Encapsulamento em epóxi resistente à corrosão para capacitores de alta tensão cortados a laser

Encapsulamento em epóxi resistente à corrosão para capacitores de alta tensão cortados a laser

Sumário

Fragmentos de metal e condensação chegam a um capacitor de uma oficina de laser como umidade carregada de metal, atacando a encapsulação antes do dielétrico. Este artigo apresenta os cálculos de difusão e corrosão que determinam a vida útil, os quatro caminhos de falha encontrados em unidades devolvidas e as opções de formulação, adesão, vedação e teste que mantêm a fuga e a descarga parcial dentro das especificações.

1. Introdução

O encapsulamento em epóxi sela a cerâmica, impede a entrada de umidade e aumenta o caminho de fuga. Essa embalagem é a proteção padrão para um capacitor de alta tensão e foi qualificada para uso em salas limpas. As oficinas de corte e soldagem a laser adicionam três fatores que a moldagem padrão nunca enfrentou: estações de retificação e rebarbação liberam cavacos de metal, cabeçotes de corte liberam pó metálico fino e a condensação umedece ambos.

Em uma oficina desse tipo, todas as superfícies acumulam uma película condutora. A umidade carregada de metal em uma estrutura de epóxi impulsiona reações eletroquímicas na superfície, ao longo da interface cerâmica e nas saídas dos terminais, onde a terminação fica mais próxima do exterior.

Os dados de campo quantificam a ameaça. Em fábricas com alta concentração de poeira metálica, 15% dos capacitores com invólucros de epóxi padrão apresentaram corrosão nos terminais em 12 meses, contra 1% em ambientes limpos. Uma única falha custa de 2,000 a 6,000 dólares em troca de unidades de alta tensão e paralisa um turno de produção.

Este artigo aborda as equações de entrada, os quatro caminhos de falha e a especificação de encapsulamento que transforma um revestimento em uma barreira.

2. Mecanismo Central

2.1 Difusão de vapor de água através do corpo

A água entra na resina epóxi por difusão Fickiana, e a absorção segue uma solução em série. Seu primeiro termo fornece o modelo prático:

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

onde M(t) é a umidade absorvida no tempo t, M_sat a absorção de saturação, D o coeficiente de difusão, d a espessura da parede e t o tempo de exposição.

Definir M(t) para 90% da saturação fornece uma verificação de projeto com um único número:

t_90 = 0.21 × d² / D

onde t_90 é o tempo necessário para atingir 90% da absorção saturada. Para uma parede de 2 mm e D = 10⁻⁷ cm²/s, d²/D é 111 horas, portanto t_90 é 23 horas. Um fim de semana de condensação satura o material. A resina epóxi saturada perde então de 2 a 3 ordens de magnitude de resistência de isolamento, e a migração iônica começa.

2.2 Migração iônica e perda de metal na terminação

A água dissolvida transporta íons, o campo aplicado os impulsiona, e as partículas de ferro ou zinco na superfície tornam-se eletrodos. O metal removido no sítio anódico segue a lei de Faraday:

m = (M × Q) / (z × F)

onde m representa a massa do metal dissolvido, M a massa molar, Q a carga transferida, z a valência e F a constante de Faraday em 96,485 C/mol.

Uma corrente de fuga de 1 µA passa por 0.0864 C por dia. Para ferro com M = 55.85 g/mol e z = 2, isso remove 25 µg de metal por dia, ou 9.1 mg por ano, de um sítio anódico. O hidróxido formado incha no local onde se origina, e a resina epóxi se desprende da cerâmica.

2.3 Tensão interfacial devido a ciclos térmicos

Os ciclos de partida e parada da máquina e o aquecimento da zona de solda expandem a resina muito mais do que a cerâmica. A resina epóxi se move a cerca de 60 ppm/°C e a cerâmica a cerca de 8 ppm/°C, portanto a interface suporta cisalhamento em cada deslocamento:

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

onde σ_int é a tensão de cisalhamento interfacial, E_epoxy o módulo da resina epóxi, α os dois coeficientes de expansão, ΔT a variação de temperatura e ν a razão de Poisson.

Com E = 3 GPa, α de 60 ppm/°C contra 8 ppm/°C, ΔT = 60 °C e ν = 0.35, o cálculo resulta em 14 MPa por excursão. Uma interface preparada resiste a essa tensão. Uma interface fracamente aderida sofre microfissuras, e a fissura se torna o canal de umidade que a moldagem deveria fechar.

2.4 Deslizamento que o corpo moldado adiciona

O corpo prolonga o caminho de propagação externo além da cerâmica exposta:

L_creep = L_bare + 2 × w_overmold

onde L_creep é o percurso total de fuga, L_bare o percurso de fuga através da cerâmica exposta e w_overmold a largura da sobremoldagem em cada lado. Uma peça de 20 kV com 3 a 5 mm de sobremoldagem por lado adiciona 6 a 10 mm de percurso, o que proporciona a margem de grau de poluição 3. A rugosidade da superfície e as trilhas de corrosão destroem essa margem.

