王祥

（安徽銅峰電子股份有限公司，安徽 銅陵 244000）

0 引言

金屬化膜電容器[1-3]壽命長，自愈性能優(yōu)異，可靠性高[4-8]，廣泛應(yīng)用于單相交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與運(yùn)行[9-10]、照明燈具的變壓器和電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)補(bǔ)償和電力電子變換[11]（整流、逆變、斬波、變頻變幅）電路等。隨著新能源汽車領(lǐng)域的興起，電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)迅猛[12-17]，HEV/EV 車載充電器OBC 和車用直流變換器DC/DC 模塊大量使用抑制電源電磁干擾電容器[18-19]，金屬化膜電容器以其特殊優(yōu)勢(shì)在此領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)汽車領(lǐng)域這些集成模塊通常是結(jié)構(gòu)緊湊，散熱較差[20-24]，結(jié)合高濕度環(huán)境造就電容器的高溫度高濕度惡劣運(yùn)行環(huán)境，金屬化膜電容器（以下簡(jiǎn)稱電容器）提高耐高溫高濕能力逐漸成為客戶期望的性能要求。

1 恒定濕熱試驗(yàn)

1.1 相關(guān)概念

相對(duì)濕度（relative humidity，RH）：是指空氣中水汽壓與相同溫度下飽和水汽壓[25]的百分比，即濕空氣的絕對(duì)濕度與相同溫度下可能達(dá)到的最大絕對(duì)濕度之比，也可表示為濕空氣中水蒸氣分壓力與相同溫度下水的飽和壓力之比。相對(duì)濕度值是一個(gè)百分?jǐn)?shù)，用RH 表示，如最適宜人體的相對(duì)濕度為40%RH~60%RH。數(shù)值越大，空氣中的水分子含量越多。根據(jù)美國航空公司的統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，環(huán)境應(yīng)力造成電子產(chǎn)品故障的比例：海拔高度占2%、鹽霧占4%、沙塵占6%、振動(dòng)占28%、溫濕度占比高達(dá)60%，所以溫濕度對(duì)于電子產(chǎn)品的影響特別顯著。高濕度可以加速電容器劣化[26]，對(duì)于塑封金屬化膜電容器，劣化是由塑料吸收水汽或水汽沿引出端滲入引起的。

失效率λ表示元器件在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率，數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)失效的元件數(shù)與工作元件總數(shù)的比值，單位為FIT（也寫成Fit 或fit），1FIT=1/（109h）。例如將10 000 只元件在特定工作條件下工作10 000 小時(shí)出現(xiàn)了100 只失效，則：

澡盆曲線（bathtub curve，失效率特性曲線）：又稱為浴缸曲線、微笑曲線，見圖1，顯示產(chǎn)品在不同時(shí)期的失效率，主要包含早夭期（早期失效期）、正常期（隨機(jī)失效期）、損耗期（老化失效期）。

圖1 澡盆曲線Fig.1 Bathtub curve

元器件在各時(shí)期發(fā)生的原因主要如下：

早期失效期：生產(chǎn)不夠完善、材料存在缺陷、環(huán)境不合適、設(shè)計(jì)不夠完善；

隨機(jī)失效期：外部震蕩、誤操作誤使用、環(huán)境條件變化波動(dòng)、抗壓性能不良；

老化失效期：氧化、疲勞、性能退化、腐蝕。

老化：一詞來源于化學(xué)，是指高分子材料在使用過程中，由于受到熱、氧、水、光、微生物、化學(xué)介質(zhì)等環(huán)境因素的綜合作用，高分子材料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列變化，物理性能也會(huì)相應(yīng)變壞，如發(fā)硬、發(fā)粘、變脆、變色、失去強(qiáng)度等。電工電子產(chǎn)品老化是指在高溫、負(fù)載等模擬惡劣工作條件下運(yùn)行一定時(shí)間的過程，使元器件的缺陷、在焊接和裝配等生產(chǎn)過程中存在的隱患提前暴露，保證出廠產(chǎn)品能通過早期失效期。

