耐高溫薄膜電容器—熱沖擊解決方案

　　目前，大量汽車開始預(yù)先在為人熟知的引擎(簡(jiǎn)稱“UTH”應(yīng)用系統(tǒng))和引擎(簡(jiǎn)稱EM)組件中，加入越來(lái)越多電子技術(shù)含量。這即為最大應(yīng)力—振動(dòng)、熱度以及大量熱浪的生成之源。因而，針對(duì)電子元件的需求隨之不斷增加。

　　在諸如CDF-AEC-Q200、JASO D 001-87或者VW-801-01等針對(duì)汽車應(yīng)用系統(tǒng)的專用標(biāo)準(zhǔn)中，已明確指出電子元件為確保在溫度極端并快速變化的條件下可靠運(yùn)行，所必須要滿足的諸多條件以及應(yīng)對(duì)機(jī)械應(yīng)力的必要阻力。

　　目前推廣的條件之一為：在外界溫度恒為125℃時(shí)，機(jī)動(dòng)車輛內(nèi)部元件要能保持機(jī)能效率。然而，上述條件已演變成：上述應(yīng)用系統(tǒng)必須經(jīng)受住或者暫時(shí)經(jīng)受住直至175℃高溫。而一些特定組件，比如前燈的HID燈，以及其它應(yīng)用系統(tǒng)，則必須能夠承受恒為150℃的外界溫度(參見(jiàn)表1)。

　　應(yīng)對(duì)沖擊

　　電子元件除應(yīng)對(duì)急劇變化的溫度之外，還必須經(jīng)受住強(qiáng)大的熱沖擊。為模擬上述條件下的產(chǎn)品性能，通常會(huì)采取熱沖擊試驗(yàn)，將產(chǎn)品在- 40℃到+150℃之間進(jìn)行500至1000次的輪回。而在包裝和密封膠二者之間的熱膨脹或者熱吸附的差別之處即為判斷元件可靠性和電特性的關(guān)鍵。

　　因?yàn)樵S多汽車應(yīng)用系統(tǒng)中的溫度最大值介于125℃和175℃之間，所以上述測(cè)試在實(shí)踐中就非常重要。大多數(shù)該類應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行溫度可高達(dá)150℃。

　　薄膜探究

　　薄膜電容器是否能夠耐高溫，其決定性因素在于介電薄膜。不過(guò)，早在原始設(shè)計(jì)階段，還必須考慮其他方面，比如材料可用性及其價(jià)格。有關(guān)常見(jiàn)材料，請(qǐng)參見(jiàn)表2。

　　基于惡劣的運(yùn)轉(zhuǎn)條件以及對(duì)尺寸和成本最小化的需求，EPCOS(愛(ài)普科斯) 運(yùn)用PET和PEN材料研制出可以抵擋外界最高溫度、并適用于汽車電子設(shè)備的薄膜電容器。

　　結(jié)合高溫運(yùn)行條件與PET或者PEN相比較，PPS在應(yīng)用系統(tǒng)方面的損耗因數(shù)較低，因此通常是最合適的解決方案。然而，經(jīng)實(shí)踐證明，PP也可以在中度恒溫條件下使用，此即為其能產(chǎn)生成本效益的事實(shí)。

　　愛(ài)普科斯當(dāng)前正在研制可直接裝配在通用混合汽車的動(dòng)力傳動(dòng)裝置上的電容器。因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行溫度在110℃以下，并且PP電容器在高頻區(qū)也能表現(xiàn)出良好性能，所以愛(ài)普科斯采用了PP介電材料。

　　除運(yùn)轉(zhuǎn)條件以外，系統(tǒng)供應(yīng)商的加工是另外一個(gè)重要因素。因此，還必須在峰值高達(dá)260℃的回流焊溫度下，對(duì)SMT電容器進(jìn)行測(cè)試。

　　專用樹脂，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)使用壽命

　　愛(ài)普科斯已開發(fā)出照明系統(tǒng)專用的多種散裝電容器，以及機(jī)動(dòng)車輛專用的交流/直流轉(zhuǎn)換器。此外，還開發(fā)出引擎附近、要求耐振強(qiáng)度更高的專用組裝電容器。上述電容器系列均采用環(huán)氧樹脂密封包裝和保護(hù)電容器元件。

