薄膜電容直流耐壓測試儀的原理與實(shí)現(xiàn)

王曉東，任蓉莉

(中國電子科技集團(tuán)第二研究所，山西太原，030024)

在各種電子元器件中，電容是使用最廣，用量最大的電子元件，其產(chǎn)量占電子元件總產(chǎn)量的50%以上。其中陶瓷電容、電解電容和有機(jī)薄膜電容三大主要產(chǎn)品的產(chǎn)量已經(jīng)占到電容總產(chǎn)量的90%以上。其中，有機(jī)薄膜電容被廣泛使用在模擬信號的交連、電源噪聲的旁路(反交連)等。目前有機(jī)薄膜電容正在向有引線微型電容、無引線片式電容、集成電容、納米電容、光子電容等高科技新產(chǎn)品發(fā)展，其電路應(yīng)用頻率范圍從直流、交流、高頻、射頻向微波、毫米波、光波發(fā)展，應(yīng)用電壓范圍也從低壓、中高壓、高壓向超高壓發(fā)展，是技術(shù)難度較大、科技含量及附加值較高的一類產(chǎn)品。

薄膜電容是以金屬箔當(dāng)電極，將其和聚乙酯、聚丙烯、聚笨乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，從兩端重疊后，卷繞成圓筒狀的構(gòu)造。薄膜電容具有很多優(yōu)良特性。它的主要特性：無極性，絕緣阻抗高，頻率特性優(yōu)異(頻率響應(yīng)寬廣)，而且介質(zhì)損失很小。基于以上優(yōu)點(diǎn)，薄膜電容被大量使用在模擬電路中。尤其是在信號交叉連接的部份，必須使用頻率特性良好、介質(zhì)損失極低的電容，才能確保信號傳送時不會發(fā)生太大的失真。

1 薄膜電容性能指標(biāo)

薄膜電容生產(chǎn)逐批檢驗的主要技術(shù)指標(biāo)有：電容量、損耗(損耗角正切值)、絕緣電阻、耐電壓、可焊性及外觀等。其中耐壓值是一個非常重要的性能質(zhì)量參數(shù)，它直接影響薄膜電容的產(chǎn)品質(zhì)量和合格率，以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。國家標(biāo)準(zhǔn)中對其測量的范圍標(biāo)準(zhǔn)及方法均有明確的規(guī)定，而電容生產(chǎn)線上，除了檢測參數(shù)的要求控制得更嚴(yán)格外，還具有量大快速等方面的特點(diǎn)。

薄膜電容器的耐壓不是一個固定的數(shù)值，其極限耐壓一般高于其額定電壓的50～100%，通常可選擇2倍左右的額定電壓，測試正常時漏電流小于1 mA。對于結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、容量相同的器件，耐壓越高，體積越大。而相同容量的電容，充電速度越快，漏電流和損耗越小，質(zhì)量越好。金屬化薄膜電容器在低速測試時如連續(xù)聽到輕微的“啪啪”聲，說明其內(nèi)部有局部擊穿，應(yīng)降低測試電壓。

目前國產(chǎn)小尺寸薄膜電容額定電壓一般在1 500 V以內(nèi)，而國外通常可以達(dá)到2 000 V，法國的EUROFARAD甚至可以達(dá)到10 000 V左右。而且由于材料及工藝的限制，國產(chǎn)薄膜電容基本可分為低壓小尺寸和高壓大尺寸。隨著元件小型化趨勢的增加，急需增加對高壓小尺寸產(chǎn)品研發(fā)的投入。這就要求我們在優(yōu)化材料的性能和生產(chǎn)的工藝同時，在耐壓測試儀器方面也要相應(yīng)改進(jìn)。

2 儀器概述

2.1 開發(fā)目的

根據(jù)電容產(chǎn)品工藝不同，低壓小尺寸薄膜電容一般通過測試夾具細(xì)窄的分選機(jī)進(jìn)行檢測，而高壓大尺寸薄膜電容則通過測試夾具寬大的分選機(jī)檢測，并對應(yīng)不同的直流耐壓測試儀。隨著電子產(chǎn)品種類增多，對高壓小尺寸薄膜電容的需求也越來越大，而能夠在小夾具分選機(jī)上使用并能夠滿足生產(chǎn)要求的直流耐壓測試儀目前市場上還未能見到。國內(nèi)所見的電容直流耐壓測試儀多用于實(shí)驗室檢測，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其在高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的惡劣生產(chǎn)條件下，故障率較高，維護(hù)成本較大，不能滿足用戶需要長時間準(zhǔn)確穩(wěn)定測試的需求。而國外的儀器測試精度高，檢測電壓范圍廣，故障率低，可靠性強(qiáng)，但由于同行業(yè)競爭的原因，在國內(nèi)應(yīng)用較少。