1.2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 6346.14-2015 電子設(shè)備用固定電容器第14 部分規(guī)范抑制電磁干擾用固定電容器》[18]4.12 規(guī)定，穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)[27]，最嚴(yán)酷試驗(yàn)條件為：40±2 ℃/90~95%RH 溫濕度下駐留56 天；《GB/T 6346.1401-2015 電子設(shè)備用固定電容器第14-1 部分：空白詳細(xì)規(guī)范抑制電源電磁干擾用固定電容器評(píng)定水平D》[19]中C2 分組試驗(yàn)條件規(guī)定：金屬化膜電容器在穩(wěn)態(tài)濕熱時(shí)不施加電壓。此標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件作為電容器耐濕熱能力驗(yàn)證時(shí)較為寬松，部分缺陷產(chǎn)品也可通過早期失效期，不利于篩選耐高濕熱產(chǎn)品。

國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 2343.50 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2 部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)Cy：恒定濕熱主要用于元件的加速試驗(yàn)》[26]對(duì)于元件耐濕熱劣化效應(yīng)提出的試驗(yàn)條件見表1。

表1 試驗(yàn)Cy嚴(yán)酷等級(jí)Table 1 Test Cy severity grade

IEC 60384-14：2016[28]提出高濕熱魯棒性試驗(yàn)，并分為3 個(gè)等級(jí)，具體試驗(yàn)條件見表2。

表2 高濕熱魯棒性等級(jí)Table 2 High humidity robustness grades

結(jié)合各標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件，確定以85℃/85%RH/UR/1 000 h 的試驗(yàn)條件作為抑制電磁干擾電容器的恒定濕熱條件，該試驗(yàn)簡(jiǎn)稱“雙85 試驗(yàn)”。雙85 試驗(yàn)?zāi)M電容器的高溫高濕工作環(huán)境，85℃高溫下能使塑殼、環(huán)氧樹脂等原材料的空隙增大，當(dāng)空隙大于3.4×10-10m 以上，水分子就可穿過塑殼、樹脂的防護(hù)，浸入電容器心子，同時(shí)根據(jù)“10℃規(guī)則”，溫度每升高10℃，電容器壽命減少一半，85℃高溫加速壽命老化[29]；85%RH 的高濕水汽滲入，將會(huì)引起聚合物材料解聚、聚合物結(jié)合能力下降、腐蝕、空洞、線焊點(diǎn)脫開、引線間漏電甚至短路、金屬化層腐蝕斷路等。

2 雙85試驗(yàn)

本文就抑制電磁干擾用固定電容器（X2系列：305VAC-0.1 μF±10%、305VAC-1.0 μF±10%）采用不同塑殼尺寸、不同方阻[30-31（]其他工藝一致）設(shè)計(jì)分6 組制作樣品，各組隨機(jī)抽取10 只產(chǎn)品進(jìn)行雙85 試驗(yàn)。60 只樣品并聯(lián)置于恒溫恒濕箱（設(shè)定溫濕度85 ℃/85%RH），施加額定電壓運(yùn)行1 000 h。樣品標(biāo)記信息：S1-18×11×5 PBT 塑殼，5.6×14×1.5 高溫鋅鋁膜（加厚區(qū)方阻1~2.5 Ω/□，活動(dòng)區(qū)方阻10~14 Ω/□）；S2-18×11×5 PBT 塑殼，5.6×14×1.5 高溫鋅鋁膜（加厚區(qū)方阻2~4 Ω/□，活動(dòng)區(qū)方阻7~10 Ω/□）；S3-18×11×5 PBT 塑殼，5.6×14×1.5 高溫鋅鋁膜（加厚區(qū)方阻2~4 Ω/□，活動(dòng)區(qū)方阻10~14Ω/□）；S4-32×20×11 PBT 塑殼，6.8×26×2 高溫鋅鋁膜（加厚區(qū)方阻1~2.5 Ω/□，活動(dòng)區(qū)方阻10~14 Ω/□）；S5-32×20×11 PBT 塑殼，6.8×26×2 高溫鋅鋁膜（加厚區(qū)方阻2~4 Ω/□，活動(dòng)區(qū)方阻7~10 Ω/□）；S6-32×20×11 PBT塑殼，6.8×26×2 高溫鋅鋁膜（加厚區(qū)方阻2~4 Ω/□，活動(dòng)區(qū)方阻10~14 Ω/□）。試驗(yàn)前用電容測(cè)試儀記錄1 kHz 下電容器電容量C0，試驗(yàn)后同樣在1 kHz下記錄電容量C1，以電容量變化百分比ΔC/C作為主評(píng)價(jià)因子。