Figura 1 — A umidade carregada de metal abre o corpo em um orifício de saída de chumbo de 50 µm; um ombro selado, o primer de silano e a resina epóxi de baixa iônica mantêm a IR acima de 1 GΩ e a PD abaixo de 5 pC.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Pequenos furos na saída do eletrodo

A moldagem por transferência deixa microvazios onde a resina encontra o inserto, principalmente nos cantos e nas saídas dos terminais. A análise de falhas em peças devolvidas por corrosão identificou o ponto de entrada em um orifício de 50 µm na saída do terminal em 60% das peças examinadas. Um vazio desse tamanho passa pela inspeção visual, mas ainda permite a entrada de umidade na interface cerâmica.

Problema 2: A interface epóxi-cerâmica é o elo mais frágil.

A ciclagem térmica tensiona a ligação entre a resina e a cerâmica. Os dois materiais diferem em expansão por um fator de sete, portanto, cada partida e parada da máquina adiciona cisalhamento interfacial ao anterior. Após 10,000 ciclos, a ligação sofre microfissuras e um canal de umidade se abre, mesmo em uma peça que estava isenta de vazios na moldagem.

Problema 3: Poeira incrustada durante a montagem

Partículas de metal se depositam em todas as superfícies durante a montagem, e a camada de revestimento seguinte as oculta. No divisor resistor de filme espesso A partícula se corrói em contato direto com a superfície; no corpo de um capacitor, ela se corrói sob a resina epóxi, incha e trinca a peça moldada por dentro. A inspeção final não detecta o problema, e o defeito aparece meses depois como uma deriva na capacitância ou uma falha repentina.

Problema 4: Testes de umidade que omitem o metal

Um teste de calor úmido de 1,000 horas a 85 °C e 85% de umidade relativa mede a absorção de umidade. Ele não mede a migração eletroquímica, pois a câmara não contém partículas metálicas em sua estrutura. Peças que passam nesse teste apresentaram falhas em seis meses em fábricas com alta concentração de poeira metálica.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Especificar epóxi de baixa ionicidade e alta barreira

Solicite níveis de cloreto e sódio abaixo de 10 ppm, absorção de saturação abaixo de 0.5% em peso e um coeficiente de difusão uma ordem de magnitude inferior ao de compostos de moldagem comuns. O HVC realiza a desgaseificação a vácuo de seu encapsulamento e mantém a impureza iônica abaixo de 10 ppm, o que reduz pela metade a absorção de saturação de um corpo moldado por transferência padrão. Construa o banco de [inserir aqui o nome da empresa/material]. N4700 discos, e dê qualquer capacitor de filme que compartilha o mesmo recinto com a mesma barreira.

Estratégia 2: Preparar a cerâmica com um agente de acoplamento de silano.

A aplicação de primer de silano antes da moldagem aumenta a resistência da ligação epóxi-cerâmica em 2 a 3 vezes. Isso adia o início da delaminação para além da vida útil projetada da máquina, mesmo quando a interface é submetida à excursão total de 14 MPa a 60 °C.

Estratégia 3: Selar as saídas principais como interfaces projetadas

Molde um ressalto de vedação em cada saída do fio e inspecione-o em busca de vazios. Em componentes com terminais de parafuso, adicione uma vedação secundária em silicone ou uma barreira curada por UV na terminação. Isso fecha o caminho por onde ocorreram 60% das falhas por corrosão.

Estratégia 4: Pós-cura e secagem do corpo

A resina deve ser totalmente curada e a umidade absorvida eliminada antes da embalagem. O HVC mantém o corpo encapsulado com menos de 0.05% de umidade absorvida durante o transporte, garantindo que a peça entre em serviço seca e que a barreira não permaneça semi-saturada durante os primeiros meses de armazenamento.

Estratégia 5: Qualificar com um teste acelerado de poeira metálica

Execute o teste por 500 horas a 60 °C e 85% de umidade relativa com partículas calibradas de ferro e zinco no corpo energizado e, em seguida, exija uma resistência de isolamento acima de 1 GΩ e uma diferença de potencial (DP) abaixo de 5 pC. Adicione à câmara a mesma quantidade de poeira que qualifica o teste. diodo de recuperação rápida pilhas e o multiplicador.

