超高壓瓷介電容器耐電壓水平的研究

劉 成，隨 辰

（北京七星飛行電子有限公司，北京 100015）

隨著電氣設(shè)備的小型化、高性能化和高壓化的發(fā)展，具有體積小、容量大、電感小、壽命長等特點(diǎn)的超高壓瓷介電容器被廣泛應(yīng)用于FS6斷路器、避雷器和高壓分壓器等領(lǐng)域。另外，隨著我國軍工事業(yè)的不斷發(fā)展，超高壓瓷介電容器在激光武器、脈沖武器等定向能武器中也得到了應(yīng)用。其在電路中的工作原理如圖1，超高壓瓷介電容器在電路中主要是和二極管組合串并聯(lián)使用，提高電路的輸出電壓，起到倍壓作用。

圖1 超高壓瓷介電容器工作原理圖

超高壓瓷介電容器的主要性能指標(biāo)是耐電壓水平，研究如何提高電容器的耐電壓水平是文章的主要議題。超高壓瓷介電容器耐電壓失效模式有兩種：一種是體擊穿，失效模式如圖2所示，導(dǎo)致體擊穿的原因較多，比如瓷件內(nèi)部有雜質(zhì)、瓷件的致密度低使得瓷件內(nèi)部出現(xiàn)氣孔等缺陷造成的，主要影響因素有瓷料的潔凈度、壓制密度、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間等。另一種是電容器沿面擊穿，如圖3所示，它主要是由于瓷件外觀有缺陷，如出現(xiàn)崩邊、破損、起層等現(xiàn)象邊緣有損傷或瓷件與樹脂熱膨脹系數(shù)相差較大，樹脂與瓷件結(jié)合力差而導(dǎo)致的。

圖2 電容器體擊穿圖

圖3 電容器沿面擊穿圖

對于以上失效模式可以通過加強(qiáng)工藝控制，采取有效的針對措施，從而提高電容器的耐電壓水平。具體方案如下：

（1）在瓷料生產(chǎn)制備過程中做好除鐵和除塵工作最大限度地減少瓷料中雜質(zhì)，提高瓷件質(zhì)量；（2）提高壓機(jī)的壓力，在保證排膠充分的情況下增大瓷體密度；（3）選擇合適的燒結(jié)曲線，提高瓷件的燒結(jié)質(zhì)量；（4）相對固定瓷件燒結(jié)設(shè)備，改善燒結(jié)氣氛，提高燒結(jié)質(zhì)量；（5）瓷件加工和傳輸過程中做好防護(hù)，避免瓷件損傷；（6）做好瓷件表面處理，采用真空灌注樹脂，提高電容器耐電壓性能。

文章重點(diǎn)通過提高瓷件生坯密度；選擇適合的燒結(jié)曲線；降低電容器電極邊緣的電場強(qiáng)度，提高樹脂與瓷件的結(jié)合力這三方面進(jìn)行剖析，來提高超高壓瓷介電容器的耐電壓水平，其他方面的解決措施主要是加強(qiáng)工藝控制。

目前比較成熟的超高壓瓷介電容器供應(yīng)商有日本村田、TDK、美國AVX等，而國內(nèi)超高壓瓷介電容器的耐壓水平不能滿足實(shí)際使用要求，主要依賴進(jìn)口，因此迫切地需要提高國內(nèi)超高壓瓷介電容器的耐電壓水平，替代進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用瓷件尺寸為φ35×10，瓷料選用鈦酸鍶系陶瓷材料，介電常數(shù)約為2 300，容量為2 000 pF，額定電壓DC30 kV，測試電壓DC45 kV。

實(shí)驗(yàn)分三部分完成，首先從瓷件成型入手。文章所選用的瓷件是采用干壓成型的方式，選用相同的干壓模具，通過調(diào)節(jié)壓機(jī)的壓力，壓制出不同生坯密度的瓷件，同時(shí)燒結(jié)成瓷后，再通過被銀、焊接、灌封，加工成電容器，然后測試電壓，最終得出電容器的介質(zhì)擊穿電壓與生坯密度的關(guān)系。通過研究瓷件制備工藝對耐電壓水平的影響，發(fā)現(xiàn)不同的生坯密度對耐電壓水平的影響很大。其次，通過掃面電鏡觀察不同溫度下瓷件的成瓷情況，最終選擇適合的燒結(jié)曲線，提高瓷件的耐電壓水平。最后，利用ANSYS公司的HFSS仿真軟件（如圖4）模擬不同電極留邊量的電容器內(nèi)部的場強(qiáng)分布，從而確定電容器的電極留邊量。并且按照不同的電極留邊量分別按照相同的工藝加工各5只電容器，通過對比擊穿電壓，來驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。另外，選用兩種灌注方式對同批次產(chǎn)品進(jìn)行灌封，即常壓（非真空）灌注和真空灌注，灌注數(shù)量各10只。隨機(jī)選取各3只產(chǎn)品通過DPA分析對比兩種狀態(tài)下的樹脂與瓷件結(jié)合處的氣孔情況，其余各7只通過測試擊穿電壓進(jìn)行對比，得出結(jié)論，選擇適合的灌注方式。

