小型耐熱聚丙烯薄膜電容的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

歐毓迎 陸正華

（珠海格力電器有限公司 珠海 519070）

引言

金屬化聚丙烯薄膜電容由聚丙烯薄膜做介質(zhì)，以金屬化薄膜做電極，通過卷繞的方式制成，外用阻燃絕緣材料包封，由合金引線熔焊于電極兩側(cè)[1]。塑料薄膜作為電容介質(zhì)，已有近50年的歷史，目前，常用的薄膜材料主要有聚酯薄膜和聚丙烯薄膜兩種[2]。在新型薄膜材料方面，耐高溫的PEN聚萘乙酯和PPS聚苯酰硫等薄膜介質(zhì)材料逐漸被開發(fā)和應(yīng)用在引線電容中。隨著薄膜電容小型化、低成本、高性能的發(fā)展趨勢(shì)，薄膜介質(zhì)材料的選型對(duì)電容綜合性能具有重要的影響[3]。以應(yīng)用在加濕器霧化板的22 nF/250 V小型聚丙烯薄膜電容（直引腳）為例[4]，當(dāng)霧化板過265 ℃的波峰焊時(shí)，電容本體出現(xiàn)鼓起，電容量減小甚至包封材料開裂直接失效等現(xiàn)象，不良比例較大，而早期霧化板選用的電容為聚酯薄膜電容，沒有出現(xiàn)類似的情況。為充分分析薄膜電容失效原因并提出改進(jìn)方法，以滿足電容的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，本文對(duì)失效電容樣品進(jìn)行詳細(xì)的外觀和內(nèi)部檢查，性能測(cè)試和解剖分析，研究了薄膜材料，引腳結(jié)構(gòu)和包封形式對(duì)電容電氣性能和耐熱性能的影響，并提出完整的電容選型改進(jìn)方案。

1 實(shí)驗(yàn)過程

失效樣品主要來源于生產(chǎn)線失效下線和實(shí)驗(yàn)?zāi)M復(fù)現(xiàn)，改進(jìn)樣品主要由廠家根據(jù)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)需求對(duì)制備工藝進(jìn)行相對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)后制備得到。波峰焊的工藝參數(shù)設(shè)置，預(yù)熱區(qū)三個(gè)溫度分別為180 ℃、190 ℃和200 ℃波峰焊溫度265 ℃，鏈速130 cm/min；極限耐焊接熱實(shí)驗(yàn)錫槽溫度265 ℃；電氣性能測(cè)試條件為1 KHz，1V；溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)，布點(diǎn)位置為電容本體底部；采用X射線透射儀進(jìn)行電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析；采用厚度測(cè)試儀測(cè)試電容薄膜厚度。

2 結(jié)果與分析

2.1 失效樣品分析

2.1.1 外觀檢查

生產(chǎn)線下線反饋波峰焊后霧化板上的失效電容如圖1所示，觀察可以發(fā)現(xiàn)，聚丙烯電容包封形式為粉末包封，引腳類型為直引腳，引腳間距為7.5 mm，本體緊貼霧化板，表面有鼓起，或底部開裂的現(xiàn)象，芯子發(fā)生明顯的熱收縮，合金引線與電極脫離。

2.1.2 電性能復(fù)測(cè)

對(duì)失效的四個(gè)樣品進(jìn)行電性能復(fù)測(cè)，其具體的數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)據(jù)顯示，1#、2#和3#樣品的電容量衰減嚴(yán)重，介電損耗符合要求，4#樣品的電容量衰減到pF級(jí)別，基本可以認(rèn)為已無容量，介電損耗過大無法測(cè)出，屬于完全失效。

2.1.3 解剖分析

對(duì)失效樣品進(jìn)行X射線投射和解剖，如圖2所示。觀察圖可以發(fā)現(xiàn)，開裂樣品可見明顯的熔融和鼓起現(xiàn)象，引線與電極焊接處未見異常，電容靠近板材表面處發(fā)現(xiàn)芯子有明顯的收縮，并與引線脫離。

進(jìn)一步解剖電容芯子的薄膜，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)聚丙烯薄膜有嚴(yán)重的受熱發(fā)白收縮的現(xiàn)象，但沒有發(fā)現(xiàn)任何擊穿點(diǎn)。對(duì)正常樣品和失效樣品的薄膜厚度進(jìn)行測(cè)量，平均厚度均在6.75 μm左右，沒有明顯的差異，同時(shí)與廠家多次確認(rèn)，制備電容用聚丙烯薄膜沒有發(fā)生材料或其他工藝的變更。

