薄膜電容器引腳焊接位置的改進對損耗性能的影響

邱小波

(智新電子（廈門）有限公司，福建 廈門 361115)

行業(yè)所稱的安規(guī)薄膜電容器一般指通過VQE/CQC/UL/CB等認證，安全系數(shù)高，可工作在交流電壓下，耐壓常用AC標注的金屬化薄膜電容器。結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要是由芯子、引腳、環(huán)氧樹脂填充材料及絕緣盒子組成。其中芯子由兩層非常薄的聚丙烯金屬膜（又稱PP膜）或者聚酯金屬膜（又稱PE膜）纏繞而成。

圖1 安規(guī)薄膜電容器結(jié)構(gòu)圖

1 薄膜電容器制造工藝

薄膜電容器的制造工藝大致是將纏繞好的芯子經(jīng)過熱壓工序以排除里面殘余的空氣，熱壓后的芯子兩端噴上金屬粉層以保證金屬層與兩端粉層良好的導(dǎo)電接觸作用。再經(jīng)過高壓清除工序以淘汰掉噴金時噴得厚薄不均或者接觸不良的失效品，合格品兩端點焊上引線起導(dǎo)通作用，同時灌上環(huán)氧樹脂并在一定溫度和時間下固化，固化后的產(chǎn)品經(jīng)過篩選就可以得到合格的產(chǎn)品。

安規(guī)薄膜電容器在生產(chǎn)過程中主要工序如圖2所示。

2 薄膜電容器的損耗

體現(xiàn)電容器產(chǎn)品質(zhì)量的主要技術(shù)指標有：電容器的損耗角正切值、容量及偏差、絕緣電阻、電容器的介電強度又稱耐壓。

圖2 安規(guī)薄膜電容器的主要生產(chǎn)工序

薄膜電容器的損耗是衡量電容器品質(zhì)優(yōu)劣的一個重要指標，可以衡量電容的基本無效性，可定義為電容器在外加電壓的作用下，單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為電容器的損耗。損耗因數(shù)常常隨著溫度和頻率而改變。采用云母和玻璃電介質(zhì)的電容，其DF值一般在0.03%至1.0%。室溫時，陶瓷電容的DF范圍是0.1%至2.5%。電解電容的DF值通常會超出上述范圍。薄膜電容通常是最佳的，其DF值小于0.1%。損耗越大發(fā)熱越嚴重，則表示電容器傳遞能量的效率越差。

在生產(chǎn)過程中降低金屬化薄膜電容器損耗的主要措施有：

（1）保證原材料特別是金屬化薄膜和引線的質(zhì)量；

（2）電容器應(yīng)在特定的溫度和濕度下生產(chǎn)；

（3）在電容器生產(chǎn)的各道工序中降低電容器的接觸電阻，從而降低電容器的損耗。

在電容器的制造過程中對薄膜電容器損耗的主要影響因素有噴金層與金屬化膜層的結(jié)合力，而這又與噴金層粒子的細度，金屬粒子的溫度，噴金層的厚度等有直接的關(guān)系。本文主要從引腳的焊接工藝改善的角度來分析對電容器損耗的影響。

對于生產(chǎn)量大，且結(jié)構(gòu)單一的薄膜電容器產(chǎn)品的點焊工序，一般都通過自動點焊機生產(chǎn)。同手工焊接相比，自動點焊機實現(xiàn)了多個工序同時自動進行，比如自動進行高壓清除、兩端點焊、灌環(huán)氧膠、高溫固化及篩選測試等一系列工序。機臺調(diào)整好后，其焊接的引線位置固定，偏差很小，能保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

由于薄膜電容器種類多樣，有少部分是因尺寸、材料等差異性很大，并不適合自動點焊機的情況。比如電容器芯子的尺寸過大，或者引線采用需要剝皮的柔性線纜等，這時用手工點焊就有明顯的優(yōu)勢。

不論手工點焊還是自動點焊，引線焊接的位置及焊接的深淺對電容器的容量、損耗值等都會產(chǎn)生一定的影響。

其中一個影響是點焊后引腳的點焊位置與噴金層的結(jié)合很好，沒有裂痕，所產(chǎn)生的內(nèi)部阻抗的一致性就很小，在施加高電壓的短路充放電過程中，能承受的電壓能力就越強。如果焊接狀態(tài)不好，會降低芯子端面的金屬層與噴金層或引線與噴金層的結(jié)合度，從而造成接觸電阻變化。在這種條件下，在產(chǎn)品的兩極施加破壞性的高電壓短路充放電，就很可能引起焊接層面遭到破壞，從而引起容量和損耗的變化，嚴重的引起產(chǎn)品功能性失效。

3 試驗原理

本次試驗充分考慮到點焊位置的變化對于產(chǎn)品性能的影響，分別考慮點焊位置在噴金層的1/3處（對噴金層影響較小）和2/3處（對噴金層影響較大）各制作了30只左右的樣品，點焊位置如圖3所示。并將做好的試驗品在不加電壓和加短路充放電壓兩種情況下分別測試其容量和DF值，并將其進行分析比較。需要注意的是加短路充放電壓是破壞性試驗，其試驗?zāi)康氖菣z驗在嚴苛的試驗條件下產(chǎn)品的容量和損耗的破壞情況。