18×11×5 PBT 塑殼組（S1~S3）試驗(yàn)結(jié)果記錄見表3；32×20×11 PBT 塑殼組（S4~S6）試驗(yàn)結(jié)果記錄見表4。試驗(yàn)組S7~S8規(guī)格為305VAC-0.22 μF±10%，塑殼（18×13.5×7.5 PBT），5.8×14×1.5 高溫鋅鋁膜（加厚區(qū)方阻2~4 Ω/□，活動(dòng)區(qū)方阻7~10 Ω/□），S7組常規(guī)鍍膜，S8組金屬化膜經(jīng)鍍膜公司涂覆抗氧化油，試驗(yàn)結(jié)果記錄如下表5。統(tǒng)計(jì)S1~S8組容量衰減最大值Max、容量衰減最小值Min、容量衰減平均值X、極差R和標(biāo)準(zhǔn)偏差S見表6。

表3 S1~S3試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of S1~S3

表4 S4~S6試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of S4~S6

表5 S7~S8試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of S7~S8

表6 S1~S8統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Statistical results of S1~S8%

1）通過對(duì)比S1~S6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，金屬化膜活動(dòng)區(qū)方阻7~10 Ω/□（S2和S5）時(shí)容量衰減均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)較小。由于加厚區(qū)寬度一般只有4~6 mm，其活動(dòng)區(qū)方阻（金屬鍍層厚度）影響了容量衰減程度。2）32×20×11 PBT 塑殼組（S4~S6）在雙85試驗(yàn)中相較于18×11×5 PBT 塑殼組（S1~S3）容量衰減較小，更容易通過雙85 試驗(yàn)。經(jīng)過測(cè)量，18×11×5 PBT 塑殼組的塑殼最薄面厚度為0.6~0.65 mm，產(chǎn)品心子上端環(huán)氧樹脂理論計(jì)算厚度為3.0~3.5 mm；32×20×11 PBT 塑殼組的塑殼最薄面厚度為0.95~1.00 mm，產(chǎn)品心子上端環(huán)氧樹脂理論計(jì)算厚度為3.5~4.0 mm?？芍芊獠牧虾穸扔绊懰麧B入程度，進(jìn)而影響電容器容量衰減程度。經(jīng)查閱國內(nèi)外金屬化膜電容器同行的產(chǎn)品規(guī)格書，同規(guī)格產(chǎn)品，防潮系列產(chǎn)品外形尺寸稍大于標(biāo)準(zhǔn)性能產(chǎn)品，這與試驗(yàn)結(jié)果相一致。3）比較S7和S8組試驗(yàn)結(jié)果，S8組涂覆抗氧化油的產(chǎn)品容量衰減均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差都較小，一致性較好。

3 產(chǎn)品解剖分析

通過對(duì)容量衰減較為嚴(yán)重的S3組2 號(hào)（-58.96%）、S2組1 號(hào)（-38.90%）電容進(jìn)行解剖，將電容器心子由外層展開，外層金屬化膜的金屬層損失較為嚴(yán)重，見圖2，金屬化膜呈現(xiàn)一種霧蒙蒙狀態(tài)（霧狀膜），用MJ-6080 XK 顯微鏡放大觀察“霧狀膜”金屬層，見圖3。