圖4 HFSS仿真軟件

2 結(jié)果與討論

2.1 瓷件制備工藝對耐電壓水平的影響

瓷件的制作要嚴(yán)格控制工藝過程，特別是生坯成形中壓力（施壓、持壓及釋壓過程）、密度、燒成（排膠、燒成溫度、升溫曲線）的控制，這些參數(shù)均可直接影響到瓷件的電性能。其中干壓也就是材料的成型過程，是將粉料中加入少量粘合劑，先經(jīng)造粒，然后將造粒料后的粉料置于鋼模中，在壓力機(jī)上加壓形成一定形狀的坯體。在瓷件成型過程中通過控制壓力來控制生坯的密度，超高壓瓷件的生坯密度與耐壓強(qiáng)度有直接關(guān)系，以尺寸為35×10的產(chǎn)品作為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示：

表1 生坯密度與耐壓強(qiáng)度關(guān)系

由表1和圖5可知，生坯密度越大，耐壓強(qiáng)度越高，因此提高瓷體的生坯密度，瓷件的耐壓強(qiáng)度明顯得到提高。通過成型壓力來控制生坯密度，直徑一定的情況下，壓力越大，密度越大，但這只在一定范圍內(nèi)顯著。當(dāng)成型壓力達(dá)到一定值時(shí)，再增加壓力，坯體致密度的增加已經(jīng)不明顯了，過大的壓力也容易引起殘余空氣的膨脹而使坯體開裂。因此要在保證瓷件外觀合格和壓機(jī)壓力承受的范圍內(nèi)，增加生坯的密度來提高瓷件的耐壓。

圖5 生坯密度與擊穿電壓的關(guān)系

2.2 瓷件燒結(jié)工藝參數(shù)控制對耐電壓水平的影響

燒結(jié)溫度及其保溫時(shí)間對陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和性能有極大的影響，在一定工藝條件下最佳燒結(jié)溫度是獲得SrTiO3基陶瓷最佳綜合性能的關(guān)鍵之一。最佳燒結(jié)溫度所制成的陶瓷綜合介電性能最佳。

當(dāng)燒結(jié)溫度過低時(shí)，瓷體生燒，陶瓷晶粒發(fā)育不良，無法形成較好的鐵電相，致密度程度不夠，空隙較多，導(dǎo)致介電常數(shù)較低，介質(zhì)損耗較大，耐壓強(qiáng)度降低。當(dāng)燒結(jié)溫度過高時(shí)材料過燒，則會(huì)使晶粒過分長大，形成的玻璃相增多，稀釋鐵電相，導(dǎo)致介電常數(shù)降低，介質(zhì)損耗增大，絕緣電阻減小，擊穿電壓降低。為了改善瓷料的絕緣強(qiáng)度，必須盡可能提高瓷料的致密度（降低瓷料的氣孔率）。很明顯，氣孔是陶瓷材料在電場作用下絕緣強(qiáng)度破壞的薄弱環(huán)節(jié)，必須降低至最低限度。因此通過控制超高壓瓷件的保溫時(shí)間，選擇合適的燒結(jié)溫度，控制好瓷件燒結(jié)曲線對瓷件的燒結(jié)至關(guān)重要，瓷件燒結(jié)曲線如圖6所示。

圖6 瓷件燒結(jié)曲線

通過對超高壓瓷件進(jìn)行掃描電鏡分析（SEM），電鏡結(jié)果如圖7所示。

圖7 保溫5 h超高壓瓷件SEM圖

在1 300 ℃、1 310 ℃溫度下保溫5 h燒制得到的瓷件掃描電鏡圖（SEM）。由圖7可知瓷件經(jīng)1 300 ℃、1 310 ℃高溫?zé)Y(jié)氣孔率低，即在燒結(jié)過程中形成足夠的液相填充坯體里的氣孔，晶粒結(jié)合情況較好，晶粒生長致密，說明在此溫度下達(dá)到了較好的燒結(jié)效果，制備得到了損耗小、絕緣電阻大、耐壓強(qiáng)度高的超高壓瓷件。