圖3 引線點焊位置

4 試驗用薄膜電容器的材料及性能要求

試驗用產(chǎn)品為最常規(guī)的224K275VAC盒子類安規(guī)薄膜電容器，容量為0.22 μF(220 nF)，公差10%，可在交流電壓275 V下正常工作。

主要原材料薄膜采用7 μm厚的聚丙烯金屬薄膜，芯子兩端噴金層主要材料為鋅和鋅錫合金材料，引線為常規(guī)的鍍錫銅包鋼線。

5 試驗用薄膜電容器的工序與設(shè)備

試驗工序為將噴金及高壓清除工序篩選的合格芯子，進行手工點焊，點焊工序分為兩批，分別為在芯子噴金層的1/3處和2/3處用手工點焊機進行點焊，點焊前測試容量和DF值，確保試驗前的芯子為合格品。然后用引線進行手工點焊，再測試容量和DF值，以觀察點焊后的容量和DF的變化。最后將合格產(chǎn)品進行3次直流1 250 V的短路充放電破壞，再測試容量和DF值。并記錄其容量和DF變化的情況。

點焊工序所采用的主要設(shè)備有：手工點焊機、短路充放電破壞采用耐壓測試儀、容量和DF值的測量采用容量綜合測試儀。

6 試驗結(jié)果

6.1 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本試驗對產(chǎn)品的點焊位置在點焊1/3處和2/3處各做了29只樣品，容量測試的試驗結(jié)果如表1所示，分別是點焊1/3處測量和短路充放電后測量容量的合格率，及點焊2/3處測量和短路充放電后測量容量的合格率情況。

表1 常規(guī)和1 250 V充放電后容量測試

損耗測試的試驗結(jié)果如表2所示，分別是點焊1/3處測量和短路充放電后測損耗的合格率，及點焊2/3處測量和短路充放電后測量損耗的合格率情況。

表2 常規(guī)和1 250 V充放電后損耗DF測試

6.2 試驗樣本的容量和損耗分布

圖4是點焊位置在1/3處測量容量和短路充放電后測量容量，及點焊2/3處測量容量和短路充放電后測量容量的所有樣品測試值的分布情況。

圖5是點焊1/3處測量損耗和短路充放電后測損耗及點焊2/3處測量損耗和短路充放電后測量損耗的所有樣品測試值的分布情況。

圖4 常規(guī)和1 250 V充放電后樣品的容量分布

圖5 常規(guī)和1 250 V充放電后樣品的損耗分布

7 試驗結(jié)果分析

由試驗結(jié)果可以看出：

（1）點焊位置對容量變化的影響。容量的范圍要求是 0.22 μF±10% μF，即 0.198～0.242 μF。由圖4總數(shù)29只樣品的試驗測試結(jié)果的分布可以看出：點焊的位置在1/3處時測量得到的容量值與2/3處測得的值差別不大，均為合格。但是進行1 250 V直流的短路充放電后1/3處點焊測量得到的容量值仍然全部合格，而2/3處點焊測得的值有4只超出范圍，合格率只有86.21%。這說明1/3處點焊后在破壞性高壓充放電下的表現(xiàn)比2/3處點焊后的表現(xiàn)要好得多。

（2）點焊位置對損耗變化的影響。金屬化薄膜電容器的損耗值一般要滿足小于10%的要求。由圖5總數(shù)29只樣品的試驗測試結(jié)果的分布可以看出：1/3處點焊測量得到的損耗值與2/3處點焊測得的損耗值差別不大，均合格。進行1 250 V直流短路充放電后1/3處點焊測量得到的損耗值有3只不合格，合格率為89.66%，而2/3處點焊測量得到的損耗值有7只不合格，合格率為75.86%。很明顯的是1/3處點焊后在破壞性高壓短路充放電的試驗條件下測損耗值的合格數(shù)量要優(yōu)于2/3處點焊后測損耗值的數(shù)量。

8 結(jié) 論

（1）從原理上解釋了引腳點焊的位置對噴金層的影響，點焊的不同位置對噴金層的影響很大。引線點焊時接觸噴金層越小，對噴金層的破壞作用越小，阻抗的一致性越好；引線點焊時接觸噴金層越大，對噴金層破壞作用越大，引起阻抗的差別越大。

（2）設(shè)計了樣品的試驗以驗證點焊的位置對產(chǎn)品容量的影響，分別采取2種不同的點焊位置，即點焊在噴金層的1/3處和2/3處，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過1 250 V高壓短路充放電試驗后，容量變化方面，1/3處點焊的合格率為100%，要明顯優(yōu)于2/3處點焊產(chǎn)生的效果。

（3）設(shè)計了樣品的試驗以驗證點焊的位置對產(chǎn)品損耗的影響，分別采取2種不同的點焊位置，即點焊在噴金層的1/3處和2/3處，同樣經(jīng)過1 250 V高壓短路充放電試驗后，DF變化方面，1/3處點焊的合格率為89.66%，同樣也明顯優(yōu)于2/3處點焊產(chǎn)生的效果，進一步驗證了理論解釋的合理性。