Коррозионностойкое эпоксидное покрытие для высоковольтных конденсаторов, изготовленных методом лазерной резки.

Коррозионностойкое эпоксидное покрытие для высоковольтных конденсаторов, изготовленных методом лазерной резки.

Резюме

Металлическая стружка и конденсат попадают в конденсатор лазерного цеха в виде влаги, содержащей металл, и разрушают герметизирующий слой раньше, чем диэлектрик. В этой статье приводятся расчеты диффузии и коррозии, определяющие срок службы, четыре пути отказа, обнаруженные в возвращенных устройствах, а также варианты состава, адгезии, герметизации и испытаний, позволяющие удержать утечку и частичный разряд в пределах допустимых значений.

1. Введение

Эпоксидная герметизация защищает керамику, предотвращает попадание влаги и удлиняет путь утечки. Такая герметизация является стандартной защитой для высоковольтных конденсаторов и прошла квалификацию в чистых помещениях. В цехах лазерной резки и сварки добавляются три фактора, с которыми стандартное литье никогда не сталкивалось: шлифовальные и зачистные станции выделяют металлическую стружку, режущие головки выделяют мелкую металлическую пыль, а конденсат смачивает и то, и другое.

На каждой поверхности в таком цехе скапливается проводящая пленка. Влага, содержащая металлы и покрывающая эпоксидную смолу, запускает электрохимические реакции на поверхности, вдоль границы раздела с керамикой и на выходах выводов, где контактная площадка расположена ближе всего к внешней среде.

Данные, полученные в полевых условиях, позволяют оценить масштаб угрозы. В цехах с высокой запыленностью 15% конденсаторов со стандартными эпоксидными корпусами показали коррозию выводов в течение 12 месяцев, по сравнению с 1% в чистых условиях. Одна поломка обходится в 2,000–6,000 долларов США на замену высоковольтного блока и останавливает производственную смену.

В этой статье рассматриваются уравнения проникновения влаги, четыре пути разрушения и спецификация инкапсуляции, которая превращает покрытие в барьер.

2. Основной механизм

2.1 Диффузия водяного пара через тело

Вода проникает в эпоксидную смолу посредством диффузии по Фику, и поглощение следует последовательному уравнению. Первый член этого уравнения дает практическую модель:

M(t) = M_sat × [1 − (8/π²) × exp(−π² × D × t / d²)]

где M(t) — количество влаги, поглощенной в момент времени t, M_sat — степень насыщения, D — коэффициент диффузии, d — толщина стенки, а t — время воздействия.

Установка M(t) равным 90% насыщения позволяет выполнить проверку конструкции одним числом:

t_90 = 0.21 × d² / D

где t_90 — время достижения 90% насыщения. Для стенки толщиной 2 мм и D = 10⁻⁷ см²/с, d²/D равно 111 часам, поэтому t_90 равно 23 часам. За одни выходные, отмеченные конденсацией, тело насыщается. Насыщенная эпоксидная смола затем теряет от 2 до 3 порядков величины сопротивления изоляции, и начинается ионная миграция.

2.2 Ионная миграция и потеря металла на конце цепи

Растворенная вода переносит ионы, приложенное поле приводит их в движение, а частицы железа или цинка на поверхности становятся электродами. Металл, удаляемый на анодном участке, подчиняется закону Фарадея:

m = (M × Q) / (z × F)

где m — масса растворенного металла, M — молярная масса, Q — прошедший заряд, z — валентность, а F — постоянная Фарадея, равная 96 485 Кл/моль.

При токе утечки 1 мкА проходит 0.0864 Кл в сутки. Для железа с молекулярной массой M = 55.85 г/моль и z = 2 это приводит к удалению 25 мкг металла в сутки, или 9.1 мг в год, с одного анодного участка. Образовавшийся гидроксид набухает в месте образования, и эпоксидная смола отслаивается от керамики.

