薄膜電容器引腳焊接位置的改進(jìn)對(duì)損耗性能的影響

邱小波

(智新電子（廈門）有限公司，福建 廈門 361115)

行業(yè)所稱的安規(guī)薄膜電容器一般指通過(guò)VQE/CQC/UL/CB等認(rèn)證，安全系數(shù)高，可工作在交流電壓下，耐壓常用AC標(biāo)注的金屬化薄膜電容器。結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要是由芯子、引腳、環(huán)氧樹(shù)脂填充材料及絕緣盒子組成。其中芯子由兩層非常薄的聚丙烯金屬膜（又稱PP膜）或者聚酯金屬膜（又稱PE膜）纏繞而成。

圖1 安規(guī)薄膜電容器結(jié)構(gòu)圖

1 薄膜電容器制造工藝

薄膜電容器的制造工藝大致是將纏繞好的芯子經(jīng)過(guò)熱壓工序以排除里面殘余的空氣，熱壓后的芯子兩端噴上金屬粉層以保證金屬層與兩端粉層良好的導(dǎo)電接觸作用。再經(jīng)過(guò)高壓清除工序以淘汰掉噴金時(shí)噴得厚薄不均或者接觸不良的失效品，合格品兩端點(diǎn)焊上引線起導(dǎo)通作用，同時(shí)灌上環(huán)氧樹(shù)脂并在一定溫度和時(shí)間下固化，固化后的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)篩選就可以得到合格的產(chǎn)品。

安規(guī)薄膜電容器在生產(chǎn)過(guò)程中主要工序如圖2所示。

2 薄膜電容器的損耗

體現(xiàn)電容器產(chǎn)品質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)有：電容器的損耗角正切值、容量及偏差、絕緣電阻、電容器的介電強(qiáng)度又稱耐壓。

圖2 安規(guī)薄膜電容器的主要生產(chǎn)工序

薄膜電容器的損耗是衡量電容器品質(zhì)優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，可以衡量電容的基本無(wú)效性，可定義為電容器在外加電壓的作用下，單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為電容器的損耗。損耗因數(shù)常常隨著溫度和頻率而改變。采用云母和玻璃電介質(zhì)的電容，其DF值一般在0.03%至1.0%。室溫時(shí)，陶瓷電容的DF范圍是0.1%至2.5%。電解電容的DF值通常會(huì)超出上述范圍。薄膜電容通常是最佳的，其DF值小于0.1%。損耗越大發(fā)熱越嚴(yán)重，則表示電容器傳遞能量的效率越差。

在生產(chǎn)過(guò)程中降低金屬化薄膜電容器損耗的主要措施有：

（1）保證原材料特別是金屬化薄膜和引線的質(zhì)量；

（2）電容器應(yīng)在特定的溫度和濕度下生產(chǎn)；

（3）在電容器生產(chǎn)的各道工序中降低電容器的接觸電阻，從而降低電容器的損耗。

在電容器的制造過(guò)程中對(duì)薄膜電容器損耗的主要影響因素有噴金層與金屬化膜層的結(jié)合力，而這又與噴金層粒子的細(xì)度，金屬粒子的溫度，噴金層的厚度等有直接的關(guān)系。本文主要從引腳的焊接工藝改善的角度來(lái)分析對(duì)電容器損耗的影響。

對(duì)于生產(chǎn)量大，且結(jié)構(gòu)單一的薄膜電容器產(chǎn)品的點(diǎn)焊工序，一般都通過(guò)自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)生產(chǎn)。同手工焊接相比，自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)工序同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行，比如自動(dòng)進(jìn)行高壓清除、兩端點(diǎn)焊、灌環(huán)氧膠、高溫固化及篩選測(cè)試等一系列工序。機(jī)臺(tái)調(diào)整好后，其焊接的引線位置固定，偏差很小，能保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

由于薄膜電容器種類多樣，有少部分是因尺寸、材料等差異性很大，并不適合自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)的情況。比如電容器芯子的尺寸過(guò)大，或者引線采用需要?jiǎng)兤さ娜嵝跃€纜等，這時(shí)用手工點(diǎn)焊就有明顯的優(yōu)勢(shì)。

