c820A研制總結(jié)報(bào)告

1、電子元器件新品科研項(xiàng)目C820A型固體高壓脈沖電容器研制總結(jié)報(bào)告擬 制： 校 對(duì)： 審 核： 標(biāo) 檢： 批 準(zhǔn)： 成都宏明電子股份有限公司（國(guó)營(yíng)第七一五廠）2011年7月15日C820A型固體高壓脈沖電容器研制總結(jié)報(bào)告1 概述1.1 任務(wù)來(lái)源C820A型固體高壓脈沖電容器是我廠為替代C820型固體高壓脈沖電容器而研制開(kāi)發(fā)的新品，項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)完全覆蓋原C820型固體高壓脈沖電容器。研制周期為2010年6月30日至2011年11月30日。1.2 主要技術(shù)指標(biāo)及產(chǎn)品外形尺寸1.2.1標(biāo)稱電容量：0.33F。1.2.2 電容量允許偏差：+20 -5%。1.2.3 額定工作電壓：8kV。1.2.4 介

2、質(zhì)耐電壓：12kV。1.2.5 損耗角正切值（25）：0.5%。1.2.6 絕緣電阻（25）：10000 M。1.2.7 漏電流：5A。1.2.8 外形尺寸（見(jiàn)圖1，表1）LBTHA圖1 外形圖表1 外形尺寸型號(hào)尺寸（mm）LTH引線長(zhǎng)度A引線寬度BC820A86.23645.5205±0.2C821A392642403±0.21.3 使用環(huán)境要求與其他特殊要求1.3.1工作溫度范圍-5570。1.3.2放電峰值電流8000A。1.3.3 充放電壽命 2500次。1.4 研制進(jìn)度執(zhí)行情況2011年6月提供10只樣品給九院五所，2011年7月用戶反饋樣品滿足整機(jī)要求。2011

3、年6月詳細(xì)規(guī)范通過(guò)九院五所確認(rèn)，并提交產(chǎn)品鑒定，2011年7月鑒定試驗(yàn)合格，并取得鑒定試驗(yàn)報(bào)告。2 設(shè)計(jì)與方案確定2.1 設(shè)計(jì)2.1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)完全覆蓋原C820型固體高壓脈沖電容器的技術(shù)指標(biāo)。2.1.2 設(shè)計(jì)原理2.1.2.1電容器電極有效長(zhǎng)度LCS/d=Lb/d LCd/bL電極有效長(zhǎng)度C電容量d介質(zhì)厚度介質(zhì)介電常數(shù)b電極有效寬度電容器電極有效長(zhǎng)度L與電容量C和介質(zhì)厚度d的乘積成正比，與介質(zhì)介電常數(shù)和電極有效寬度b成反比。在通用的有機(jī)薄膜材料中聚丙烯的介質(zhì)介電常數(shù)（2.2）相對(duì)較小，有利于電容器達(dá)到較大的電極有效長(zhǎng)度L。在產(chǎn)品長(zhǎng)度（材料寬度）一定，介質(zhì)抗電強(qiáng)度一致的條件下，內(nèi)串結(jié)構(gòu)的電容

4、量C和介質(zhì)厚度d的乘積不變，電極有效寬度b減小1倍（兩串），電極有效長(zhǎng)度L增加1倍。2.1.2.2 電容器承受放電峰值電流Ip的能力IpLd´S´L電極有效長(zhǎng)度d´電極厚度S´電極與過(guò)渡連接層（端頭噴金層或涂覆層）接觸面積有機(jī)薄膜電容器的電極有箔式（鋁箔）電極、雙面金屬化電極、金屬化（單面）電極三種形式。假設(shè)金屬化（單面）電極的S´為1，三種形式電極的比較見(jiàn)表2：表2 三種形式電極的比較電極形式d´S´d´S´箔式（鋁箔）電極5m210雙面金屬化電極0.1m20.2金屬化（單面）電極0.05m10.05根