Estratégia 6: Tratar o encapsulamento como um elemento de propagação

Dimensionar o corpo moldado para uma distância de fuga de grau de poluição 3 na tensão nominal, o que significa um percurso adicional de 6 a 10 mm em uma peça de 20 kV, e confirmar isso com um teste de choque térmico de 5,000 ciclos. A distância de fuga torna-se então uma dimensão especificada com um teste de qualificação subsequente.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão nominal (série HVCT8G)	10 kV CC	alta potência 1.5× por 60 s
Capacidade	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	abaixo de 50 mΩ	-
Indutância do laço (corda E40)	abaixo de 8 nH	Espaçamento entre terminais de 40 mm
resistência de isolamento	acima de 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Faixa de temperatura	-40°C a +125°C	Série IEC 60068-2
Capacidade de dv/dt de pulso	acima de 50 kV/µs	na tensão nominal

5. Capacitores HVC N4700 para oficinas de laser em ambientes empoeirados

Três requisitos definem a escolha neste nó: uma barreira que permaneça seca, uma interface que resista a ciclos de tensão e um corpo que suporte a corrente de fuga. A HVC fabrica componentes N4700 (T3M) Classe I em uma base de SrTiO3 para esse conjunto, em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, para tensões de 1 kV a 100 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Epóxi de baixa concentração iônica, desgaseificado a vácuo. Impureza iônica inferior a 10 ppm e ausência de vazios de moldagem, o que elimina simultaneamente o microfuro e o canal de migração.
• Adesão com primer de silano. A resistência da ligação interfacial é de 2 a 3 vezes maior que a de uma peça sem primer, de modo que o ciclo de 60 °C que delamina uma peça padrão deixa essa interface intacta.
• Saídas de cabos e terminais seladas. Cada saída de cabo é moldada com um ressalto e inspecionada quanto a vazios; terminal de parafuso e capacitores maçaneta Adicione uma vedação secundária.
• Envio a seco. Umidade absorvida inferior a 0.05% na embalagem, com blindagem de descarga parcial (PD) inferior a 5 pC na tensão nominal e resistência de isolamento superior a 10 GΩ a 500 V CC.
• Dielétrico estável. Um fator de dissipação de 0.1% ou inferior e um coeficiente de ±30 ppm/°C mantêm a parte encapsulada estável de −40 °C a +125 °C.
• Componentes de substituição qualificados em programas de reparo em campo. As peças HVC correspondem aos parâmetros elétricos e dimensões da embalagem de Murata Componentes de alta tensão com terminais de parafuso e radiais.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas, e as peças personalizadas com distância de fuga especificada, em 6 a 10 semanas. A engenharia de aplicações da HVC oferece suporte a dados de formulação de encapsulamento, testes de qualificação de poeira metálica e seleção de vedação de terminações.

Envie a tensão nominal, o espaço de montagem, a quantidade de poeira na oficina, o perfil de condensação e a quantidade desejada. A HVC retornará um número de peça, a ficha técnica de encapsulamento, o relatório do teste de poeira metálica e amostras para um teste in loco em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

P1: Por que um capacitor que passou por 1,000 horas de exposição a calor úmido ainda sofre corrosão?

O teste de calor úmido mede a absorção de umidade, e a câmara não contém metal. A corrosão, por sua vez, requer uma partícula metálica, água e um campo elétrico. Peças que suportam 1,000 horas a 85 °C e 85% de umidade relativa falharam em seis meses em fábricas com alta concentração de poeira metálica, porque o teste omitiu a contaminação que desencadeia a reação.

Q2: Onde começa a corrosão em um capacitor encapsulado?

Na saída do terminal. A análise de falhas identificou o ponto de entrada em um orifício de 50 µm na saída do terminal em 60% das peças corroídas examinadas. Molde um ressalto de vedação nesse local, inspecione-o em busca de vazios e adicione uma vedação secundária nas peças com terminais de parafuso.

Q3: Qual a velocidade de saturação de uma parede de epóxi de 2 mm?

Com D = 10⁻⁷ cm²/s, d²/D é 111 horas e o ponto de 90% é 0.21 × d²/D, que é 23 horas. Um fim de semana de condensação satura o corpo, portanto a barreira precisa começar seca e as saídas de chumbo precisam ser seladas.

Q4: O que a preparação com silano altera?

Aumenta a resistência da ligação epóxi-cerâmica em 2 a 3 vezes. Uma variação de temperatura de 60 °C submete essa interface a uma carga de 14 MPa, de modo que uma ligação sem primer sofre microfissuras sob ciclos repetidos, enquanto uma ligação com primer se mantém resistente além da vida útil projetada da máquina.

Q5: Quanto de fluência o corpo moldado adiciona?

Uma carcaça de 20 kV com sobremoldagem de 3 a 5 mm por lado adiciona de 6 a 10 mm de distância de fuga externa, o que proporciona a margem de grau de poluição 3. Rugosidade e trilhas de corrosão eliminam essa margem, portanto, as dimensões da carcaça precisam ser submetidas a um teste de choque térmico de 5,000 ciclos.

Q6: Quais parâmetros devem constar na especificação de compra?

Quatro: impureza iônica abaixo de 10 ppm, absorção de saturação abaixo de 0.5%, umidade absorvida abaixo de 0.05% no momento do envio e um teste de poeira metálica de 500 horas a 60 °C e 85% de umidade relativa com partículas de ferro e zinco. Requer-se resistência de isolamento acima de 1 GΩ e PD abaixo de 5 pC ao final desse teste.

7. Referências

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