針對工業(yè)生產(chǎn)中大批量高壓小尺寸電容的檢測,現(xiàn)急需研制開發(fā)一套符合廠家實(shí)際生產(chǎn)要求,能夠保證穩(wěn)定的測試精度，且與現(xiàn)有設(shè)備相配套的自動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將集過程自動檢測、自動報告到控制系統(tǒng)于一體,結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，便于后期維護(hù)，大大提高耐電壓測試儀的檢定效率、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

2.2 測試原理

薄膜電容直流耐壓測試儀的基本工作原理圖如圖l所示。

圖1 儀器測試原理簡圖

電容直流耐壓測試儀主要用于測試電容的電氣強(qiáng)度,方法是在待測電容上施加一個其額定電壓2.15倍的直流高壓信號，如果在規(guī)定時間內(nèi)該電容未被擊穿，或擊穿電流不超過設(shè)定值，那么認(rèn)為該電容的電氣強(qiáng)度符合要求,在正常工作電壓下工作時應(yīng)是安全的。相反，如果在規(guī)定的時間內(nèi),擊穿電流大于設(shè)定的限值,或當(dāng)電容被擊穿時,擊穿電流會急劇增加,遠(yuǎn)大于設(shè)定值,儀器會斷開輸出高壓信號，則判定電容絕緣強(qiáng)度不合格。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，施加電壓的幅度一定要符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)框圖(見圖2)

圖2 儀器結(jié)構(gòu)框圖

儀器的0～4 000 V直流高壓輸入由外部高壓電源來實(shí)現(xiàn)，而儀器的自動測試過程全部通過外部設(shè)備結(jié)合工藝流程來控制儀器內(nèi)部的高壓繼電器進(jìn)行。該儀器共需分選機(jī)的5個工位，分別進(jìn)行一次預(yù)充電，三次漏電流測試和兩次電阻放電，以保證測試準(zhǔn)確度以及防止對其他參數(shù)的測試產(chǎn)生影響。

當(dāng)電容運(yùn)行到充電工位時，先進(jìn)行一次預(yù)充電。通過計算選擇合適的充電電阻，使得電容一次預(yù)充電就能夠達(dá)到充電電壓的95%。到達(dá)測試工位后，再進(jìn)行一次充電就可以獲取比較準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)漏電流。對于檢測不合格的電容，系統(tǒng)直接記錄，隨后不再進(jìn)行各項測試，排入廢料箱。而檢測合格的電容則依次進(jìn)入另外兩個檢測工位，繼續(xù)進(jìn)行兩次充電檢測，并按照第一個檢測工位的處理方法運(yùn)行，以確保將誤判率降到最低。能夠連續(xù)通過三個檢測工位的電容將在后面兩個工位進(jìn)行兩次電阻放電，以防止元件上面的殘留電壓影響后續(xù)工序上對其參數(shù)進(jìn)一步測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 充電電阻的選取

要保證檢測到比較準(zhǔn)確的電容穩(wěn)態(tài)漏電流，關(guān)鍵就是使電容在測試之前的規(guī)定時間內(nèi)，達(dá)到充電飽和狀態(tài)。這就需要通過對充電電壓、充電電流和充電時間的綜合考慮，對充電電阻進(jìn)行仔細(xì)計算選擇。

當(dāng)初始條件t0=0，q0=0，求不定積分得到電容兩級電荷隨時間變化函數(shù)：

薄膜電容的實(shí)際充電過程中，一般認(rèn)為達(dá)到充電電壓的95%即為充電飽和，則：

計算得單次充電飽和時間t≈3RC，實(shí)際生產(chǎn)中，充電時間t一般要求不超過0.3s，則時間常數(shù)RC≤0.1。

4 000 V以內(nèi)中小尺寸薄膜電容的范圍一般在0.1 nF～2.2 μF，良品電容漏電流一般小于0.1mA，擊穿電流隨時間長度而增加，在0.3s內(nèi)一般小于50 mA。選取典型值計算得到單次充電時間見表1。

表1 充電電阻典型值計算

通過比較，為保證電容充電飽和，我們選用47 kΩ作為充電電阻。計算得到理論上需求功率118 W，實(shí)際選取訂制150 W的被釉電阻。

3.3 高壓繼電器的選取

本儀器還必須選取能夠?qū)崿F(xiàn)快速開關(guān)和切斷直流高壓的控制元件，并防止高壓通斷時的拉弧現(xiàn)象產(chǎn)生。為此我們對各種開關(guān)器件進(jìn)行了比較，見表2。