2.3 Межфазное напряжение, возникающее при термическом циклировании

Циклы запуска-остановки оборудования и нагрев зоны сварки приводят к гораздо большему расширению смолы, чем керамики. Эпоксидная смола перемещается со скоростью около 60 ppm/°C, а керамика — около 8 ppm/°C, поэтому при каждом изменении температуры на границе раздела происходит сдвиговое напряжение:

σ_int = E_epoxy × (α_epoxy − α_ceramic) × ΔT / (1 − ν)

где σ_int — межфазное касательное напряжение, E_epoxy — модуль упругости эпоксидной смолы, α — два коэффициента расширения, ΔT — изменение температуры, а ν — коэффициент Пуассона.

При E = 3 ГПа, α = 60 ppm/°C против 8 ppm/°C, ΔT = 60 °C и ν = 0.35, арифметические вычисления дают 14 МПа на каждое изменение. Загрунтованный интерфейс выдерживает это напряжение. Слабо связанный интерфейс микротрещины образуются, и трещина становится каналом для влаги, который формовочная масса должна была закрыть.

2.4. Просачивание, которое добавляет формованный корпус.

Тело удлиняет внешний путь проникновения пыли и влаги за пределы голой керамики:

L_creep = L_bare + 2 × w_overmold

где L_creep — общая длина пути утечки, L_bare — утечка по голой керамике, а w_overmold — ширина защитного слоя с каждой стороны. Деталь, рассчитанная на 20 кВ, с защитным слоем толщиной от 3 до 5 мм с каждой стороны добавляет от 6 до 10 мм пути утечки, что и обеспечивает запас прочности по степени загрязнения 3. Шероховатость поверхности и образование следов коррозии разрушают этот запас.

Рис. 1 — Влага, содержащая металл, открывает корпус через отверстие диаметром 50 мкм, через которое выходит вывод; герметизированный выступ, силановая грунтовка и низкоионная эпоксидная смола удерживают сопротивление ИК-излучению выше 1 ГОм, а разряд — ниже 5 пКл.

3. Проблемы проектирования

Проблемная точка 1: микроскопические отверстия на выходе из подводящего кабеля.

При литье под давлением образуются микропустоты в местах соприкосновения передней поверхности смолы с вставкой, то есть в углах и местах выхода выводов. Анализ причин коррозии в 60% исследованных деталей показал, что местом проникновения влаги является микроскопическое отверстие размером 50 мкм на выходе выводов. Пустота такого размера, несмотря на визуальный осмотр, всё равно пропускает влагу к керамическому интерфейсу.

Проблема 2: Самое слабое звено — это эпоксидно-керамический интерфейс.

Термоциклирование создает нагрузку на связь между смолой и керамикой. Разница в коэффициентах теплового расширения этих двух материалов составляет семь раз, поэтому каждый запуск и остановка машины добавляют к предыдущему межфазное сдвиговое напряжение. После 10 000 циклов связь микротрещиновывается, и образуется канал для влаги, даже в корпусе, который при формовании не имел пустот.

Проблема №3: ​​Въевшаяся пыль во время сборки.

В процессе сборки частицы металла оседают на каждой поверхности, а следующий слой покрытия их зарывает. На разделительной перегородке толстопленочный резистор Цепочка частиц корродирует на открытом воздухе; на корпусе конденсатора она корродирует под эпоксидной смолой, разбухает и растрескивает формовку изнутри. При окончательной проверке это незаметно, и дефект проявляется через несколько месяцев в виде дрейфа емкости или внезапного пробоя.

Проблема №4: Тесты на влажность, которые не определяют наличие металла.

Испытание на воздействие влажного тепла в течение 1,000 часов при температуре 85 °C и относительной влажности 85% измеряет поглощение влаги. Оно не измеряет электрохимическую миграцию, поскольку в камере отсутствуют металлические частицы на корпусе. Детали, прошедшие это испытание, вышли из строя через шесть месяцев в цехах с высокой концентрацией металлической пыли.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выбрать эпоксидную смолу с низким содержанием ионов и высокими барьерными свойствами.