不論手工點(diǎn)焊還是自動(dòng)點(diǎn)焊，引線焊接的位置及焊接的深淺對(duì)電容器的容量、損耗值等都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

其中一個(gè)影響是點(diǎn)焊后引腳的點(diǎn)焊位置與噴金層的結(jié)合很好，沒(méi)有裂痕，所產(chǎn)生的內(nèi)部阻抗的一致性就很小，在施加高電壓的短路充放電過(guò)程中，能承受的電壓能力就越強(qiáng)。如果焊接狀態(tài)不好，會(huì)降低芯子端面的金屬層與噴金層或引線與噴金層的結(jié)合度，從而造成接觸電阻變化。在這種條件下，在產(chǎn)品的兩極施加破壞性的高電壓短路充放電，就很可能引起焊接層面遭到破壞，從而引起容量和損耗的變化，嚴(yán)重的引起產(chǎn)品功能性失效。

3 試驗(yàn)原理

本次試驗(yàn)充分考慮到點(diǎn)焊位置的變化對(duì)于產(chǎn)品性能的影響，分別考慮點(diǎn)焊位置在噴金層的1/3處（對(duì)噴金層影響較?。┖?/3處（對(duì)噴金層影響較大）各制作了30只左右的樣品，點(diǎn)焊位置如圖3所示。并將做好的試驗(yàn)品在不加電壓和加短路充放電壓兩種情況下分別測(cè)試其容量和DF值，并將其進(jìn)行分析比較。需要注意的是加短路充放電壓是破壞性試驗(yàn)，其試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)在嚴(yán)苛的試驗(yàn)條件下產(chǎn)品的容量和損耗的破壞情況。

圖3 引線點(diǎn)焊位置

4 試驗(yàn)用薄膜電容器的材料及性能要求

試驗(yàn)用產(chǎn)品為最常規(guī)的224K275VAC盒子類安規(guī)薄膜電容器，容量為0.22 μF(220 nF)，公差10%，可在交流電壓275 V下正常工作。

主要原材料薄膜采用7 μm厚的聚丙烯金屬薄膜，芯子兩端噴金層主要材料為鋅和鋅錫合金材料，引線為常規(guī)的鍍錫銅包鋼線。

5 試驗(yàn)用薄膜電容器的工序與設(shè)備

試驗(yàn)工序?yàn)閷娊鸺案邏呵宄ば蚝Y選的合格芯子，進(jìn)行手工點(diǎn)焊，點(diǎn)焊工序分為兩批，分別為在芯子噴金層的1/3處和2/3處用手工點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊，點(diǎn)焊前測(cè)試容量和DF值，確保試驗(yàn)前的芯子為合格品。然后用引線進(jìn)行手工點(diǎn)焊，再測(cè)試容量和DF值，以觀察點(diǎn)焊后的容量和DF的變化。最后將合格產(chǎn)品進(jìn)行3次直流1 250 V的短路充放電破壞，再測(cè)試容量和DF值。并記錄其容量和DF變化的情況。

點(diǎn)焊工序所采用的主要設(shè)備有：手工點(diǎn)焊機(jī)、短路充放電破壞采用耐壓測(cè)試儀、容量和DF值的測(cè)量采用容量綜合測(cè)試儀。

6 試驗(yàn)結(jié)果

6.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的點(diǎn)焊位置在點(diǎn)焊1/3處和2/3處各做了29只樣品，容量測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，分別是點(diǎn)焊1/3處測(cè)量和短路充放電后測(cè)量容量的合格率，及點(diǎn)焊2/3處測(cè)量和短路充放電后測(cè)量容量的合格率情況。

表1 常規(guī)和1 250 V充放電后容量測(cè)試

損耗測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，分別是點(diǎn)焊1/3處測(cè)量和短路充放電后測(cè)損耗的合格率，及點(diǎn)焊2/3處測(cè)量和短路充放電后測(cè)量損耗的合格率情況。

