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大容量多層瓷介電容器檢測篩選試驗中的注意事項
發表時間:2024-03-04 10:58:07
1、 適用范圍
 
本文適用于大電容量多層瓷介電容器的檢測、篩選試驗中的注意事項，其它多層瓷介電容器可參考使用。  
 
2、 電參數測試
 
2.1 電參數測試基本要求
 
2.1.1 測試環境條件
 
溫度： 25±3℃
 
濕度：（20～80）%
 
2.1.2 瓷介電容器電參數的測試順序
 
a) 電容量(C)
 
b) 損耗角正切值（tgδ）
 
c) 介質抗電強度
 
d) 絕緣電阻
 
2.2 電容量檢測
 
2.2.1 概述
 
電容量是電容器的一個重要參數，電容量可用電容電橋或其他合適的儀器測試。對測試電容量有影響的重要因素包括：溫度、測試頻率、測試電壓等，因此應根據具體元件對測試條件作適當的選擇，各類電容器的測試條件有較大的差別。
 
2.2.2 對測試設備的要求
 
測試電容量的儀器，除另有規定者外，應保證測試誤差在±（0.5%+0.2PF）范圍內。    
 
a) 測試程序
 
如有關標準對測試技術無特別規定，為了使測試儀器和元件之間連接帶來的誤差到最小，應使用包括使連線盡可能短在內的合適測試技術。
 
b) 檢驗判據
 
由被測樣品標準中具體規定。
 
c) 對測試夾具的要求
 
測試夾具對電容量測試結果的正確有重要的影響，在測試時應特別注意。
 
測試時必須使用專用的夾具；使用非專用夾具（或自做的帶線夾子）時，必須考慮測試帶來的附加誤差遠小于被測樣品電容量誤差要求，以及不會對被測樣品帶來機械損傷后方可以使用。
 
d) 電容量測試儀表
 
HP4284A，LCR測試儀等；
 
2.2.3 測試條件
 
測試溫度、濕度：溫度為15～35℃，濕度不大于80%，或按有關標準的規定。
 
測試頻率：C≤10μF    f=1kHz
 
C＞10μF    f=100Hz/120Hz
 
測試電壓：C≤10μF    V=1Vrms
 
C＞10μF    V=0.5Vrms
 
2.2.4 注意事項
 
多層瓷介電容器為無極性元件，所用陶瓷材料通常為鐵電體材料，由于其固有的特性，決定了其介質吸收現象（介質吸收為5％～10％），即加壓放電后，電容器有殘余電壓；這會影響其它參數（容量、損耗）測量結果的準確性和篩選后的作業安全，此外，因它結構、材料特性形成在檢測和篩選試驗過程中必須十分重視的注意事項，這些經驗是實踐中用沉痛教訓換得的，應給予重視和不斷總結經驗，以確保產品的質量和可靠性。    
 
a) 測量過程中應避免電容器受到劇烈碰撞。
 
b) 2類多層瓷介電容器對溫度影響較為敏感，應在規定溫度下進行測量。避免手溫影響電容器的本體溫度造成2類瓷介電容器的變化。
 
c) 整個測試過程中，嚴禁用手觸摸電容器，應該使用塑料鑷子(如：防靜電用鑷子)取放電容器，以免手上的油漬、汗漬污染電容器表面，影響電容器的絕緣電阻(尤其是10μF～100μF的電容器。)以及可焊性。用金屬鑷子取放片式電容器還會造成電容器包封層外表損傷。
 
d) 電參數測試順序中，介質抗電強度測試必須放在絕緣電阻之前。
 
e) 大容量多層瓷介電容器是Ⅱ類陶瓷介質或則是Ⅲ類陶瓷介質。如X7R屬于Ⅱ類陶瓷介質鐵電體材料，其極化主要來源于空間位移極化，電場作用下存在電滯廻線效應；在居里點溫度下，就會自發地發展。電場作用在鐵電陶瓷上的時候，原子就開始在電場方向上進行移動。當電場增加時，電疇就更好地進行排列，產生快速極化，電場反轉后，電疇也進行反轉。隨著極化電場和反轉頻率的增加，電疇的疇壁應力能增加，并轉化為熱能消耗掉，在宏觀上表現為損耗值增大。通常的測試頻率雖然只有1KHZ，但仍存在電疇反轉現象。所以，多層片式陶瓷電容器的損耗與采用的膜厚和測試電壓有很大的關系。
 
f) 在損耗角正切值檢驗時，一定要注意測試順序，否則會引起誤判現象。通常我們說的損耗是指靜態情況下的測試值。如果先測試耐壓、絕緣，那么，在電容器上一定有殘余電壓，會嚴重影響容量和損耗的真實測試值；所以，作為使用方的進料檢驗，一定要按正確的順序（容量、損耗、耐壓、絕緣。）進行各項性能的檢測。
 
