C16型云母電容器的研制

雷黎君 楊 璐 田淑玲 扈 敬

陜西華茂電子科技有限責(zé)任公司

1 引言

云母是一種極為重要的優(yōu)良的無機(jī)絕緣材料。作為介質(zhì)材料，迄今尚未發(fā)現(xiàn)其它材料的綜合性能可以超過云母。云母的優(yōu)點(diǎn)是介電強(qiáng)度高，介電常數(shù)大，損耗小，化學(xué)穩(wěn)定性高，耐熱性好，易于剝離成厚度均勻的薄片，具有優(yōu)良的機(jī)械性能，可以裝配成疊片式的電容器。云母電容器是以天然云母為介質(zhì)的電容器，正是由于云母介質(zhì)的優(yōu)異性能，使得云母電容器具有其它電容器不能代替的優(yōu)點(diǎn)。

電容器是各類電子產(chǎn)品終端必不可少的元件，它具有隔直流和分離各種頻率的能力。云母電容器不僅廣泛用于電子、電力、通訊設(shè)備以及道路交通軌道中，而且還用于對穩(wěn)定性和可靠性要求很高的航天、航空、航海、火箭、衛(wèi)星、軍用電子裝備以及石油勘探設(shè)備中。

C16主要用于電力載波及通訊信號(hào)，該產(chǎn)品內(nèi)部芯組采用CY22型獨(dú)石結(jié)構(gòu)和銅箔卡子型老品結(jié)構(gòu)，容量大，精度高，結(jié)構(gòu)和性能可靠，外封裝材料采用黑色ABS外殼，灌低溫黑料，以提高產(chǎn)品耐壓及防潮能力。

2 產(chǎn)品簡介

2.1 C16型云母電容器簡介

C16產(chǎn)品是將CY22型和CYGF型產(chǎn)品進(jìn)行相結(jié)合而研制出的一種新型產(chǎn)品。該產(chǎn)品的內(nèi)部芯組一種是包括由多層云母介質(zhì)片平行疊放且緊密組裝為一體的長方體電容器，將銀卡分別固定于芯組的電極兩端，再將切制好的鍍銀紫銅引線焊接與所述的銀卡上，最后將焊接好引線的長方體電容器芯組灌封于一種黑色ABS塑料外殼內(nèi)。另一種是內(nèi)部芯組包括由多層云母介質(zhì)片與銅箔平行疊放且緊密組裝為一體的長方體電容器和設(shè)置在所述長方體電容器左右兩側(cè)的銅箔，將所述云母介質(zhì)片的左右兩側(cè)的銅箔反方向?qū)φ?，然后將鍍銀銅卡分別固定于對折的銅箔上，再將切制好的鍍銀紫銅引線焊接與所述的鍍銀銅卡上，最后將焊接好引線的長方體電容器芯組灌封于一種黑色ABS塑料外殼內(nèi)。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)成熟緊湊、介質(zhì)損耗小、絕緣電阻大、溫度系數(shù)小、優(yōu)異的耐熱性、高頻型和穩(wěn)定性。耐電壓高、電容量大、加工制造工藝成熟且性能穩(wěn)定、可靠性高。

2.2 產(chǎn)品主要特點(diǎn)

a)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)成熟且安裝緊湊，所用的原材料種類少，無稀有、貴重金屬，因而原材料加工及采購方便，準(zhǔn)備工作快捷，廢品極少，產(chǎn)投率很高。

b)耐電壓高(100V、250V、5000V)，且電容量范圍大，容量跨度范圍可以從30pF延展到50000pF，充分滿足其他電容器難以滿足的高電壓，大容量的要求。

c)形狀簡單且結(jié)構(gòu)牢固，能緊密緊貼在電路板上，且不怕振動(dòng)和沖擊；并且能耐高溫，因而不會(huì)受焊接熱量的任何影響，使得電子設(shè)備的可靠性明顯提高。

d)加工及制造方便，加工工藝步驟簡單，實(shí)現(xiàn)方便，工序少而操作簡便，同時(shí)工藝流程短，制造周期短，生產(chǎn)效率高，同時(shí)無繁雜工藝，無需添加復(fù)雜設(shè)備，并且對操作人員的技術(shù)水平及熟練程度要求較低，因而投資少，加工制作成本低。

e)尺寸和形狀標(biāo)準(zhǔn)化，組裝效率高、質(zhì)量好，能夠?qū)崿F(xiàn)大批量生產(chǎn)，而且綜合成本低。

f)高頻損耗小，容量穩(wěn)定。

2.3 主要性能技術(shù)指標(biāo)

