خازن های فیلم متالیزه به طور گسترده در الکترونیک قدرت، جبران توان راکتیو، سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر و اتوماسیون صنعتی به دلیل قابلیت خود درمانی عالی، تلفات کم و قابلیت اطمینان بالا استفاده می‌شوند. با این حال، تحت شرایط سخت عملیاتی مانند دمای بالا، رطوبت، اضافه ولتاژ و استرس مکانیکی، عملکرد آنها به تدریج بدتر می شود و در نهایت منجر به خرابی می شود.

 

مکانیسم های رایج خرابی خازن های فیلم متالایز را می توان به طور کلی به چهار دسته طبقه بندی کرد:خوردگی الکتروشیمیایی، شکست دی الکتریک، تخریب ظرفیت خازنی و شکست ساختاری. در کاربردهای عملی، این خرابی‌ها اغلب توسط اثرات جفت‌کننده چند{1} فیزیک شامل میدان الکتریکی، دما، رطوبت و تنش مکانیکی ایجاد می‌شوند.

 

I، حالت های رایج شکست و تظاهرات معمولی

خرابی خازن های فیلم متالایز معمولاً شامل ناهنجاری های پارامترهای الکتریکی و آسیب ساختاری فیزیکی می شود.

 

حالت شکست	تجلی معمولی	تاثیر بر تجهیزات
کاهش ظرفیت خازنی	کاهش تدریجی ظرفیت خازنی در حالی که در محدوده نامی باقی می ماند تا زمانی که خرابی ناگهانی رخ دهد	کاهش عملکرد جبران، خطاهای زمان بندی، ناپایداری نوسان
شکست عایق	افزایش جریان نشتی و کاهش مقاومت عایق	تلفات حرارتی بیشتر، افزایش خطر فرار حرارتی
خرابی دی الکتریک	ذوب و سوراخ شدن فیلم دی الکتریک، تشکیل مسیرهای رسانا	فرسودگی اتصال کوتاه-و خرابی کامل تجهیزات
شکست ساختاری	شکستگی های داخلی، جدا شدن مفصل لحیم کاری، ترک خوردگی پکیج	خرابی مدار باز-و قطع جریان جریان

 

II، مکانیسم های شکست هسته خازن های فیلم متالیزه

1. خوردگی الکتروشیمیایی و نفوذ رطوبت

خوردگی الکتروشیمیایی یکی از مکانیسم های اولیه پیری در فیلترهای AC و برنامه های جبران توان است.

 

هنگامی که عملکرد آب بندی یک خازن فیلم متالایز ناکافی است، رطوبت می تواند به ساختار داخلی نفوذ کند و ولتاژ شکست هوا را کاهش دهد و یونیزاسیون بین لایه های فیلم را تسریع کند. ازن تولید شده در طول این فرآیند یونیزاسیون، الکترودهای فلزی (Zn/Al) را اکسید می کند و اکسیدهای غیر رسانا مانند ZnO و Al2O3 را تشکیل می دهد. با پیشرفت اکسیداسیون، سطح الکترود موثر به تدریج کاهش می یابد و منجر به تخریب مداوم خازن می شود.

 

در محیط‌هایی که رطوبت نسبی از 85% فراتر می‌رود، مهاجرت الکتروشیمیایی نیز ممکن است در داخل لایه فلزی رخ دهد و دندریت‌های رسانا را تشکیل دهد که در نهایت می‌تواند باعث ایجاد اتصال کوتاه بین{1}}الکترودی شود.

 

در محیط‌های حاوی گوگرد یا گاز اسیدی، نرخ خوردگی ممکن است 3 تا 5 برابر افزایش یابد. خوردگی روکش قلع ترمینال به طور قابل توجهی مقاومت تماس را افزایش می دهد و منجر به گرمای بیش از حد و خرابی اتصال می شود.