2.3 超高壓電容器電極邊緣化設(shè)計(jì)及封裝技術(shù)對耐電壓水平影響的研究

由于超高壓瓷介電容器的典型特征是超高的耐電壓，涂銀面積的設(shè)計(jì)對電容器的電壓性能有很大的影響。通過ANSYS 公司的HFSS軟件對不同涂銀的尺寸進(jìn)行電場分布的仿真，最終確定最佳的涂銀尺寸。仿真瓷件尺寸為Φ35×10mm，施加電壓為100 V，具體仿真如圖8：

圖8 不同電極留邊量的場強(qiáng)分布圖

從圖8可以列出如表2。

表2 不同涂銀尺寸的場強(qiáng)值

類型 銀層邊緣場強(qiáng)（V/m） 備注電極留邊量5 mm 13.78×105電極留邊量2 mm 11.26×105電極留邊量1 mm 8.312×105電極留邊量0 mm 6.304×105

從表2可以看出不同涂銀尺寸的場強(qiáng)分布不同，隨著電極留邊量的減小電極邊緣的場強(qiáng)減弱，因此滿電極涂銀作為超高壓瓷介電容器涂銀的首選，可以最大限度地降低電容器電極邊緣的電場強(qiáng)度。

另外，對于四種不同電極留邊量的被銀瓷件按相同工藝分別加工出各5只產(chǎn)品，在絕緣油中測試每只電容器的直流擊穿電壓，如表3。

表3 不同極留邊量的直流擊穿電壓

從表2和表3可以得出，瓷件滿電極涂銀可以最大限度地降低電容器電極邊緣的電場強(qiáng)度，提高電容器的耐電壓水平。

耐電壓水平是超高壓瓷介電容器的主要性能，電容器在工作時(shí)，其內(nèi)部場強(qiáng)分布如圖9所示。

圖9 電容器內(nèi)部場強(qiáng)分布圖

圖9顯示電容器工作時(shí)內(nèi)部場強(qiáng)分布情況，其中電容器電極（即銀層）的邊緣場強(qiáng)最強(qiáng)，易造成擊穿失效。如何解決此問題，首先看一下表4為不同介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度。

表4 不同介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度

從表4可以看出，空氣的擊穿強(qiáng)度很低，如果電容器加工完成后，表面不做包封處理，極易發(fā)生邊緣擊穿，導(dǎo)致電容器的電壓失效。因此選用絕緣強(qiáng)度高的樹脂對電容器進(jìn)行包封處理以提高其耐電壓水平。但如果樹脂內(nèi)部混入較多氣體會(huì)大大降低樹脂的絕緣強(qiáng)度，同時(shí)如果樹脂與瓷件結(jié)合質(zhì)量差、氣孔多，造成樹脂與瓷件結(jié)合面出現(xiàn)縫隙，也會(huì)大大降低電容器的電壓性能（如表5）。所以得出結(jié)論：樹脂包封的電容器耐電壓水平的高低主要取決于樹脂與瓷件的結(jié)合質(zhì)量和樹脂內(nèi)部的氣孔量。

解決此問題須采用真空灌注進(jìn)行樹脂灌注降低灌封后樹脂內(nèi)部的氣孔量，提高樹脂與瓷件的結(jié)合力，保證產(chǎn)品的耐電壓水平（如表5）。

表5 不同灌注方式的電容器擊穿電壓對比表

從表5可以看出，真空灌注樹脂可以最大限度地減少樹脂內(nèi)部的氣孔量，提高樹脂與瓷件的結(jié)合力，從而提高超高壓瓷介電容器的耐電壓水平。

3 結(jié)論

從以上三個(gè)方面分析如何提高超高壓瓷介電容器的耐電壓水平來看，在保證瓷件外觀合格和壓機(jī)壓力承受的范圍內(nèi)，增加生坯的密度可以提高瓷件的耐電壓水平；通過控制瓷件燒成的保溫時(shí)間，選擇合適的燒結(jié)溫度，控制好瓷件燒結(jié)曲線，可以提高瓷件的燒結(jié)質(zhì)量，提高瓷件的耐電壓水平；滿電極涂銀可以最大限度地降低電容器電極邊緣的電場強(qiáng)度，樹脂的真空灌注可以有效地減少瓷件與樹脂結(jié)合處和樹脂內(nèi)部的氣孔量，提高瓷件與樹脂的結(jié)合力，最終提高超高壓瓷介電容器的耐電壓水平。