a)額定電壓：100V、250V、5000V；試驗(yàn)電壓：1.2倍額定直流電壓。

b)絕緣電阻：CR ≤ 100000pF Ri≥ 1×1010Ω； CR＞100000pF Ri·CR≥ 1000MΩ·μF。

c)標(biāo)稱電容量范圍及允許偏差：

標(biāo)稱容量：30pF～50000pF

允許偏差：±1%，±5%，±10%

d)損耗角正切值：CR≤30pF，tgδ≤30×10-4；CR＞100pF，tgδ≤10×10-4.

e)外形尺寸 (mm)：15×15×3.7、15×15×5.3、22×19×8。

f )工作環(huán)境溫度：-55℃～+85℃。

3 研制過程

3.1 結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品內(nèi)部芯組采用獨(dú)石結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，外封裝采用黑色ABS塑料外殼進(jìn)行灌封，鍍銀紫銅線徑向引出容量。

3.2 設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)計(jì)思路

依據(jù)云母介質(zhì)自身的特點(diǎn)：介質(zhì)強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗小、耐熱性好的特點(diǎn)，并結(jié)合獨(dú)石型芯組容量穩(wěn)定，生產(chǎn)周期短的特點(diǎn)，因此，對芯組的設(shè)計(jì)采用獨(dú)石型芯組結(jié)構(gòu)。C16型云母電容器參照成熟的CY22型獨(dú)石結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)工藝，結(jié)合本產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)要求，在芯組設(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：一是針對電壓在100V～1500V的產(chǎn)品芯組我們采用工藝成熟的獨(dú)石結(jié)構(gòu)芯組，芯組結(jié)構(gòu)圖如圖1所示；二是針對電壓是5000V的產(chǎn)品我們采用老品結(jié)構(gòu)的芯組，芯組結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.2.2 云母芯片尺寸的設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶對產(chǎn)品的體積、耐壓及容量的特殊要求，最終確定C16型云母電容器云母芯片的設(shè)計(jì)尺寸為：容量＜7500PF時(shí)直接采用符合要求的CY22-4/5/6芯組即可；7500pF＜容量＜9000pF采用：長×寬=10×12(CY22-7)銀片，容量＞10000pF時(shí)采用：長×寬=14×16(CY22-8)銀片，厚度 (δ)為：(31～35)um，(36～40)um，(41～45)um等。

3.2.3 引出端設(shè)計(jì)，

云母固定電容器的芯組結(jié)構(gòu)決定了它的引出方式必須由內(nèi)、外電極兩部分組成。獨(dú)石結(jié)構(gòu)的引出端：首先是內(nèi)電極的引出設(shè)計(jì)：繼續(xù)延用獨(dú)石結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的內(nèi)電極設(shè)計(jì)，將云母片根據(jù)容量進(jìn)行疊片，然后在疊好的芯組兩端電極涂覆銀漿，最后再將涂覆有銀漿的銀卡卡在芯組兩電極，即完成內(nèi)電極引出。其次是外電極的引出設(shè)計(jì)：C16型云母電容器采用電性能良好、體積電阻率低的鍍銀紫銅材料作為外電極引出端，較傳統(tǒng)的鍍錫紫銅線無論從鍍層質(zhì)量、鍍層附著力、導(dǎo)電性能、體積電阻率等指標(biāo)上都有了進(jìn)一步的提高，不但可以減小接觸電阻，同時(shí)可焊性、散熱性和導(dǎo)電性能良好，可靠性指標(biāo)得到提高。

老品結(jié)構(gòu)：首先是內(nèi)電極的引出設(shè)計(jì)：由于該產(chǎn)品的芯組采用的是大尺寸的芯片進(jìn)行裝配，且產(chǎn)品還要耐高壓，在內(nèi)電極的設(shè)計(jì)上必須滿足最大容量的引出和耐高壓兩個(gè)因素，銀箔導(dǎo)電性很好但其成本太高，因此大尺寸銅箔作為內(nèi)電極引出端的設(shè)計(jì)首選；其次是外電極的引出設(shè)計(jì)：產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)我們采用的是卡子結(jié)構(gòu)，加之其內(nèi)電極是用寬銅箔來引出，因此外電極的引出采用跟寬銅箔尺寸相符的卡子來將芯組固定和引出容量，然后再將鍍銀紫銅線焊接與鍍銀銅卡上。