 

اثرات کلیدی

• کاهش ظرفیت خازنی
• کاهش مقاومت عایق
• گرمای بیش از حد ترمینال
• خطر اتصال کوتاه-

 

2. استرس الکتریکی و تلفات مکرر خود التیام{1}

یکی از ویژگی‌های کلیدی خازن‌های فیلم متالایز، قابلیت خود ترمیمی{0} آن است. هنگامی که یک خرابی دی الکتریک موضعی رخ می دهد، لایه متالیز شده اطراف گسل به سرعت تبخیر می شود و ناحیه آسیب دیده را جدا می کند و به خازن اجازه می دهد تا به طور عادی به کار خود ادامه دهد.

با این حال، مکرر رویدادهای خود{0}}به‌تدریج ناحیه الکترود متالیزه شده مؤثر را مصرف می‌کند، که منجر به کاهش ظرفیت تجمعی و کاهش توانایی مقاومت در برابر ولتاژ می‌شود.

 

مطالعات تجربی نشان می دهد که:

• ترشحات خود ترمیمی مکرر به طور قابل توجهی کاهش ظرفیت خازنی را تسریع می کند
• ولتاژ مقاومت دی الکتریک همراه با کاهش ظرفیت کاهش می یابد
• ظرفیت باقیمانده کمتر منجر به عملکرد ضعیف عایق می شود

 

3. اثرات اضافه ولتاژ

اضافه ولتاژ یک محرک مستقیم برای خرابی فاجعه بار دی الکتریک است.

 

از آنجایی که تلفات توان خازن تقریباً با مجذور ولتاژ کار افزایش می‌یابد،-عملکرد اضافه ولتاژ طولانی‌مدت پیری دی الکتریک و گرمایش داخلی را تسریع می‌کند. در همین حال، ولتاژهای موج گذرا ناشی از عملیات سوئیچینگ یا اختلالات شبکه ممکن است به چندین برابر ولتاژ نامی برسد و مستقیماً لایه دی الکتریک را سوراخ کند.

 

طبق تحقیقات IEEE:

هنگامی که شدت میدان الکتریکی به 106 V/cm می رسد، احتمال تخلیه داخلی به طور تصاعدی با دما افزایش می یابد.

به ازای هر 10 درجه افزایش دما، احتمال تخلیه جزئی تقریباً دو برابر می شود

 

اثرات کلیدی

• مصرف سریع{0}خوددرمانی
• افزایش دمای داخلی
• سوراخ دی الکتریک
• فرار حرارتی
• شکست ناگهانی فاجعه بار

 

مکانیسم های پیری تسریع شده جفت چندفیزیکی 4

تحت شرایط عملیاتی شدید،خازن فیلم متالیزهخرابی ها معمولاً در اثر فعل و انفعالات جفت شده بین میدان الکتریکی، دما، رطوبت و تنش مکانیکی ایجاد می شوند.

 

4.1. کوپلینگ میدان الکتریکی - دما

دمای بالا استحکام دی الکتریک و ثابت دی الکتریک فیلم پلی پروپیلن (PP) را کاهش می دهد و در نتیجه میدان الکتریکی موضعی را افزایش می دهد. افزایش میدان الکتریکی اتلاف توان داخلی و دما را بیشتر می‌کند و یک حلقه بازخورد مثبت ایجاد می‌کند.

این پدیده "نقاط داغ" محلی را ایجاد می کند، جایی که دما ممکن است تا چند صد درجه سانتیگراد افزایش یابد و در نهایت فیلم دی الکتریک را ذوب کرده و باعث شکست فاجعه آمیز شود.

 

عواقب

• غلظت حرارتی موضعی
• تشدید نسبی ترشحات
• ذوب شدن فیلم
• شکست شکست حرارتی

 

4.2. کوپلینگ تنش دما-مکانیکی

ضرایب انبساط حرارتی متالیزاسیون آلومینیوم و فیلم دی الکتریک پلی پروپیلن به طور قابل توجهی متفاوت است. در طول چرخه دما، تنش برشی سطحی قابل توجهی ایجاد می شود.