　　環(huán)氧和聚氨酯樹脂可通過(guò)固化劑引起噴鍍金屬發(fā)生電化腐蝕。電化腐蝕現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電容器的電容量下降，而下降進(jìn)程則視樹脂中固化劑和催化劑比例、塑料膜上噴鍍金屬層厚度、工作電壓以及溫度的情況而定。

　　此外，還必須考慮環(huán)氧樹脂隨時(shí)間和溫度變化而發(fā)生的老化現(xiàn)象。老化現(xiàn)象在外界溫度接近玻化溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致柔軟性和樹脂熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生劇烈變化。屆時(shí)，樹脂可能會(huì)出現(xiàn)裂隙和裂縫，甚至在特定情況下，會(huì)導(dǎo)致接觸面脫離。為此，愛(ài)普科斯已開發(fā)出一種專用環(huán)氧樹脂，可顯著減少在使用壽命和電容器電源功能性方面產(chǎn)生的上述負(fù)面效應(yīng)。

　　在選擇包裝材料的過(guò)程中，經(jīng)UL94 - V0核準(zhǔn)的硬度、易碎性、熱脹和阻燃性發(fā)揮了關(guān)鍵作用。包裝和密封樹脂之間還需要良好的吸附性，以便實(shí)現(xiàn)保護(hù)電容器的目的。雖然PPS也可用作包裝材料，不過(guò)薄膜電容器制造商一般采用PBT和PP。PP的彈性非常好，不過(guò)其運(yùn)行溫度低于120℃、?；瘻囟容^低、并且難于吸附樹脂，因此，PP并不適用于大多數(shù)汽車應(yīng)用系統(tǒng)。

　　為此，愛(ài)普科斯已經(jīng)將研發(fā)重點(diǎn)放在PBT和PPS方面的塑料封裝上。經(jīng)證實(shí)，在大多產(chǎn)品中，PBT是可靠材料。有關(guān)此典型包裝塑料的機(jī)械性能，參見(jiàn)表3概述。

　　PPS包裝之所以作為優(yōu)先解決方案，是因?yàn)榫突亓骱附雍驮跇O低和極高溫度以及低高溫之間急劇變化所產(chǎn)生的強(qiáng)大熱沖擊而言，PPS材料具有良好性能。

　　PEN和PET確保良好性能

　　在對(duì)各種電介質(zhì)、樹脂和塑料封裝進(jìn)行系列測(cè)試之后得出的結(jié)果，為汽車應(yīng)用系統(tǒng)專用電容器系列的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。B3252 * A系列采用PET作為電容器的基本介電材料，其最高運(yùn)行溫度為135℃。而B3282 * A系列則采用PEN作為介電材料，最高運(yùn)行溫度為150℃。

　　塑料罩材料的選擇有兩種方案：針對(duì)普通邊界條件內(nèi)熱沖擊和濕度的PB(-40 ℃至+135℃或者40℃/93%的相對(duì)濕度)，以及應(yīng)用于較惡劣環(huán)境的PPS(-50℃至+150℃或者85℃/85%的相對(duì)濕度)。有關(guān)該系列的主要數(shù)據(jù)，請(qǐng)參見(jiàn)表4。

　　用于測(cè)試產(chǎn)品壽命的流程已得以明確，以便研究電容器在極限許可溫度運(yùn)轉(zhuǎn)期間的性能。而上述試驗(yàn)范圍內(nèi)的類別電壓，也以相關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)被加以限定。

　　在高溫150℃和170℃的整體校測(cè)時(shí)間內(nèi)，PEN電容器的電容量維持得相當(dāng)穩(wěn)定。經(jīng)測(cè)試，電容器并未在損失因數(shù)和絕緣強(qiáng)度方面產(chǎn)生任何相關(guān)變化。有關(guān)PET電容器在高溫125℃下的測(cè)試，請(qǐng)參見(jiàn)圖3所示合成曲線。