2.3 損耗角正切值（tgδ）檢測
 
 2.3.1 概述
 
tgδ是電容器的一個重要技術參數，也是一個可靠性參數，該值認為是電抗性元件貯存的能量對其所消耗的能量之比的量度。tgδ等于Q（品質因數）的倒數。諧振電路的性能與tgδ有關。    
 
對電容器tgδ的測試有影響的重要因素包括溫度、頻率、電壓、靠近被件的物質類別等，因此應根據tgδ測量的具體樣品適當選擇和處理這些因素，另外被測電容器與儀器的連接狀況（包括測試用的夾具）對tgδ的測試結果也有影響。
 
2.3.2 對測試設備的要求
 
對測量tgδ的儀器，應保證測試誤差在規定值的10%以內。
 
a) 測試程序
 
如有關標準對測試技術無特別規定，為了使測試儀器和被測電容器之間連接帶來的誤差減到最小，應使用包括使接線盡可能短而粗在內的合適的測試技術。
 
tgδ測試程序和電容量測試程序相同。
 
b) 檢驗判據
 
由被測樣品標準中具體規定。
 
c) 對測試夾具的要求
 
測試夾具的一般要求與測電容量的要求相同。
 
對測試夾具的連接導線除短之外，還應考慮其直流電阻對tgδ的影響，故對夾具的連接導線要求是盡量粗，導線的內導體要求鍍銀，與樣品電極接觸片表面要求鍍金，無粘污物以減少接觸損耗。
 
2.3.3 測試條件
 
測試溫度： (15～35)℃范圍內，或按有關標準規定。
 
測試頻率：C≤10μF   f=1kHz
 
C＞10μF   f=100Hz/120Hz
 
測試電壓：C≤10μF   V=1Vrms
 
C＞10μF   V=0.5Vrms    
 
2.3.4 注意事項
 
與電容量測試相同，詳見本文2.2.4節內容。
 
2.4 耐電壓測試
 
2.4.1  概述
 
耐電壓測試也稱介質耐電壓試驗，或稱抗電強度試驗。介質耐壓試驗是在相互絕緣的零件（或部件）之間或電極與殼體之間，在規定時間內施加規定電壓，以此來確定元件在額定電壓下能否安全工作，能否耐受由于電源開與關、電浪涌及其它類似現象所導致的過電位的能力，從而評定電容器的絕緣材料或絕緣間隙是否合適。
 
如果電容器有缺陷，由在施加試驗電壓后，會產生擊穿放電或損壞。擊穿放電表現形式為：飛弧（表面放電）、火花放電（空氣放電）或擊穿（擊穿放電）現象。放電擊穿會造成漏電流（絕緣電阻下降），而過大漏電流可能引起電參數或物理性能的改變、退化或消失。
 
有許多因素在不同程度上影響電容器的固體介質性質。這些因素有：環境溫度、濕度及氣壓；電極的狀況及形狀，試驗電壓的頻率、波形、加壓速度及持續時間；試驗樣品的幾何形狀、位置，機械應力以及以前的試驗經歷等。除非按介質類型的要求適當地選擇這些因素，或則適當的修正系數，否則，很難對各種介質電壓的試驗結果進行相互的比較。
 
2.4.2 試驗條件
 
a) 試驗電壓性質及數值
 
由有關標準規定。試驗電壓為直流。
 
b) 施加電壓的持續時間
 
施加電壓的持續時間為60s，或按有關標準規定。
 
c) 施加電壓的速率
 
· 施加電壓速率按有關產品詳細標準的規定。手動施加電壓時應緩慢、均勻地從零伏逐漸增加到規定值(從0V起，均勻慢調1min到試驗電壓)。因為電容器瞬時或快速加電，電容器兩端電壓不能突變，而瞬時產生較高的突變的充電電流，這充電電流的值與頻率、容量、電壓的乘積有關(i=2πfCU)，如充電電流高于被測樣品規定的承受能力（陶瓷電容器的耐浪涌電流的極限值一般為30～50mA，超大電容量電容器耐浪涌電流的極限值小于10 mA會更安全），會造成過流損傷的隱患(短時間內無法剔除，在高溫電老煉試驗或整機使用過程逐漸出現低阻抗或短路失效)；嚴重時，在檢測介質抗電試驗時會擊穿或絕緣電阻下降而才被剔除。    
 
· 或則在測試回路串接5～10kΩ/0.5W限流電阻。
 
d) 放電措施
 
· 耐電壓試驗后，將電容器置于放電板上，確保電容器兩電極與放電板電氣接觸可靠。放電板優先選用導電橡膠、或采用表面涂覆電阻材料的絕緣材料板、或則其它行之有效的方法。放電板的自檢方法：用多用表(萬用表)測試（探針距離與電容器的長度相當），其電阻值為(10～40) kΩ。充分放電時間1～2小時(視實測效果為準)。
 