表2 常規(guī)和1 250 V充放電后損耗DF測(cè)試

6.2 試驗(yàn)樣本的容量和損耗分布

圖4是點(diǎn)焊位置在1/3處測(cè)量容量和短路充放電后測(cè)量容量，及點(diǎn)焊2/3處測(cè)量容量和短路充放電后測(cè)量容量的所有樣品測(cè)試值的分布情況。

圖5是點(diǎn)焊1/3處測(cè)量損耗和短路充放電后測(cè)損耗及點(diǎn)焊2/3處測(cè)量損耗和短路充放電后測(cè)量損耗的所有樣品測(cè)試值的分布情況。

圖4 常規(guī)和1 250 V充放電后樣品的容量分布

圖5 常規(guī)和1 250 V充放電后樣品的損耗分布

7 試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）點(diǎn)焊位置對(duì)容量變化的影響。容量的范圍要求是 0.22 μF±10% μF，即 0.198～0.242 μF。由圖4總數(shù)29只樣品的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的分布可以看出：點(diǎn)焊的位置在1/3處時(shí)測(cè)量得到的容量值與2/3處測(cè)得的值差別不大，均為合格。但是進(jìn)行1 250 V直流的短路充放電后1/3處點(diǎn)焊測(cè)量得到的容量值仍然全部合格，而2/3處點(diǎn)焊測(cè)得的值有4只超出范圍，合格率只有86.21%。這說(shuō)明1/3處點(diǎn)焊后在破壞性高壓充放電下的表現(xiàn)比2/3處點(diǎn)焊后的表現(xiàn)要好得多。

（2）點(diǎn)焊位置對(duì)損耗變化的影響。金屬化薄膜電容器的損耗值一般要滿足小于10%的要求。由圖5總數(shù)29只樣品的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的分布可以看出：1/3處點(diǎn)焊測(cè)量得到的損耗值與2/3處點(diǎn)焊測(cè)得的損耗值差別不大，均合格。進(jìn)行1 250 V直流短路充放電后1/3處點(diǎn)焊測(cè)量得到的損耗值有3只不合格，合格率為89.66%，而2/3處點(diǎn)焊測(cè)量得到的損耗值有7只不合格，合格率為75.86%。很明顯的是1/3處點(diǎn)焊后在破壞性高壓短路充放電的試驗(yàn)條件下測(cè)損耗值的合格數(shù)量要優(yōu)于2/3處點(diǎn)焊后測(cè)損耗值的數(shù)量。

8 結(jié) 論

（1）從原理上解釋了引腳點(diǎn)焊的位置對(duì)噴金層的影響，點(diǎn)焊的不同位置對(duì)噴金層的影響很大。引線點(diǎn)焊時(shí)接觸噴金層越小，對(duì)噴金層的破壞作用越小，阻抗的一致性越好；引線點(diǎn)焊時(shí)接觸噴金層越大，對(duì)噴金層破壞作用越大，引起阻抗的差別越大。

（2）設(shè)計(jì)了樣品的試驗(yàn)以驗(yàn)證點(diǎn)焊的位置對(duì)產(chǎn)品容量的影響，分別采取2種不同的點(diǎn)焊位置，即點(diǎn)焊在噴金層的1/3處和2/3處，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)1 250 V高壓短路充放電試驗(yàn)后，容量變化方面，1/3處點(diǎn)焊的合格率為100%，要明顯優(yōu)于2/3處點(diǎn)焊產(chǎn)生的效果。

（3）設(shè)計(jì)了樣品的試驗(yàn)以驗(yàn)證點(diǎn)焊的位置對(duì)產(chǎn)品損耗的影響，分別采取2種不同的點(diǎn)焊位置，即點(diǎn)焊在噴金層的1/3處和2/3處，同樣經(jīng)過(guò)1 250 V高壓短路充放電試驗(yàn)后，DF變化方面，1/3處點(diǎn)焊的合格率為89.66%，同樣也明顯優(yōu)于2/3處點(diǎn)焊產(chǎn)生的效果，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論解釋的合理性。