超高壓瓷介電容器耐電壓水平的研究

劉 成，隨 辰

（北京七星飛行電子有限公司，北京 100015）

隨著電氣設備的小型化、高性能化和高壓化的發展，具有體積小、容量大、電感小、壽命長等特點的超高壓瓷介電容器被廣泛應用于FS6斷路器、避雷器和高壓分壓器等領域。另外，隨著我國軍工事業的不斷發展，超高壓瓷介電容器在激光武器、脈沖武器等定向能武器中也得到了應用。其在電路中的工作原理如圖1，超高壓瓷介電容器在電路中主要是和二極管組合串并聯使用，提高電路的輸出電壓，起到倍壓作用。

圖1 超高壓瓷介電容器工作原理圖

超高壓瓷介電容器的主要性能指標是耐電壓水平，研究如何提高電容器的耐電壓水平是文章的主要議題。超高壓瓷介電容器耐電壓失效模式有兩種：一種是體擊穿，失效模式如圖2所示，導致體擊穿的原因較多，比如瓷件內部有雜質、瓷件的致密度低使得瓷件內部出現氣孔等缺陷造成的，主要影響因素有瓷料的潔凈度、壓制密度、燒結溫度、保溫時間等。另一種是電容器沿面擊穿，如圖3所示，它主要是由于瓷件外觀有缺陷，如出現崩邊、破損、起層等現象邊緣有損傷或瓷件與樹脂熱膨脹系數相差較大，樹脂與瓷件結合力差而導致的。

圖2 電容器體擊穿圖

圖3 電容器沿面擊穿圖

對于以上失效模式可以通過加強工藝控制，采取有效的針對措施，從而提高電容器的耐電壓水平。具體方案如下：

（1）在瓷料生產制備過程中做好除鐵和除塵工作最大限度地減少瓷料中雜質，提高瓷件質量；（2）提高壓機的壓力，在保證排膠充分的情況下增大瓷體密度；（3）選擇合適的燒結曲線，提高瓷件的燒結質量；（4）相對固定瓷件燒結設備，改善燒結氣氛，提高燒結質量；（5）瓷件加工和傳輸過程中做好防護，避免瓷件損傷；（6）做好瓷件表面處理，采用真空灌注樹脂，提高電容器耐電壓性能。

文章重點通過提高瓷件生坯密度；選擇適合的燒結曲線；降低電容器電極邊緣的電場強度，提高樹脂與瓷件的結合力這三方面進行剖析，來提高超高壓瓷介電容器的耐電壓水平，其他方面的解決措施主要是加強工藝控制。

目前比較成熟的超高壓瓷介電容器供應商有日本村田、TDK、美國AVX等，而國內超高壓瓷介電容器的耐壓水平不能滿足實際使用要求，主要依賴進口，因此迫切地需要提高國內超高壓瓷介電容器的耐電壓水平，替代進口，實現國產化。

1 實驗

實驗所用瓷件尺寸為φ35×10，瓷料選用鈦酸鍶系陶瓷材料，介電常數約為2 300，容量為2 000 pF，額定電壓DC30 kV，測試電壓DC45 kV。

實驗分三部分完成，首先從瓷件成型入手。文章所選用的瓷件是采用干壓成型的方式，選用相同的干壓模具，通過調節壓機的壓力，壓制出不同生坯密度的瓷件，同時燒結成瓷后，再通過被銀、焊接、灌封，加工成電容器，然后測試電壓，最終得出電容器的介質擊穿電壓與生坯密度的關系。通過研究瓷件制備工藝對耐電壓水平的影響，發現不同的生坯密度對耐電壓水平的影響很大。其次，通過掃面電鏡觀察不同溫度下瓷件的成瓷情況，最終選擇適合的燒結曲線，提高瓷件的耐電壓水平。最后，利用ANSYS公司的HFSS仿真軟件（如圖4）模擬不同電極留邊量的電容器內部的場強分布，從而確定電容器的電極留邊量。并且按照不同的電極留邊量分別按照相同的工藝加工各5只電容器，通過對比擊穿電壓，來驗證仿真的準確性。另外，選用兩種灌注方式對同批次產品進行灌封，即常壓（非真空）灌注和真空灌注，灌注數量各10只。隨機選取各3只產品通過DPA分析對比兩種狀態下的樹脂與瓷件結合處的氣孔情況，其余各7只通過測試擊穿電壓進行對比，得出結論，選擇適合的灌注方式。

圖4 HFSS仿真軟件

2 結果與討論

2.1 瓷件制備工藝對耐電壓水平的影響

瓷件的制作要嚴格控制工藝過程，特別是生坯成形中壓力（施壓、持壓及釋壓過程）、密度、燒成（排膠、燒成溫度、升溫曲線）的控制，這些參數均可直接影響到瓷件的電性能。其中干壓也就是材料的成型過程，是將粉料中加入少量粘合劑，先經造粒，然后將造粒料后的粉料置于鋼模中，在壓力機上加壓形成一定形狀的坯體。在瓷件成型過程中通過控制壓力來控制生坯的密度，超高壓瓷件的生坯密度與耐壓強度有直接關系，以尺寸為35×10的產品作為實驗對象進行分析，結果如表1所示：

表1 生坯密度與耐壓強度關系

由表1和圖5可知，生坯密度越大，耐壓強度越高，因此提高瓷體的生坯密度，瓷件的耐壓強度明顯得到提高。通過成型壓力來控制生坯密度，直徑一定的情況下，壓力越大，密度越大，但這只在一定范圍內顯著。當成型壓力達到一定值時，再增加壓力，坯體致密度的增加已經不明顯了，過大的壓力也容易引起殘余空氣的膨脹而使坯體開裂。因此要在保證瓷件外觀合格和壓機壓力承受的范圍內，增加生坯的密度來提高瓷件的耐壓。