· 歐洲HT局ESA／SCC相關標準推薦，將電容器浸入惰性媒介液體中，以防止飛弧和大漏電流。采用此方法時，從惰性媒介取出后應采取高溫125℃、1h烘干處理。
 
2.4.3 對試驗設備的要求
 
a) 直流電源
 
試驗電壓的脈動分量不得超過均方根值的5%。
 
測試電路中串接一個適當的限流器件（如：限流電阻器5～10kΩ/0.5W以上），將電流浪涌有效限制在規定的范圍內。
 
b) 電壓測量儀
 
測量電壓的儀器，其誤差不大于5%。即在耐電壓試驗前對儀器電壓指標運行檢查時應至少用優于1%的電壓表來核對。
 
c) 應采用適當的方法（儀器），以顯示試驗樣品里所產生的而表面上看不到的擊穿放電及漏電流。    
 
2.4.4 試驗程序
 
a) 準備
 
如果要求對試驗樣品進行特殊的準備或處理（如專用試驗夾具、重接、接地或絕緣等）時，應在有關標準中規定。
 
b) 試驗
 
試驗電壓及施加點
 
電容器的耐壓試驗僅在兩電極引出端間進行；只有當特別規定時，才對電容器的外殼與電極（此時兩電極應短接）進行耐電壓試驗。
 
c) 試驗樣品的檢測
 
試驗中耐壓儀應有監視故障指示器，以判定試驗樣品有無擊穿放電發生及漏電流情況。如有規定，在此之后應對試驗樣品進行檢測，以確定介質耐壓試驗對特定工作特性所產生的影響。
 
2.4.5 注意事項
 
a) 多層瓷介電容器耐電壓試驗(絕緣電阻測試)后應及時限流放電，放電電流應小于30mA，對于超大容量多層瓷介電容器，其限流電流小于10mA會更安全。如果直接短路放電(特別是大容量電容器)均有可能會對電容器造成過電應力損傷。
 
b. 在常溫下進行質量一致性檢驗時，如需施加更高的試驗電壓時，可以縮短持續時間，具體數值由有關標準規定。通常辦法，在規定的試驗電壓值上增加（10%～20%），電容器額定電壓低，其修正系數倍率為1.1。
 
c) 每次試驗結束，應逐漸降低電壓，以免出現電浪涌。
 
d) 介質耐電壓試驗，是一種過電位（電壓）試驗，即便是在低于擊穿電壓時也可能有損于絕緣或降低其安全系數，所以，應當慎重地進行介質耐電壓試驗。在進行質量一致性檢驗時更應慎重（因為樣品要使用），因此，不要在同一個試驗樣品上反復施加試驗電壓。在例行試驗中，如果需要連續施加試驗電壓時，最好在進行隨后的試驗時降低電壓。無論是使用交流電壓或是直流電壓，都應采用一定措施，以使試驗電壓無反復瞬時現象或出現高峰值。    
 
e) 在使用高電壓試驗時，應注意人身及設備安全。如應鋪設絕緣橡膠地墊，備有專用高壓測試棒，儀表設備必須有可靠的接地系統，高壓試驗場地四周無金屬雜物，操作時應單手操作，戴絕緣耐高電壓手套，測試連線具有足夠的耐受試驗電壓的抗電強度，以防被擊穿短路。
 
2.4.6 耐電壓測試前應了解的細節
 
對每一檔相同型號規格的電容器，在測試耐電壓試驗前，應按照相關的標準、方法，查清下列技術要求：
 
a) 如需要，特殊的準備或處理；
 
b) 試驗電壓性質及數值；
 
c) 施加電壓的持續時間；
 
d) 試驗電壓施加點；
 
e) 如適用，電源的穩壓要求；
 
f) 如適用，高電壓電源最小安伏功率；
 
g) 如適用，浪涌電流及限值；
 
h) 如適用，最大漏電流值；
 
i) 如適用，介質耐電壓試驗后的檢測；
 
2.4.7 超大容量多層瓷介電容器的介質耐壓測試舉例
 
舉例：2220X1D826KCTN（50V/82μF）
 
a) 施加的電壓：常溫條件下，額定電壓的250%。
 
b) 施加電壓的點：在兩電極端之間。
 
c) 施加試驗電壓的持續時間：60s。
 
d) 浪涌電流極的極限值：10mA。
 
2.4.8 失效判據    
 
由電流測量裝置或故障指示器指出的電容器的漏泄電流大于規定的最大極限值，或者有起弧、閃絡、絕緣擊穿或其它損傷的跡象時，這些電容器應從其產品批中剔除。
 
2.4.9 測試儀表
 
推薦EXT7213(臺灣華儀公司)，或CS2671A耐壓測試儀或其它符合使用要求的耐壓測試儀。
 
2.5 絕緣電阻的測試
 
2.5.1 概述
 
絕緣電阻是設計高阻抗電路的限制因素，絕緣電阻低，意味著漏電流大，這將破壞電路正常工作。例如形成反饋回路，過大的漏電所產生的熱或直流電將使絕緣破壞或使元器件電性能退化。
 