 

سطح تنش ممکن است تحت شرایط چرخه حرارتی مکرر به 50 مگاپاسکال برسد. هنگامی که از حد خستگی مواد فراتر رفت، ریزترک‌ها در لایه متالیز شده ایجاد می‌شوند.

 

در همان زمان، دمای بالا تسریع می کند:

• انتشار فلز
• واکنش های اکسیداسیون
• رشد لایه اکسید آلومینیوم
• سرعت رشد اکسیداسیون به ازای هر 10 درجه افزایش دما تقریباً سه برابر می شود.

 

عواقب

• ترک خوردگی متالیزاسیون
• افزایش ESR
• کاهش هدایت الکتریکی
• تسریع در پیری

 

4.3. کوپلینگ استرس مکانیکی

تنش مکانیکی در هنگام مونتاژ PCB، حمل و نقل، لرزش و نصب نیز می تواند به طور قابل توجهی بر قابلیت اطمینان خازن تأثیر بگذارد.

تنش خمشی PCB بیش از 2000 میکروکرنش، همراه با ارتعاش طولانی مدت یا بارگذاری ضربه ای ممکن است باعث:

• شکستن فیلم داخلی
• خستگی مفصل لحیم کاری
• جدا شدن ترمینال
• تغییر شکل بسته بندی

 

این ریزترک‌های مکانیکی همچنین به مسیرهایی برای ورود رطوبت و انتشار خوردگی تبدیل می‌شوند و پیری الکتروشیمیایی را تسریع می‌کنند.

 

عواقب

• خرابی مدار باز-
• تماس الکتریکی متناوب
• نفوذ رطوبت
• کاهش طول عمر عملیاتی

 

5. عیوب تولید و فرآیند

عیوب ساخت یکی دیگر از منابع مهم خرابی اولیه در خازن های فیلم متالیزه است.

 

عیوب متداول مربوط به فرآیند{0}} عبارتند از:

• ناخالصی در مواد خام
• ضخامت لایه فلزی ناهموار
• نقص سوراخ سوراخ در فیلم دی الکتریک
• خشک کردن و رطوبت زدایی ناقص با خلاء
• کیفیت کپسولاسیون ضعیف

 

این عیوب باعث ایجاد نقاط تمرکز میدان الکتریکی موضعی می‌شوند که احتمال تخلیه جزئی و شکست دی الکتریک را در حین کار بیشتر می‌کند.

رطوبت داخلی باقیمانده وارد شده در طول بسته بندی باعث تسریع بیشتر خوردگی و تخریب عایق از مرحله اولیه عمر مفید می شود.

 

عواقب

شکست اولیه-زندگی

خرابی دی الکتریک موضعی

کاهش قابلیت اطمینان

عمر سرویس کوتاه شده است

 

III، نتیجه گیری

قابلیت اطمینان ازخازن های فیلم متالیزهبه شدت تحت تأثیر استرس الکتریکی، شرایط محیطی، مدیریت حرارتی، بارگذاری مکانیکی و کیفیت ساخت قرار می گیرد. در میان همه مکانیسم‌های خرابی، خوردگی الکتروشیمیایی، مصرف مکرر خود ترمیمی، شکست دی‌الکتریک، و اثرات جفت چندفیزیکی، عوامل غالبی هستند که بر عملکرد طولانی‌مدت و عمر مفید تأثیر می‌گذارند.

 

برای بهبود قابلیت اطمینان خازن و طول عمر عملیاتی، اقدامات زیر ضروری است:

• آب بندی و محافظت در برابر رطوبت افزایش یافته است
• مدیریت حرارتی و تهویه مناسب
• اضافه ولتاژ و سرکوب هارمونیک
• کاهش تنش مکانیکی در هنگام نصب
• فرآیندهای تولید-فیلم دی‌الکتریک و کپسوله‌سازی با کیفیت بالا

 

با طراحی بهینه، انتخاب مواد و حفاظت از محیط زیست، خازن های فیلم متالایز می توانند به طور قابل توجهی پایداری، ایمنی و دوام عملیاتی را در سیستم های الکترونیکی قدرت مدرن به دست آورند.