5、據(jù)表1的比較數(shù)據(jù)，相同電極有效長(zhǎng)度L的電容器，金屬化（單面）電極結(jié)構(gòu)的電容器承受放電峰值電流Ip的能力最差，為雙面金屬化電極的1/4，箔式（鋁箔）電極的1/200。但是，雙面金屬化電極和箔式（鋁箔）電極對(duì)電容器小型化非常不利，不能滿足本項(xiàng)目的體積要求。2.1.2.3 提高金屬化（單面）電極結(jié)構(gòu)的電容器承受放電峰值電流Ip的能力的途徑2.1.2.3.1 波浪分切W1W2 波浪分切見(jiàn)圖2：L圖2 波浪分切示意圖 常規(guī)的直線分切電極與過(guò)渡連接層（端頭噴金層或涂覆層）接觸面積S´：S´=LW1 波浪分切電極與過(guò)渡連接層（端頭噴金層或涂覆層）接觸面積S´：S´=L

6、W1+ LW2 波浪分切電極與過(guò)渡連接層（端頭噴金層或涂覆層）接觸面積S´與常規(guī)的直線分切電極與過(guò)渡連接層（端頭噴金層或涂覆層）接觸面積S´相比增加了LW2。2.1.2.3.2 邊緣加厚邊緣加厚見(jiàn)圖3：d´2d´1圖3 邊緣加厚示意圖常規(guī)金屬化（單面）電極的d´= d´1。邊緣加厚金屬化（單面）電極的d´= d´1+ d´2。邊緣加厚金屬化（單面）電極的d´與常規(guī)金屬化（單面）電極的d´相比增加了 d´2。2.1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.3.1 電容器芯子內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電容器采用兩只

7、芯子外串，每只電容器芯子為4內(nèi)串結(jié)構(gòu)，采用（67）m×（3539.5）×（2.53）的波浪分切鋅鋁加厚邊金屬化聚丙烯薄膜和（67）m×（3337.5）×2的鋅鋁金屬化聚丙烯薄膜無(wú)感卷繞（見(jiàn)圖4），電極有效長(zhǎng)度L63.5m。 圖4 芯子內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2.1.3.2 電容器芯子外形尺寸（見(jiàn)圖5）40.5 40 32.5圖5 芯子外形尺寸圖2.1.3.3 芯組連接（見(jiàn)圖6）圖6 芯組連接圖2.1.3.4 引出端（0.20.3）mm鍍錫銅帶，軸向引出。2.1.3.5 外部結(jié)構(gòu)塑料外殼樹(shù)脂灌封。2.1.4 可靠性設(shè)計(jì)2.1.4.1 材料選用采用通用有機(jī)薄膜材料聚丙

8、烯作介質(zhì)，采用德國(guó)創(chuàng)斯普公司和日本東麗公司等國(guó)際最高水平的聚丙烯薄膜作基膜，金屬化由國(guó)際最高水平的德國(guó)史泰拿公司加工，保證材料的品質(zhì)和一致性。2.1.4.2 介質(zhì)材料工作場(chǎng)強(qiáng)選取金屬化聚丙烯薄膜的場(chǎng)強(qiáng)400V/m，本電容器的金屬化聚丙烯薄膜的工作場(chǎng)強(qiáng)為167V/m，工作場(chǎng)強(qiáng)降額超過(guò)50%，符合工作場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)原則。2.1.4.3 工藝設(shè)計(jì)本電容器生產(chǎn)工藝采用我廠成熟的有機(jī)薄膜電容器工藝，引出端焊接采用點(diǎn)焊工藝，保證引出端焊接過(guò)程中電容器芯子端頭不被燙傷。2.1.4.4 引出端（片）設(shè)計(jì)引出端（片）設(shè)計(jì)為叉口形式（見(jiàn)圖7），兩個(gè)焊接連接，保證焊接連接的可靠性。圖7 引出端（片）2.2 方案驗(yàn)證本方案

