電極留邊量對高壓瓷介電容器耐電強度的影響

馬永香，呂 凱，黃庚辛，韓建宏，邱紅松，王彥博

（陜西華星電子開發(fā)公司，西安咸陽，712099）

電極留邊量對高壓瓷介電容器耐電強度的影響

馬永香，呂 凱，黃庚辛，韓建宏，邱紅松，王彥博

（陜西華星電子開發(fā)公司，西安咸陽，712099）

通過對不同電極留邊量的高壓瓷介電容器耐電強度進行測試和分析，并從中發(fā)現(xiàn)當電極留邊量控制在0.8~1.2mm時，能夠使高壓瓷介電容器的合格率達到最佳值（不良率小于50PPM）。從而滿足了整機客戶的對可靠性的要求。

高壓瓷介電容器；電極；耐電強度；可靠性

0 引言

高壓瓷介電容器是電子設備中大量使用的主要元件之一，它具有隔直流和分離各種頻率的能力，廣泛應用與工業(yè)，國防，科學研究及日常生活。目前國內(nèi)能夠生產(chǎn)的廠家不多，且多數(shù)屬于來料加工，生產(chǎn)規(guī)模小，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，不能夠滿足整機廠的配套及技術(shù)要求。通過對高壓瓷介電容器的耐電強度的測試和分析，改善工藝適應性，提高產(chǎn)品的耐電強度及可靠性，將有助于提高國內(nèi)廠家的產(chǎn)品質(zhì)量，增強國內(nèi)廠家的競爭力。伴隨著電氣設備的小型化、高性能化和高電壓化，高壓瓷介電容器被廣泛應用于短路器、避雷器、激光器和高壓分壓器領域，所使用的高壓瓷介電容器的瓷介質(zhì)主要有BaTiO3和Sr TiO3系兩類。瓷介電容器一般為具有環(huán)氧包封層的包封式電容器，在生產(chǎn)和使用中，進行耐壓試驗時存在表面放電現(xiàn)象，后者出現(xiàn)與在環(huán)氧層表面，都造成電容器瓷體的耐電強度下降，并在較低的電壓下?lián)舸瑢е码娙萜鞯氖А?為減少邊緣放電擊穿，在電容器的電極實際制作中，由于漏印現(xiàn)象銀電極全部涂滿端面難以實現(xiàn)，常常采用留邊的辦法，但是對于電極量留邊量與瓷體表面放電的關(guān)系一直從未從理論上進行合理的解釋，對于這一現(xiàn)象的研究和報的也不多，有必要對瓷體邊緣擊穿與電極量留邊量的關(guān)系進行深入的研究。

1 實驗過程

1.1 樣品的選擇和制備

目前高壓瓷介電容器所使用的陶瓷材料主要有三種溫度特性的高介電常數(shù)材料，分別是Y5P、Y5U、Y5V組材料，用其作成的高壓瓷介電容器的溫度特性如圖1所示。

每個組別確定一個規(guī)格產(chǎn)品進行實驗。其型號如下

Y5PY1400VAC471K/68220

Y5UY1400VAC222M/90220

Y5VY1400VAC332M/87220

圖1 溫度特性

對每種規(guī)格產(chǎn)品分別采取電極留邊量為0.4、0.8、1.0、1.2、1.6 mm的工藝進行被銀，并作好標識。每個規(guī)格產(chǎn)品的五種試樣均采用相同的工藝參數(shù)進行生產(chǎn)。

1.2 樣品耐壓的測試

樣品制備好后，每個樣品取100K進行耐壓測試，由于陶瓷電容器在電壓反復沖擊下容易引起反復擊穿，可靠性會降低，我們可以利用這一特性來檢測其可靠性。為加強對比性，正常工藝要求測試一遍，實驗時測試兩遍。測試耐壓Y1類產(chǎn)品首先按4.2KVAC直沖5秒，然后再在4.0KVDC下劃測一遍，測試不良率統(tǒng)計表1-表3中。