圖2 霧狀金屬化膜Fig.2 Mist metallized film

圖3 霧狀金屬化膜顯微鏡放大Fig.3 Microscope magnification of mist metallized film

繼續(xù)剖開至明顯金屬層與霧狀膜交界區(qū)域見圖4。

圖4 交界區(qū)域Fig.4 Border area

繼續(xù)剖開，觀察內(nèi)層膜金屬層缺失見圖5。

圖5 內(nèi)層膜金屬層缺失Fig.5 Lack of metal layer of inner film

根據(jù)解剖結(jié)果圖5 顯示，金屬層開始消失是沿著“線狀”區(qū)域由外層金屬化膜向內(nèi)層金屬化膜滲入，且“線狀”區(qū)域偏向一側(cè)，與實(shí)際設(shè)計(jì)的金屬化膜方阻加厚區(qū)和活動(dòng)區(qū)交界處相一致，這是由于金屬化膜方阻加厚區(qū)和活動(dòng)區(qū)鍍層的階梯空隙中在85℃/85%RH 條件下發(fā)生了氣隙電離[32]。鋅鋁金屬化膜的鍍層主要成分是鋅（90%以上），氣隙電離后金屬層在305VAC 的電壓下，主要發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[33]，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)如下式（3）。

在圖5 內(nèi)層金屬化膜“線狀”缺失區(qū)域附近用顯微鏡取圖，見圖6，金屬層開始氧化形成的不規(guī)則形狀，與氣隙局部放電[34]能量爆發(fā)所形成的近似圓斑區(qū)域不同，金屬層氧化和氣隙電離是同時(shí)發(fā)生的，只是主次順序不同，對(duì)于特定金屬層區(qū)域，前期氣隙電離為主，后期金屬氧化為主；交流電壓在正負(fù)半個(gè)周期內(nèi)電容器極板交替發(fā)生金屬層氧化，而氣隙電離則發(fā)生在整個(gè)交流周期內(nèi)。

圖6 金屬層氧化缺失Fig.6 Lack of oxidation in the metal layer

隨著試驗(yàn)時(shí)間推進(jìn)，金屬層不斷氧化缺失，形成一個(gè)一個(gè)金屬層“孤島”，見圖3，金屬化膜也就變成了圖2 所示的霧狀膜。

4 結(jié)語

本文主要介紹了恒定濕熱試驗(yàn)涉及的相關(guān)概念及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，隨著電容器應(yīng)用工況的復(fù)雜而確定的雙85 試驗(yàn)成為高性能電容器型式試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)；對(duì)雙85 試驗(yàn)不合格品進(jìn)行解剖，推理水汽滲入電容器心子后的電容量衰減機(jī)理，并給出有利于電容器通過雙85 試驗(yàn)的以下建議：

1）在金屬化膜表面涂覆抗氧化油。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，某鍍膜公司提供的涂覆抗氧化油金屬化膜在雙85 試驗(yàn)中容量衰減程度低，一致性好，可靠性高?？寡趸湍軌蚋艚^氧氣、水汽，阻礙金屬層的氧化反應(yīng)；

2）產(chǎn)品采用增大體積設(shè)計(jì)。本文試驗(yàn)表明，增大塑殼體積，增加塑殼厚度，增加塑封環(huán)氧厚度；增加外燒膜圈數(shù)，延緩水汽滲入金屬層；

3）金屬化膜活動(dòng)區(qū)采用低方阻設(shè)計(jì)。金屬層厚度越大，其氧化速度越慢，但不可過厚影響金屬化膜耐壓水平與自愈性能，應(yīng)將低方阻控制在合理程度；

4）采用高溫氣密性較好的塑殼、樹脂材料。原材料在85℃時(shí)吸水性指標(biāo)的高低決定水汽的滲入量，從而影響金屬層氧化速度；

5）改進(jìn)塑封技術(shù)。提高塑殼與環(huán)氧樹脂接觸面、引線與環(huán)氧樹脂接觸面的氣密性。