2.2 失效原因總結(jié)及改進(jìn)方法

綜合上述分析，可以初步判斷，造成該電容元器件失效的根本原因是金屬化聚丙烯薄膜的耐高溫性能較差，其最高使用溫度僅為105 ℃，加上電容為直引腳結(jié)構(gòu)，電容本體與板材直接接觸。在波峰焊過程中，熱量通過直引腳快速傳遞給電容造成過熱，超過聚丙烯薄膜的耐熱極限，從而發(fā)生嚴(yán)重的熱收縮現(xiàn)象，導(dǎo)致電極間的有效面積減小，使得電容容量衰減，當(dāng)溫度越高，薄膜收縮越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致電容鼓起甚至電容底部包封材料開裂。

圖1 生產(chǎn)線下線失效電容外觀

表1 失效樣品電性能數(shù)據(jù)

圖2 X射線投射和解剖

圖3 失效電容解剖聚丙烯薄膜

為使電容在應(yīng)用過程中發(fā)揮最好的性能，后續(xù)需分別從薄膜材料選型和引腳結(jié)構(gòu)選型和包封形式三方面進(jìn)行改進(jìn)對(duì)比研究。

2.3 不同薄膜材料的電容性能對(duì)比分析

選擇22nF/250V聚丙烯和聚酯兩種薄膜材料的電容進(jìn)行性能對(duì)比，如表2。從表中可以看出，聚丙烯薄膜電容與聚酯薄膜電容的主要差異是介電損耗和耐熱性能兩個(gè)方面[5]。介電損耗是指在電場(chǎng)中介質(zhì)極化消耗部分電能使電介質(zhì)發(fā)熱造成能量損耗。在相同測(cè)試頻率下，聚酯薄膜電容的介電損耗比聚丙烯薄膜電容的要大得多，尤其是在高頻或高脈沖條件下使用時(shí)因自身發(fā)熱升溫，存在熱擊穿的質(zhì)量隱患，因此只適用于低壓低頻環(huán)境；而相比之下，聚丙烯薄膜電容高頻高壓特性好，損耗小，能更好滿足高頻高脈沖條件下的電路要求[6]。在耐熱性能方面，聚丙烯薄膜的熱變形溫度為120 ℃，通過電容本體布點(diǎn)測(cè)試溫度發(fā)現(xiàn)，在波峰焊過程中，電容表面峰值溫度均在122 ℃左右，遠(yuǎn)高于其最高使用溫度，這也是聚丙烯薄膜電容出現(xiàn)炸裂失效的主要原因。對(duì)比聚酯薄膜電容工作使用溫度，電容表面峰值溫度接近其使用溫度上限，同樣存在炸裂隱患。

因此，為減小電容的使用過程中的損耗，有效提高電容的耐熱性能并能適用于高頻2.4 MHz的加濕器霧化板上，可選用聚丙烯薄膜電容，但后續(xù)應(yīng)對(duì)電容的引腳結(jié)構(gòu)和包封形式進(jìn)行改進(jìn)。

2.4 不同引腳結(jié)構(gòu)的電容耐熱性能對(duì)比分析

為確保電容電氣性能，聚丙烯薄膜電容必須在自身溫升為5 ℃或更小的情況下使用，因此對(duì)電容的引腳結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎角成型改進(jìn)，其主要目的是降低波峰焊接時(shí)電容元件的溫升，提高電容元件的耐熱性能，以滿足聚丙烯薄膜電容的高使用要求。

對(duì)22 nF/250 V聚丙烯薄膜電容的引腳結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎角成型改進(jìn)，如圖4所示。

引腳結(jié)構(gòu)改進(jìn)除引腳長(zhǎng)度Y尺寸改變?yōu)锳和B尺寸外，其他尺寸不作更改，A尺寸即為電容本體與板材間的距離，具體尺寸數(shù)據(jù)如表3所示。

由于引腳結(jié)構(gòu)的改進(jìn)不涉及電容電氣性能的更改，因此主要對(duì)兩種引腳結(jié)構(gòu)的聚丙烯薄膜電容進(jìn)行耐熱性能的對(duì)比。將直引腳電容與彎折引腳電容本體底部布點(diǎn)做溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試電容本體表面峰值溫度，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

對(duì)比觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，引腳彎折成型后，電容本體峰值溫度與直引腳結(jié)構(gòu)電容的溫度相比要低14 ℃左右。這是因?yàn)檫^波峰焊時(shí)，高溫熔錫的熱量通過金屬引腳或PCB板傳導(dǎo)到電容本體上，當(dāng)引腳彎折后，電容本體與PCB板距離增大，板材與電容本體間沒有熱傳導(dǎo)，熱量通過引腳的傳導(dǎo)距離增大，使得電容本體的溫度上升程度較小。因此，將電容的引腳彎折成型，可以增大電容引腳的導(dǎo)熱距離，同時(shí)防止PCB板與電容本體間的熱傳導(dǎo)，可以使電容本體的溫度有效地降低，防止電容的溫度過高導(dǎo)致炸裂失效。

圖4 電容引腳結(jié)構(gòu)