表1 Y1400VAC471K不良率統(tǒng)計表

表2 Y1400VAC222M 不良率統(tǒng)計表

表3 Y1400VAC332M 不良率統(tǒng)計表

1.3 擊穿耐壓測試

對Y5VY1400VAC332M產(chǎn)品的五種樣品各抽取50只進行擊穿耐壓測試，所用耐壓擊穿儀型號為CJ2671，升壓速度為每秒1.5KVAC，并將數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計于圖2-6中。

圖2 留邊量0.4mm擊穿耐壓分布圖

圖3 留邊量0.8mm擊穿耐壓分布圖

圖4 留邊量1.0mm擊穿耐壓分布圖

圖5 留邊量1.2mm擊穿耐壓分布圖

圖6 留邊量1.6mm擊穿耐壓分布圖

2 結(jié)果與討論

（1）由表1-3可以看出，留邊量太大或太小，各個規(guī)格產(chǎn)品的不良率都會有所升高，而當電極留變量控制在0.8~1.2時，不良率最低，均小于100PPM。而從圖1-5中，也可以看出，當電極留變量控制在0.8~1.2時，產(chǎn)品的擊穿電壓分布均勻，且一致性較好，而當留邊量太大或太小使，擊穿電壓相對比較分散。

（2）因為電容器的擊穿主要分為兩類電擊穿和熱擊穿，電擊穿主要發(fā)生在邊緣電場強度最高處，由于電容器兩邊電極不能達到理論上的完全重疊一致，往往是電極的偏差造成邊緣電場強度分布不均而引起電擊穿，而通過控制電極留邊量，提高兩邊電極的重疊度使電場分布更趨均勻，從而減少了因邊緣電場強度分布不均而造成的電擊穿。另外，電容器也可能因為表面放電而失效，但介質(zhì)本身并未擊穿。

（3）表面放電與電場畸變有關(guān)系，電極邊緣常常電場集中，因而擊穿常在電極邊緣發(fā)生，即邊緣擊穿。為了消除表面放電，還應注意元件結(jié)構(gòu)，電極形狀的設計。一方面要增大表面放電途徑；另一方面要使邊緣電場均勻。適當?shù)目刂齐姌O留邊量，也就相應增加了趴弧距離，提高了電容器的飛弧電壓（也稱表面擊穿電壓）同時也減少了表面擊穿的發(fā)生。

（4） 通常情況下，滿銀電極銀片耐電壓最高（由于電場的分布比較均勻，規(guī)則，電力線軸向輻射，因而不易于畸變），但由于實際制造過程中成型設備的限制，導致陶瓷燒結(jié)后邊緣的致密度不均勻，電力線極易產(chǎn)生畸變，因此目前工藝條件下適當?shù)拇杉暨吜繉δ蛪褐陵P(guān)重要。

3 結(jié)束語

由于影響高壓瓷介電容器的耐電強度的因素眾多，在瓷料和其他生產(chǎn)工藝不變的情況下，筆者通過在實際生產(chǎn)中的觀察和總結(jié)，結(jié)合客戶的實際使用情況，發(fā)現(xiàn)通過控制電極留邊量，適當增加表面飛弧距離，能夠提高高壓瓷介電容器的合格率，滿足整機廠家對產(chǎn)品可靠性的要求。

[1]章士瀛.DCF型交流圓片瓷介電容器[J].電子元件與材料 .1998.17（6）：1-4.

[2]曲遠方.功能陶瓷材料[M].北京.化學工業(yè)出版社2003.322-323.

[3]關(guān)振鐸等.無機材料物理性能[M].北京.清華大學出版社2000.346-347.

Influence of electrode margin dielectric strength of high voltage ceramic capacitor

Ma Yongxiang, Lv Kai, Huang Gengxin, Han Jianhong, Qiu Hongsong, Wang Yanbo
(Shaanxi Huaxing Electronic Development Company, Xianyang Xi’an,712099)

By testing and analyzing the dielectric strength of high voltage ceramic capacitors with different electrode margin, and find out when the electrode margin control in 0.8~1.2mm, can make the qualification rate reaches a maximum value of high voltage ceramic capacitors (non-performing rate of less than 50PPM). Thus satisfied the whole machine customer’s request to the reliability.

high voltage ceramic capacitors; electrode; electric strength; reliability