表2 開關(guān)器件主要參數(shù)比較

通過綜合比較，我們選定干簧繼電器并用硅膠高壓導(dǎo)線連接來控制直流高壓充放電回路。干簧繼電器由干簧開關(guān)、包裹在開關(guān)外部的勵磁線圈及其他連接材料和零件組成。其接點(diǎn)部分為密封在玻璃管內(nèi)的機(jī)械開關(guān)，動作釋放時間約為普通繼電器的1/10，最大為2 ms，故接點(diǎn)斷開時泄漏電流非常小，且不受外部塵埃等的影響，屬于長壽命、高耐壓和高絕緣的器件。

3.4 漏電流檢測電路的選取

圖3 漏電流檢測電路

在保證快速測試準(zhǔn)確度的情況下，考慮到使用成本以及后期維護(hù)方便的需要，我們選擇了穩(wěn)定實(shí)用的開環(huán)比較檢測電路，減少充放電延遲環(huán)節(jié)，使得測試回路快速準(zhǔn)確的輸出判定信號。在正相輸入處采用精密電位器來調(diào)節(jié)參考電壓，另外還降低各電路元件的精度差異引起的測試誤差，提高檢測精度。

為防止待測電容放電的瞬間脈沖損壞比較器，在正負(fù)輸入端加TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管，能夠有效的防止差模電壓過大。瞬態(tài)(瞬變)電壓抑制二級管簡稱TVS器件，在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過，并將電壓箝制到預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受損壞。TVS能承受的瞬時脈沖功率可達(dá)上千瓦，其箝位響應(yīng)時間僅為1 ps(10-12s)，能夠滿足本設(shè)備對儀器的要求。在環(huán)境溫度為250℃，10 ms內(nèi)TVS允許的正向浪涌電流可達(dá)50～200 A。

3.5 抗干擾技術(shù)的應(yīng)用

由于儀器應(yīng)用在高壓環(huán)境，為了降低外部元件對檢測電路的干擾，本儀器采用單獨(dú)的12 V隔離電源為漏電流測試電路供電。這樣就不會因為某個元件出現(xiàn)故障而使整個系統(tǒng)遭到破壞，而且也減少了公共阻抗的相互耦合，大大提高供電的可靠性，還有利于電源散熱。

集成電路的開關(guān)高速動作時會產(chǎn)生噪聲，因此無論電源裝置提供的電壓多么穩(wěn)定，VCC和GND端也會產(chǎn)生噪聲。為了降低集成電路的開關(guān)噪聲，在印制線路板上的每一塊IC上都接入高頻特性好的旁路電容，將開關(guān)電流經(jīng)過的線路局限在板內(nèi)一個極小的范圍內(nèi)。旁路電容用0.1 μF的陶瓷電容器，旁路電容器的引線要短且緊靠需要旁路的集成電路的VCC或GND端。

另外我們還對印制電路板進(jìn)行合理布線，避免直角，并行線之間插入電源線或者地線，減少分布電容、分布電感引起的靜電耦合。

最后通過采用高壓導(dǎo)線雙絞輸入檢測信號，并在儀器總電源處加裝濾波器，減少迭加在被測信號上的串模干擾。縮短外部連接導(dǎo)線長度，抑制長線傳輸波反射干擾。

4 實(shí)踐應(yīng)用與改進(jìn)

該儀器的開發(fā)初步實(shí)現(xiàn)了在高壓小尺寸薄膜電容分選機(jī)上對產(chǎn)品的快速直流耐壓測試，較好的滿足了廠家的實(shí)際需求。目前，該儀器配套分選機(jī)已經(jīng)在客戶方得到批量使用，應(yīng)用狀況良好，保證了出廠電容的質(zhì)量。

同時在生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，設(shè)備測試夾具的間距比較小，可能發(fā)生高壓打火。在連續(xù)高壓打火的情況下，漏電流檢測電路的集成電路還是比較容易損壞。這點(diǎn)需要繼續(xù)改進(jìn)，盡量減少以至避免夾具高壓打火的情況發(fā)生，增強(qiáng)檢測電路的可靠性。

5 結(jié)論與展望

通過對此儀器的深入研究，作者對電容耐壓測試工藝有了更深刻的理解，對以后的工作方法和方向也有了更好的把握。

隨著我們國家3G應(yīng)用、家電下鄉(xiāng)等活動的展開，以及發(fā)展新能源，推廣低碳經(jīng)濟(jì)等政策的執(zhí)行，薄膜電容的市場將更加廣闊。我們將盡最大力量幫助廠家提高生產(chǎn)工藝，增加產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

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