9、工作場(chǎng)強(qiáng)167V/m，線電流密度126A/m（8000A/63.5m），與之前研制完成的C447型高壓小型儲(chǔ)能電容器的工作場(chǎng)強(qiáng)187V/m，線電流密度150A/m比較，其工作場(chǎng)強(qiáng)和線電流密度均低于之前的成功設(shè)計(jì)；本方案能滿足項(xiàng)目研制目標(biāo)。2.3方案的先進(jìn)性、正確性、實(shí)施的可行性本方案采用金屬化聚丙烯薄膜內(nèi)串結(jié)構(gòu)，增加了電極有效長(zhǎng)度，波浪分切電極和邊緣加厚金屬化（單面）電極的設(shè)計(jì)均為提高電容器承受放電峰值電流Ip的能力的有效方法；實(shí)現(xiàn)了電容器的小型化和承受大放電峰值電流Ip能力，具有正確性和先進(jìn)性。本方案采用通用有機(jī)薄膜材料聚丙烯作介質(zhì)，采用我廠成熟的有機(jī)薄膜電容器工藝，具備實(shí)施的可行性。3 研

10、制過(guò)程3.1 研制過(guò)程中的問(wèn)題3.1.1 耐壓?jiǎn)栴} 在研制初期采用4個(gè)芯子結(jié)構(gòu)，兩并再串聯(lián)，12kV耐壓不合格率50%。3.1.2 充放電壽命問(wèn)題 在研制初期采用通用的有機(jī)電容器生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的樣品，充放電5001000次之間，放電電流明顯下降。3.2 出現(xiàn)問(wèn)題的原因3.2.1 耐壓?jiǎn)栴}的原因環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)力環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)力 圖8 環(huán)氧樹(shù)脂盈利影響示意圖 由于本產(chǎn)品的外殼長(zhǎng)邊剛性差，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基本無(wú)拉力，環(huán)氧樹(shù)脂的收縮應(yīng)力主要集中在垂直于外殼長(zhǎng)邊方向，而電容器芯子的壓扁面與外殼長(zhǎng)邊垂直，電容器芯子主要承受環(huán)氧樹(shù)脂的收縮應(yīng)力如圖8所示。這種平行于電容器芯子的壓扁面應(yīng)力導(dǎo)致電容器芯子變松，使高壓電容器耐壓不

11、合格。3.2.2 充放電壽命問(wèn)題的原因未噴到的部分噴到的部分圖9 端面噴金示意圖 由于包裹的保護(hù)遮掩帶倒邊，使電容器芯子端面存在未噴到的部分（如圖9所示）。一個(gè)電容器芯子可以細(xì)分為無(wú)數(shù)個(gè)電容單元，每個(gè)電容單元的放電電流都是沿著電阻最小的路徑流過(guò)；未噴到的部分的n個(gè)電容單元的放電電流從相鄰的噴到的部分流過(guò)，導(dǎo)致與其相鄰的噴到的部分電流密度過(guò)大，燒毀與其相鄰的電極層與噴金連接的邊緣，形成新的未與噴金層直接連接的n個(gè)電容單元，由于未與噴金層直接連接的電容單元增加，與之相鄰的與噴金層直接連接部分電流密度更加過(guò)大，如此惡性循環(huán)，使電極邊緣加速燒毀，導(dǎo)致電容器電容量急劇下降、損耗劇增、放電電流明顯下降。3