3.2.4 外封裝材料的設(shè)計(jì)

由于用戶對產(chǎn)品外觀尺寸及防潮性能的要求，再加之產(chǎn)品的芯組尺寸的差異化，傳統(tǒng)的粉末包封材料不能滿足用戶需求，因此該產(chǎn)品的外封裝材料選用黑色ABS塑料外殼灌封，該外殼可以很大程度的滿足芯組的容量和尺寸要求，同時(shí)也保持了產(chǎn)品的美觀性。

圖1 C16型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 主要技術(shù)攻關(guān)

4.1 芯組設(shè)計(jì)

芯組設(shè)計(jì)是該產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心之一，也是技術(shù)攻關(guān)內(nèi)容之一。芯組設(shè)計(jì)不僅要滿足多種非標(biāo)容量，還要滿足其低電壓、高電壓的特點(diǎn)。依據(jù)云母介質(zhì)自身的特點(diǎn)：介質(zhì)強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗小、耐熱性好的特點(diǎn)，并結(jié)合獨(dú)石型芯組容量大、精度高、結(jié)構(gòu)和性能可靠的特點(diǎn)，因此對芯組的設(shè)計(jì)采用獨(dú)石型芯組結(jié)構(gòu)。

C16型云母電容器電壓100V～1500V的產(chǎn)品芯組采用工藝成熟的獨(dú)石結(jié)構(gòu)芯組，電壓5000V的產(chǎn)品我們采用老品結(jié)構(gòu)的芯組，以此來來平衡大容量、高電壓產(chǎn)品的可靠性。首先采用獨(dú)石型被銀云母片，被銀云母片中間銀層的大小決定其容量的大小，外部絕緣邊則決定了其耐電壓高低，芯組采用疊片的方法來滿足容量多樣化需求，其次，采用老品結(jié)構(gòu)的來滿足高電壓的特點(diǎn)，對于最高電壓的芯組我們采用芯片串聯(lián)再疊加的方式來滿足其容量和電壓的需求。

4.2 引出設(shè)計(jì)

C16型云母電容器在引出材料上選用的是電性能良好、體積電阻率低的鍍銀紫銅作為引出端，較傳統(tǒng)的鍍錫紫銅線無論從鍍層質(zhì)量、鍍層附著力、導(dǎo)電性能、體積電阻率等指標(biāo)上都有了進(jìn)一步的提高，不但可以減小接觸電阻，同時(shí)可焊性、散熱性和導(dǎo)電性能良好，可靠性指標(biāo)明顯得到提高。

首先對于獨(dú)石結(jié)構(gòu)的引出端設(shè)計(jì)我們采用的是在燒結(jié)好的芯組電極兩端涂覆銀漿，以此來進(jìn)行內(nèi)電極的引出，選用這種方式一是可以很好的引出容量，二是芯組有很好的耐壓性，然后將對應(yīng)尺寸的銀卡卡在芯組電極兩端進(jìn)行燒結(jié)，再將鍍銀紫銅線焊接與銀卡上，最后為外電極引出容量。其次對于卡子結(jié)構(gòu)的引出端設(shè)計(jì)我們采用的是尺寸為長×寬：(30×15)mm，厚度(δ)為0.01的銅箔進(jìn)行內(nèi)電極的引出，選用這種寬銅箔一是滿足5000V高電壓的需求，根據(jù)芯片的尺寸和疊片的厚度，容量引出端采用鍍銀銅卡，將鍍銀銅卡卡與銅箔引出端，然后再將鍍銀紫銅線焊接與鍍銀銅卡上，最后為外電極引出容量。

4.3 外封裝材料設(shè)計(jì)

由于該型號(hào)產(chǎn)品的容量大、耐壓高，因此芯組裝配采用的是最大尺寸的被銀云母片，其芯組的內(nèi)結(jié)構(gòu)決定了該產(chǎn)品的外封裝材料為黑色ABS塑料外殼，該外殼體積可以很大程度的滿足芯組的容量和尺寸要求以及使用溫度。

5 結(jié)束語

C16型云母電容器經(jīng)過一年多時(shí)間的技術(shù)攻關(guān)，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，技術(shù)指標(biāo)合格，工作狀態(tài)可靠，能夠保證產(chǎn)品批量生產(chǎn).該產(chǎn)品的研制不僅滿足了用戶的使用要求，還豐富了我公司產(chǎn)品的品種，為公司的發(fā)展注入了新鮮的血液。