Требуйте содержания хлорида и натрия ниже 10 ppm, насыщения ниже 0.5% по весу и коэффициента диффузии на порядок ниже, чем у стандартных компаундов для литья под давлением. HVC подвергает свою инкапсуляцию вакуумной дегазации и поддерживает содержание ионных примесей ниже 10 ppm, что вдвое снижает насыщение стандартного изделия, полученного методом трансферного литья. Создайте банк из N4700 диски и дать любой пленочный конденсатор тот, кто находится в том же ограждении, что и мы.

Стратегия 2: Загрунтовать керамику силановым связующим агентом.

Предварительная обработка силаном перед формованием повышает прочность эпоксидно-керамического соединения в 2-3 раза. Это откладывает начало расслоения за пределы расчетного срока службы машины, даже в тех случаях, когда на границе раздела воздействует полное напряжение в 14 МПа при перепаде температур в 60 °C.

Стратегия 3: Загерметизировать выходы свинца, используя их в качестве инженерных интерфейсов.

На каждом выходе вывода сформуйте уплотнительный выступ и проверьте его на наличие пустот. На винтовых клеммах добавьте дополнительное уплотнение из силикона или УФ-отверждаемого барьера на конце. Это перекрывает путь, по которому происходило 60% случаев коррозионных отказов.

Стратегия 4: После завершения курса лечения и интенсивной обработки организма.

Перед упаковкой необходимо полностью отвердыхать смолу и высушить ее, удалив впитавшуюся влагу. Технология HVC позволяет поддерживать содержание впитанной влаги в герметичном корпусе ниже 0.05% при транспортировке, благодаря чему деталь поступает в эксплуатацию сухой, а защитный слой не проводит первые месяцы в цехе при половинной степени насыщения влагой.

Стратегия 5: Пройти квалификационный тест с помощью ускоренного испытания на содержание металлической пыли.

Проведите 500-часовую эксплуатацию при температуре 60 °C и относительной влажности 85 % с калиброванными частицами железа и цинка на находящемся под напряжением теле, затем потребуйте сопротивления изоляции выше 1 ГОм и частоты частичных разрядов ниже 5 пКл. Добавьте в камеру такое же количество пыли, которое соответствует требованиям. быстровосстанавливающийся диод стеки и множитель.

Стратегия 6: Рассматривайте инкапсуляцию как элемент, способствующий проникновению.

Размеры формованного корпуса должны соответствовать степени утечки тока 3 при номинальном напряжении, что означает дополнительный путь прохождения тока от 6 до 10 мм на детали, работающей от 20 кВ, и должны быть подтверждены испытанием на термический удар с 5,000 циклами. После этого утечка тока становится заданным параметром, подтвержденным квалификационным испытанием.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для пыльных лазерных мастерских

На этом этапе выбор определяется тремя требованиями: сухим барьером, интерфейсом, выдерживающим циклическую нагрузку, и корпусом, пропускающим утечку тока. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 (T3M) на основе SrTiO3 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Низкоионная эпоксидная смола, дегазированная в вакууме. Содержание ионных примесей ниже 10 ppm и отсутствие пустот при формовании, что одновременно устраняет микропоры и каналы миграции.
• Адгезия, обработанная силаном. Прочность межфазного соединения в 2-3 раза выше, чем у необработанного образца, поэтому циклическая нагрузка 60 °C, которая приводит к расслоению стандартной детали, оставляет этот интерфейс целым.
• Герметичные выводы и клеммы. Каждый вывод имеет формованный выступ и проверяется на наличие пустот; винтовые клеммы и дверная ручка конденсаторы добавить дополнительное уплотнение.
• Сухая транспортировка. Содержание поглощенной влаги при упаковке менее 0.05%, экранирование частичных разрядов менее 5 пКл при номинальном напряжении и сопротивление изоляции более 10 ГОм при 500 В постоянного тока.
• Стабильный диэлектрик. Коэффициент диссипации 0.1% или ниже и коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивают стабильность инкапсулированного элемента в диапазоне температур от −40 °C до +125 °C.
• Сертифицированные компоненты, пригодные для использования в программах ремонта на местах. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. Murata высоковольтные компоненты винтового и радиального типов выводов.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а корпуса, изготовленные на заказ с заданным расстоянием утечки, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в разработке состава герметизирующего материала, проведении испытаний на устойчивость к металлической пыли и выборе материалов для герметизации выводов.