12、.3 解決措施3.3.1 耐壓?jiǎn)栴}的解決措施 改變電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)芯子串聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖6所示連接，使電容器芯子壓扁面垂直方向承受環(huán)氧樹(shù)脂的收縮應(yīng)力，受環(huán)氧樹(shù)脂的收縮應(yīng)力不僅不會(huì)使芯子變松，反而芯子變緊。3.3.1 充放電壽命問(wèn)題的解決措施采用專用的夾具，解決了遮掩帶倒邊導(dǎo)致的電容器芯子端面存在未噴到的部分，同時(shí)避免了電容器芯子在熱處理后至噴金過(guò)程中的人員與芯子接觸，杜絕了電容器芯子污染導(dǎo)致的噴金連接弱點(diǎn)。3.3 解決措施效果驗(yàn)證按所采取的措施投入產(chǎn)品生產(chǎn)，灌注后的成品199只，耐壓不合格品6只，耐壓不合格率3.01%，與之前的50%耐壓不合格率相比，所采取的措施效果明顯。抽取4只電容器進(jìn)行

13、充放電壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：8kV，8.4kA，2500次，6s/次；試驗(yàn)結(jié)果合格，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。表3 充放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)序號(hào)試驗(yàn)前試驗(yàn)后 C/C%結(jié)果CFtgCFtgRM10.339760.00060.339440.00062×105-0.1合格20.337620.00060.336570.00062×105-0.31合格30.338180.00060.337340.00072×105-0.25合格40.332760.00060.332320.00052×105-0.13合格3.4 工藝流程圖（見(jiàn)圖10）卷繞檢壓扁、熱處理噴金清理噴金毛刺檢電壓老煉測(cè)量配組

14、焊接檢噴 涂灌注檢成品測(cè)量打標(biāo)志檢包裝檢入庫(kù)關(guān)鍵工序 特殊工序圖10 工藝流程圖3.4.1 關(guān)鍵工藝點(diǎn)和質(zhì)控點(diǎn)設(shè)置情況 根據(jù)本產(chǎn)品的特點(diǎn)和我廠生產(chǎn)工藝情況，確定了三個(gè)關(guān)鍵工藝點(diǎn)，分別為卷繞、噴金和焊接；設(shè)置了三個(gè)質(zhì)控點(diǎn)，分別設(shè)置在卷繞、噴金和灌注工序。3.5 提交鑒定試驗(yàn) 2011年6月，以隨機(jī)抽樣從定型批樣品中抽取樣本8只樣品提交鑒定檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)。3.6 固化文件圖紙及歸檔情況2011年7月，根據(jù)實(shí)施方案及樣品試制情況固化了工序流轉(zhuǎn)卡、工藝文件、設(shè)計(jì)圖紙，并于2011年7月上述文件歸檔。4 技術(shù)難點(diǎn)、解決措施和關(guān)鍵工藝技術(shù)4.1技術(shù)難點(diǎn)本項(xiàng)目主要技術(shù)難點(diǎn)是電壓高，放電電流大；高壓電容器的灌注環(huán)氧

15、樹(shù)脂應(yīng)力對(duì)耐壓的影響大，在體積確定的前提下，電容器電極有效長(zhǎng)度L有限，導(dǎo)致電容器線電流密度增加，限制了電容器承受放電峰值電流Ip的能力。4.2解決措施4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用兩個(gè)芯子串聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖6所示連接，使電容器芯子壓扁面垂直方向承受環(huán)氧樹(shù)脂的收縮應(yīng)力，受環(huán)氧樹(shù)脂的收縮應(yīng)力不僅不會(huì)使芯子變松，反而芯子變緊，減小了環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)力對(duì)耐壓的影響。采用內(nèi)串結(jié)構(gòu)增加電極有效長(zhǎng)度L，采用波浪分切和邊緣加厚金屬化電極結(jié)構(gòu)提高電極與端頭噴金層接觸面積S´和電極厚度d´。4.2.2 工藝措施采用火焰噴金工藝技術(shù)抑制噴射金屬顆粒氧化，減小端頭噴金層與內(nèi)電極的接觸電阻，提高電容器承受放電峰值電