圖5 生坯密度與擊穿電壓的關系

2.2 瓷件燒結工藝參數控制對耐電壓水平的影響

燒結溫度及其保溫時間對陶瓷的顯微結構和性能有極大的影響，在一定工藝條件下最佳燒結溫度是獲得SrTiO3基陶瓷最佳綜合性能的關鍵之一。最佳燒結溫度所制成的陶瓷綜合介電性能最佳。

當燒結溫度過低時，瓷體生燒，陶瓷晶粒發育不良，無法形成較好的鐵電相，致密度程度不夠，空隙較多，導致介電常數較低，介質損耗較大，耐壓強度降低。當燒結溫度過高時材料過燒，則會使晶粒過分長大，形成的玻璃相增多，稀釋鐵電相，導致介電常數降低，介質損耗增大，絕緣電阻減小，擊穿電壓降低。為了改善瓷料的絕緣強度，必須盡可能提高瓷料的致密度（降低瓷料的氣孔率）。很明顯，氣孔是陶瓷材料在電場作用下絕緣強度破壞的薄弱環節，必須降低至最低限度。因此通過控制超高壓瓷件的保溫時間，選擇合適的燒結溫度，控制好瓷件燒結曲線對瓷件的燒結至關重要，瓷件燒結曲線如圖6所示。

圖6 瓷件燒結曲線

通過對超高壓瓷件進行掃描電鏡分析（SEM），電鏡結果如圖7所示。

圖7 保溫5 h超高壓瓷件SEM圖

在1 300 ℃、1 310 ℃溫度下保溫5 h燒制得到的瓷件掃描電鏡圖（SEM）。由圖7可知瓷件經1 300 ℃、1 310 ℃高溫燒結氣孔率低，即在燒結過程中形成足夠的液相填充坯體里的氣孔，晶粒結合情況較好，晶粒生長致密，說明在此溫度下達到了較好的燒結效果，制備得到了損耗小、絕緣電阻大、耐壓強度高的超高壓瓷件。

2.3 超高壓電容器電極邊緣化設計及封裝技術對耐電壓水平影響的研究

由于超高壓瓷介電容器的典型特征是超高的耐電壓，涂銀面積的設計對電容器的電壓性能有很大的影響。通過ANSYS 公司的HFSS軟件對不同涂銀的尺寸進行電場分布的仿真，最終確定最佳的涂銀尺寸。仿真瓷件尺寸為Φ35×10mm，施加電壓為100 V，具體仿真如圖8：

圖8 不同電極留邊量的場強分布圖

從圖8可以列出如表2。

表2 不同涂銀尺寸的場強值

類型 銀層邊緣場強（V/m） 備注電極留邊量5 mm 13.78×105電極留邊量2 mm 11.26×105電極留邊量1 mm 8.312×105電極留邊量0 mm 6.304×105

從表2可以看出不同涂銀尺寸的場強分布不同，隨著電極留邊量的減小電極邊緣的場強減弱，因此滿電極涂銀作為超高壓瓷介電容器涂銀的首選，可以最大限度地降低電容器電極邊緣的電場強度。

另外，對于四種不同電極留邊量的被銀瓷件按相同工藝分別加工出各5只產品，在絕緣油中測試每只電容器的直流擊穿電壓，如表3。

表3 不同極留邊量的直流擊穿電壓

從表2和表3可以得出，瓷件滿電極涂銀可以最大限度地降低電容器電極邊緣的電場強度，提高電容器的耐電壓水平。

耐電壓水平是超高壓瓷介電容器的主要性能，電容器在工作時，其內部場強分布如圖9所示。

圖9 電容器內部場強分布圖

圖9顯示電容器工作時內部場強分布情況，其中電容器電極（即銀層）的邊緣場強最強，易造成擊穿失效。如何解決此問題，首先看一下表4為不同介質的擊穿強度。

表4 不同介質的擊穿強度

從表4可以看出，空氣的擊穿強度很低，如果電容器加工完成后，表面不做包封處理，極易發生邊緣擊穿，導致電容器的電壓失效。因此選用絕緣強度高的樹脂對電容器進行包封處理以提高其耐電壓水平。但如果樹脂內部混入較多氣體會大大降低樹脂的絕緣強度，同時如果樹脂與瓷件結合質量差、氣孔多，造成樹脂與瓷件結合面出現縫隙，也會大大降低電容器的電壓性能（如表5）。所以得出結論：樹脂包封的電容器耐電壓水平的高低主要取決于樹脂與瓷件的結合質量和樹脂內部的氣孔量。

解決此問題須采用真空灌注進行樹脂灌注降低灌封后樹脂內部的氣孔量，提高樹脂與瓷件的結合力，保證產品的耐電壓水平（如表5）。

表5 不同灌注方式的電容器擊穿電壓對比表

從表5可以看出，真空灌注樹脂可以最大限度地減少樹脂內部的氣孔量，提高樹脂與瓷件的結合力，從而提高超高壓瓷介電容器的耐電壓水平。

3 結論

從以上三個方面分析如何提高超高壓瓷介電容器的耐電壓水平來看，在保證瓷件外觀合格和壓機壓力承受的范圍內，增加生坯的密度可以提高瓷件的耐電壓水平；通過控制瓷件燒成的保溫時間，選擇合適的燒結溫度，控制好瓷件燒結曲線，可以提高瓷件的燒結質量，提高瓷件的耐電壓水平；滿電極涂銀可以最大限度地降低電容器電極邊緣的電場強度，樹脂的真空灌注可以有效地減少瓷件與樹脂結合處和樹脂內部的氣孔量，提高瓷件與樹脂的結合力，最終提高超高壓瓷介電容器的耐電壓水平。