Укажите номинальное напряжение, место для монтажа, степень запыленности цеха, профиль конденсации и количество. Компания HVC предоставит вам номер детали, техническую документацию по корпусу, протокол испытаний на воздействие металлической пыли и образцы для испытаний на месте в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему конденсатор, прошедший 1,000-часовое воздействие влажного тепла, все еще подвергается коррозии?

Измерение влажности методом измерения тепла показывает поглощение влаги, при этом в камере отсутствует металл. Для возникновения коррозии необходимы частицы металла, вода и магнитное поле одновременно. Детали, прошедшие 1,000 часов при 85 °C и 85% относительной влажности, вышли из строя через шесть месяцев в цехах с высокой концентрацией металлической пыли, поскольку в ходе испытания не учитывалось загрязнение, которое запускает реакцию.

В2: Где начинается коррозия на герметичном конденсаторе?

На выходе вывода. Анализ отказов показал, что местом проникновения коррозии в 60% исследованных корродированных деталей является микроскопическое отверстие диаметром 50 мкм на выходе вывода. Необходимо сформировать там уплотнительный выступ, проверить его на наличие пустот и добавить вторичное уплотнение на винтовых клеммах.

В3: Как быстро происходит насыщение эпоксидной смолой стенки толщиной 2 мм?

При D = 10⁻⁷ см²/с, d²/D равно 111 часам, а 90%-ная точка равна 0.21 × d²/D, что составляет 23 часа. За одни выходные, отмеченные конденсацией, тело полностью насыщается влагой, поэтому барьер должен изначально быть сухим, а свинцовые выходы должны быть герметизированы.

В4: Что меняется при использовании силанового грунтования?

Это повышает прочность эпоксидно-керамического соединения в 2-3 раза. При повышении температуры на 60 °C прочность соединения достигает 14 МПа, поэтому необработанное грунтом соединение микротрещины образуются при многократных циклах, в то время как обработанное грунтом соединение сохраняет прочность дольше расчетного срока службы машины.

В5: Какое влияние оказывает формованный корпус на сопротивление скольжению?

Корпус на 20 кВ с 3-5 мм защитного слоя с каждой стороны добавляет 6-10 мм внешнего сопротивления утечки, что и обеспечивает запас прочности по степени загрязнения 3. Шероховатость и образование дорожек коррозии сводят этот запас на нет, поэтому для проверки размеров корпуса необходимо провести испытание на термический удар в течение 5,000 циклов.

В6: Какие параметры должны быть включены в спецификацию закупки?

Четыре условия: содержание ионных примесей ниже 10 ppm, насыщение примесями ниже 0.5%, поглощенная влага ниже 0.05% при транспортировке, а также 500-часовое испытание на воздействие металлической пыли при температуре 60 °C и относительной влажности 85% с частицами железа и цинка. По завершении этого испытания требуется сопротивление изоляции выше 1 ГОм и частичные разряды ниже 5 пКл.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влаги, Надежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008.
6. Д. Ли, Ю. Чжун, С. Чжоу и Г. Чжай, Метод анализа разрушения многослойного керамического конденсатора с помощью фазового поля.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, no. 2, pp. 211-220, 2024. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598.
7. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
8. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. Эй Джей Моулсон и Дж. М. Герберт, Электрокерамика: материалы, свойства, области применения., 2-е изд. Чичестер: Wiley, 2003.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com