耐高溫薄膜電容器—熱沖擊解決方案

　　目前，大量汽車開始預先在為人熟知的引擎(簡稱“UTH”應用系統)和引擎(簡稱EM)組件中，加入越來越多電子技術含量。這即為最大應力—振動、熱度以及大量熱浪的生成之源。因而，針對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等針對汽車應用系統的專用標準中，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行，所必須要滿足的諸多條件以及應對機械應力的必要阻力。

　　目前推廣的條件之一為：在外界溫度恒為125℃時，機動車輛內部元件要能保持機能效率。然而，上述條件已演變成：上述應用系統必須經受住或者暫時經受住直至175℃高溫。而一些特定組件，比如前燈的HID燈，以及其它應用系統，則必須能夠承受恒為150℃的外界溫度(參見表1)。

　　應對沖擊

　　電子元件除應對急劇變化的溫度之外，還必須經受住強大的熱沖擊。為模擬上述條件下的產品性能，通常會采取熱沖擊試驗，將產品在- 40℃到+150℃之間進行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鍵。

　　因為許多汽車應用系統中的溫度最大值介于125℃和175℃之間，所以上述測試在實踐中就非常重要。大多數該類應用系統的運行溫度可高達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，早在原始設計階段，還必須考慮其他方面，比如材料可用性及其價格。有關常見材料，請參見表2。

　　基于惡劣的運轉條件以及對尺寸和成本最小化的需求，EPCOS(愛普科斯) 運用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備的薄膜電容器。

　　結合高溫運行條件與PET或者PEN相比較，PPS在應用系統方面的損耗因數較低，因此通常是最合適的解決方案。然而，經實踐證明，PP也可以在中度恒溫條件下使用，此即為其能產生成本效益的事實。

　　愛普科斯當前正在研制可直接裝配在通用混合汽車的動力傳動裝置上的電容器。因為實際運行溫度在110℃以下，并且PP電容器在高頻區也能表現出良好性能，所以愛普科斯采用了PP介電材料。

　　除運轉條件以外，系統供應商的加工是另外一個重要因素。因此，還必須在峰值高達260℃的回流焊溫度下，對SMT電容器進行測試。

　　專用樹脂，實現更長使用壽命

　　愛普科斯已開發出照明系統專用的多種散裝電容器，以及機動車輛專用的交流/直流轉換器。此外，還開發出引擎附近、要求耐振強度更高的專用組裝電容器。上述電容器系列均采用環氧樹脂密封包裝和保護電容器元件。

　　環氧和聚氨酯樹脂可通過固化劑引起噴鍍金屬發生電化腐蝕。電化腐蝕現象會導致電容器的電容量下降，而下降進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，還必須考慮環氧樹脂隨時間和溫度變化而發生的老化現象。老化現象在外界溫度接近玻化溫度時，會導致柔軟性和樹脂熱膨脹系數產生劇烈變化。屆時，樹脂可能會出現裂隙和裂縫，甚至在特定情況下，會導致接觸面脫離。為此，愛普科斯已開發出一種專用環氧樹脂，可顯著減少在使用壽命和電容器電源功能性方面產生的上述負面效應。

　　在選擇包裝材料的過程中，經UL94 - V0核準的硬度、易碎性、熱脹和阻燃性發揮了關鍵作用。包裝和密封樹脂之間還需要良好的吸附性，以便實現保護電容器的目的。雖然PPS也可用作包裝材料，不過薄膜電容器制造商一般采用PBT和PP。PP的彈性非常好，不過其運行溫度低于120℃、玻化溫度較低、并且難于吸附樹脂，因此，PP并不適用于大多數汽車應用系統。

　　為此，愛普科斯已經將研發重點放在PBT和PPS方面的塑料封裝上。經證實，在大多產品中，PBT是可靠材料。有關此典型包裝塑料的機械性能，參見表3概述。

　　PPS包裝之所以作為優先解決方案，是因為就回流焊接和在極低和極高溫度以及低高溫之間急劇變化所產生的強大熱沖擊而言，PPS材料具有良好性能。

　　PEN和PET確保良好性能

　　在對各種電介質、樹脂和塑料封裝進行系列測試之后得出的結果，為汽車應用系統專用電容器系列的開發奠定了基礎。B3252 * A系列采用PET作為電容器的基本介電材料，其最高運行溫度為135℃。而B3282 * A系列則采用PEN作為介電材料，最高運行溫度為150℃。

　　塑料罩材料的選擇有兩種方案：針對普通邊界條件內熱沖擊和濕度的PB(-40 ℃至+135℃或者40℃/93%的相對濕度)，以及應用于較惡劣環境的PPS(-50℃至+150℃或者85℃/85%的相對濕度)。有關該系列的主要數據，請參見表4。

　　用于測試產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轉期間的性能。而上述試驗范圍內的類別電壓，也以相關IEC標準為基礎被加以限定。

　　在高溫150℃和170℃的整體校測時間內，PEN電容器的電容量維持得相當穩定。經測試，電容器并未在損失因數和絕緣強度方面產生任何相關變化。有關PET電容器在高溫125℃下的測試，請參見圖3所示合成曲線。