作原理如圖2所示。正弦波發(fā)生器以及控制電路產(chǎn)生一個幅度受控制的正弦波送到功率放大器，功率放大器把這個調(diào)幅波不失真地放大到具體所需電壓值，輸送到變壓器初級，由變壓器轉(zhuǎn)換到需要的電壓提供給等待賦能的電容。

圖2 儀器原理框圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整機結(jié)構(gòu)框圖

如圖3所示，正弦波發(fā)生器電路由集成電路8038以及外圍電路組成。波形調(diào)制電路采用乘法器電路，由集成電路AD633以及外圍電路組成。幅度放大采用特制的變壓器。

正弦波發(fā)生器8038的8腳為調(diào)頻電壓輸入端，通過電位器以及頻率選擇開關(guān)調(diào)節(jié)賦能頻率(從0.1 kHz到2.0 kHz)，實際生產(chǎn)中比較常用的是0.5 kHz這個賦能頻率。調(diào)制后的正弦波通過功率放大器放大到具體所需要的峰值電壓,輸送到變壓器的初級，由變壓器轉(zhuǎn)換到需要的電壓(電壓分四檔控制)。賦能電壓最終被加到設(shè)備的賦能工位為電容賦能。

此外，我們還設(shè)計了通過對賦能電流采樣，對采樣電流的最小值進行分檔比較，把最終的比較值輸出到PLC，進一步完成了設(shè)備對空片和賦能不良產(chǎn)品的檢測。

圖3 整機結(jié)構(gòu)框圖

2.2 正弦波發(fā)生器

薄膜電容賦能儀正弦波發(fā)生器采用了集成電路ICL8038以及外圍電路。ICL8038是精密波形產(chǎn)生與壓控振蕩器，其基本特性為：可同時產(chǎn)生和輸出正弦波、三角波、鋸齒波、方波與脈沖波等波形。

它的原理框圖如圖4所示，外接電容C由兩個恒流源充電和放電，電壓比較器A、B的閥值分別為電源電壓(指UCC＋UEE)的2/3和1/3。恒流源I1和I2的大小可通過外接電阻調(diào)節(jié)，但必須I2＞I1。當(dāng)觸發(fā)器的輸出為低電平時，恒流源I1給C充電，I2斷開，此時，電容兩端的電壓隨時間線性上升，當(dāng)電容兩端的電壓達(dá)到電源電壓的2/3時，電壓比較器A的輸出電壓發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，此時，恒流源I2接通，電容兩端的電壓開始直線下降，當(dāng)它下降到電源電壓的1/3時，電壓比較器B的輸出電壓發(fā)生跳變，使觸發(fā)器的輸出由高電平跳變?yōu)樵瓉淼牡碗娖?。如此周而?fù)始，產(chǎn)生振蕩。

ICL8038管腳功能見圖5。

圖4 ICL8038原理框圖

圖5 ICL8038管腳功能

當(dāng)I2＝2I1時，觸發(fā)器輸出為方波，經(jīng)反相緩沖器由管腳⑨輸出方波信號。當(dāng)電容兩端的電壓上升與下降時間相等時，為三角波，經(jīng)電壓跟隨器從管腳③輸出三角波信號。將三角波變成正弦波是經(jīng)過一個非線性的變換網(wǎng)絡(luò)(正弦波變換器)而得以實現(xiàn)，在這個非線性網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)三角波電位向兩端頂點擺動時，網(wǎng)絡(luò)提供的交流通路阻抗會減小，這樣就使三角波的兩端變?yōu)槠交恼也?，從管腳②輸出。

本方案是產(chǎn)生和輸出正弦波，通過改變外接電阻、電容值，使輸出信號的頻率范圍為0.1 kHz～2.0 kHz，正弦信號輸出失真度為1%。此外，改變8038的調(diào)制電壓，可以實現(xiàn)數(shù)控調(diào)節(jié)。ICL8038采用DIP-14PIN封裝。

經(jīng)過試驗驗證，用集成電路ICL8038及其外圍電路構(gòu)成正弦波發(fā)生器，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都能滿足要求。

2.3 波形調(diào)制

薄膜電容賦能儀波形調(diào)制電路采用了模擬乘法器電路，由AD633及外圍電路構(gòu)成。

模擬乘法器是對兩個模擬信號(電壓或電流)實現(xiàn)相乘功能的有源非線性器件。主要功能是實現(xiàn)兩個互不相關(guān)信號相乘，輸出信號與兩輸入信號的乘積成正比。AD633是一種典型的模擬乘法器。如圖6所示，它有兩個輸入端口，即X和Y輸入端口。其中輸出端：

可以根據(jù)客戶的具體要求去調(diào)節(jié)波形的上升時間和賦能時間。

圖6 AD633功能框圖

3 結(jié)束語

賦能是薄膜電容切片機生產(chǎn)工藝中必不可少的一道工序，直接關(guān)系到產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，對于提高設(shè)備的生產(chǎn)效率發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。賦能儀的開發(fā)使用，生產(chǎn)出的電容質(zhì)量，賦能后與賦能前相比，容量更加穩(wěn)定，損耗更小，質(zhì)量更加有保證。

[1] 翟光亞.國產(chǎn)分切機的賦能設(shè)計與設(shè)備改造[J].電子元件與材料,2001,(20)3:5-6.

[2] 于凌宇,翟光亞.金屬化薄膜電容器賦能機理分析與新型分切賦能裝置的研制[J].電子質(zhì)量,2001(5):11-12.