16、流Ip的能力。采用點(diǎn)焊焊接工藝技術(shù)保證引出端焊接過(guò)程中電容器芯子端頭不被燙傷，確保電容器承受放電峰值電流Ip的能力不被降低。4.3關(guān)鍵工藝技術(shù)4.3.1 火焰噴金工藝技術(shù) 絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家采用的電噴噴金工藝技術(shù)難以解決噴射金屬顆粒氧化的問(wèn)題，在通用的交直流電容器方面不至于影響電容器的使用，但承受不了大電流脈沖電容器放電峰值電流Ip的沖擊；火焰噴金工藝技術(shù)中的燃燒氣氛抑制噴射金屬顆粒氧化減小端頭噴金層與內(nèi)電極的接觸電阻，提高電容器承受放電峰值電流Ip的能力。4.3.2 點(diǎn)焊焊接工藝技術(shù) 電容器引出片所采用的傳統(tǒng)電烙鐵焊接工藝技術(shù)在焊接時(shí)間、溫度方面很難控制，本電容器所采用的聚丙烯薄膜容易被焊接引

17、出片時(shí)的高溫所傷，破壞電極與端頭噴金層的連接，降低電容器承受放電峰值電流Ip的能力；點(diǎn)焊焊接工藝技術(shù)通過(guò)瞬間局部發(fā)熱避免了引出端焊接過(guò)程中電容器芯子端頭被燙傷的問(wèn)題，確保電容器承受放電峰值電流Ip的能力不被降低。5新品的特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)5.1新品的特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn) 本電容器具有體積小，漏電流小、dV/dt高的特點(diǎn)。本電容器采用波浪分切鋅鋁加厚邊金屬化電極作大電流脈沖使用，走在金屬化電極作大電流脈沖電容器的前沿，為金屬化電極作大電流脈沖電容器使用拓展了空間。5.2新品主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果與C820型固體高壓電容器指標(biāo)對(duì)比情況本電容器主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果與C820型固體高壓電容器指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表4：表4 主要

18、技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果與C820型固體高壓電容器指標(biāo)對(duì)比序號(hào)技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目本產(chǎn)品指標(biāo)C820指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果1標(biāo)稱電容量0.33F0.33F/2電容量允許偏差+20 -5%+20 -5%+2%3額定電壓8kV8kV/4損耗角正切0.0050.0050.00055介質(zhì)耐電壓12kV12kV/6絕緣電阻10000M10000M200000M7漏電流5A5A0.1A8放電電流8kA8kA±5%/9充放電壽命2500次2500次/10工作溫度-5570-5570/11外型尺寸：長(zhǎng)×寬×高86.2×36×45.586.2×36×45.5/12隨機(jī)

19、振動(dòng)0.2g2/Hz0.02 g2/Hz13溫度沖擊5次循環(huán)3次循環(huán)14沖擊120g75g15充放電壽命試驗(yàn)連續(xù)每500次休息0.5h1h本電容器主要技術(shù)指標(biāo)高于C820型固體高壓電容器指標(biāo)，可以完全覆蓋C820型固體高壓電容器。6 質(zhì)量和可靠性6.1 設(shè)計(jì)情況采用通用有機(jī)薄膜材料聚丙烯作介質(zhì)，采用德國(guó)創(chuàng)斯普公司和日本東麗公司等國(guó)際最高水平的聚丙烯薄膜作基膜，金屬化由國(guó)際最高水平的德國(guó)史泰拿公司和國(guó)內(nèi)的合格供應(yīng)商加工，保證材料的品質(zhì)和一致性。金屬化聚丙烯薄膜的場(chǎng)強(qiáng)400V/m，本電容器的金屬化聚丙烯薄膜的工作場(chǎng)強(qiáng)為167V/m，工作場(chǎng)強(qiáng)降額超過(guò)50%，符合工作場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)原則。本電容器生產(chǎn)工藝采用我廠成熟的有機(jī)薄膜電容器工藝，引出端焊接采用點(diǎn)焊工藝，保證引出端焊接過(guò)程中電容器芯子端頭不被燙傷。引出端（片）設(shè)計(jì)為叉口形式，兩個(gè)焊接連