表2 聚丙烯和聚酯薄膜材料性能對(duì)比數(shù)據(jù)

表3 電容引腳結(jié)構(gòu)改進(jìn)的關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)

將直引腳和彎折引腳的兩種引腳結(jié)構(gòu)聚丙烯薄膜電容插件在PCB板材上于265 ℃錫槽中做60 s極限耐溫試驗(yàn)。結(jié)果顯示，直引腳結(jié)構(gòu)的電容嚴(yán)重炸裂，內(nèi)部聚丙烯薄膜材料熔化變形；彎折引腳結(jié)構(gòu)的電容出現(xiàn)輕微的開裂，如圖5所示。說明電容引腳彎折成型可以降低波峰焊過程中電容本體的溫度，改善電容因溫度過高而開裂的現(xiàn)象，但無法有效杜絕電容開裂。因此，為進(jìn)一步提高聚丙烯薄膜電容的耐熱性能，后續(xù)需對(duì)電容的包封形式進(jìn)行改進(jìn)。

2.5 不同包封形式的電容耐熱性能對(duì)比分析

電容的包封形式主要有粉末包封和殼式灌裝包封兩種，兩種形式包封前的工序一樣，都需要經(jīng)過卷繞，熱壓，包膜，噴金和焊接等工序。

差別在于，粉末包封的過程是將電容浸漬在環(huán)氧樹脂粉槽中，粉末粘附在電容本體上，然后預(yù)熱固化成型；殼式灌裝包封的過程是將電容芯子裝入PBT塑料外殼，往塑殼中注入環(huán)氧樹脂灌封材料，最后預(yù)熱固化成型，如圖6所示。

對(duì)粉末包封和殼式灌裝包封形式的彎折引腳22 nF/250 V聚丙烯薄膜電容進(jìn)行波峰焊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，試驗(yàn)后電容外觀無異常，電容量和介電損耗無明顯的差異，如下表5所示，說明兩種包封形式的聚丙烯薄膜電容均可以滿足企業(yè)波峰焊生產(chǎn)要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證兩者耐熱性能的差異，將兩種電容插件在PCB板材上于265 ℃錫槽中做極限耐溫試驗(yàn)，對(duì)比電容本體鼓起的時(shí)間，如下表6所示。

對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采用殼式灌裝包封的電容極限耐溫時(shí)間要比粉末包封電容高約27 s，說明殼式灌裝包封形式的聚丙烯薄膜電容具有更好的耐熱性能。這是因?yàn)楣嘌b外殼所用PBT材料的熱變形溫度較高，在120 ℃以上；殼內(nèi)采用環(huán)氧樹脂固化成型，電容本體底部灌封的環(huán)氧樹脂厚度在2 mm以上，比粉末包封形式的環(huán)氧樹脂厚度要大得多，在極限耐焊接熱實(shí)驗(yàn)過程中，能有效起到隔熱的作用，減弱引腳的導(dǎo)熱效果，從而延長(zhǎng)電容本體因過熱而發(fā)生鼓起或開裂的時(shí)間。電容本體發(fā)生鼓起時(shí)，其電容量衰減約6.72 %，均已超出標(biāo)準(zhǔn)要求的±5 %的偏差，不符合生產(chǎn)使用要求。

表4 不同引腳結(jié)構(gòu)電容表面溫度

圖5 不同引腳結(jié)構(gòu)電容極限耐溫試驗(yàn)

圖6 兩種包封形式工藝對(duì)比

表5 粉末包封和殼式灌裝包封性能差異

表6 粉末包封和殼式灌裝包封極限耐溫差異

3 改進(jìn)后的實(shí)施結(jié)果

通過對(duì)以上元器件應(yīng)用試驗(yàn)對(duì)比，實(shí)際生產(chǎn)過程的改進(jìn)確認(rèn)，對(duì)22nF/250V聚丙烯薄膜電容引腳進(jìn)行彎折成型，使電容本體與板材的距離增加3mm，同時(shí)，采用殼式灌裝包封形式。針對(duì)這一失效模式，對(duì)同一類型小型直引腳粉末包封的聚丙烯薄膜電容采取同樣的改進(jìn)措施。改進(jìn)措施實(shí)施后，后續(xù)的生產(chǎn)過程中沒有發(fā)現(xiàn)電容過波峰焊出現(xiàn)鼓起或炸裂失效的案例，說明上述改進(jìn)措施是有效的。

舉一反三，對(duì)類似的薄膜電子元器件可以采用引腳彎折成型，增加元器件與板材間的距離，可以有效減少器件因過熱而失效，提高元器件的可靠性。在后續(xù)的工作中，我們需進(jìn)一步熟悉各種元器件，掌握其特性，結(jié)構(gòu)，失效模式和機(jī)理，并總結(jié)失效案例，歸納失效的規(guī)律，從而不斷地改進(jìn)工作方法，提高工作效率。