絕緣電阻測試與介質耐電壓試驗是不能等同的，因為高絕緣介質不一定是高耐壓的，因此絕緣電阻的測試不能完全代表對清潔度或無損傷程度的直接量度。但是，這種測試對確定熱、濕、污物、氧化或揮發性材料等對絕緣特性影響程度是極為有益的。
 
進行絕緣電阻測試時，影響因素有：溫度、濕度、殘存電荷、儀器或測試電路時間常數（τ=R·C）、試驗電壓、預處理及連續施加測試電壓的持續時間。
 
對電容器等元件持續施加電壓的絕緣特性會發生很大的變化，電流總是由一個高瞬時值降到一個低穩壓值，其衰減速度決定于測試電壓、溫度、材料、電容及外部電路電阻。因此，在連續施加電壓下，必須在一個相當長的時間內使被測的絕緣電阻穩定，要經過數分鐘才能獲得最大絕緣電阻讀數。如果使其適當地接近穩定值，電流與時間曲線是已知的，或在進行測試時采取適當的修正度數，不但能縮短讀數時間，而且可獲得有效的試驗結果和工作效率。如果要求在試驗前后都進行測量，兩次測量應在相同的條件下進行。    
 
D 2.5.2 測試條件
 
a) 若無其它規定，施加于試驗樣品的直流電壓值在下表1中選取。
 
表1      電容器絕緣電阻測試電壓

電容器的額定直流電壓

測試電壓

UR＜10V

      UR±10%

10V≤UR＜100V

10±1V

100V≤UR＜500V

100±5V

UR≥500V

500±10V

 
 
注：UR額定直流工作電壓。
 
b) 施加試驗電壓的持續時間：1min，或按產品規范規定。
 
c) 浪涌電流極的極限值：10mA。
 
2.5.3 對測試設備的要求
 
a) 采用一個適當的限流器件（串接限流電阻器5～10kΩ），將浪涌電流有效限制在規定的范圍內。
 
b) 絕緣電阻測試儀應適于被測元件（電容器）的特性（如：測試電壓的選擇、可調和測量范圍的適用性）。
 
c) 若無其它規定，絕緣電阻測試誤差不大于10%。
 
2.5.4 測試程序
 
a) 準備
 
如果要求對試驗樣品進行特殊的準備或處理（如專用試驗夾具、接、接地、絕緣、低氣壓、濕度或浸水等）時，應在有關標準中規定。
 
b) 測試
 
c) 測試電壓及施加電壓
 
在試驗樣品相互絕緣的部件之間，或絕緣的部件與地之間施加直流電壓。具體測試按有關標準規定。
 
d) 讀數時間
 
若無其它規定，應連續施加測試電壓1min后并立即讀數。當測試儀上絕緣電阻讀數與規定極限值一致且是穩定的或繼續下降時，可以比規定時間提前結束測試；如果例行試驗或要求實測記錄數據時，應確定和記錄施加測試電壓的時間。    
 
2.5.5 注意事項
 
a) 如果規定不止做一次測試時，則隨后的絕緣電阻測試應當采用與初次測試時相同的電壓極性進行。
 
b) 測試過程中應采取適當的預防措施，以使消除其它路徑產品泄漏而造成的讀數誤差。如：測量電纜線長、夾具本身絕緣電阻低、儀表輸出端處有油污造成泄漏通路、指針或儀表的表頭罩殼有靜電感應、高絕緣未屏蔽受電磁干擾影響指針或儀表的讀數顯示、測試探頭與工作臺低絕緣物品相連，以及測試環境濕度影響很大不符合測試要求等原因。
 
施加電壓的點：如無另行規定，僅在兩電極端之間。對于用于高壓環境工作的電容器，應增加兩電極(相短接)與殼體之間的絕緣電阻(耐電壓試驗) 測試。
 
c) 不嚴格按測試規范測試絕緣電阻，易發生評判失誤，特別是同一個生產批次中出現較多不合格時，應嚴格按規范復查測試過程，建議處理程序如下：
 
查測試規范值→實際施壓值→測試方法→儀表設備→符合性、完好性、有效性→環境溫度、濕度→夾具的符合性→如再不行更換儀表作比隊試驗，應找出原因。
 
d) 其它注意事項與耐電壓試驗相同，詳見本文2.4.5節內容。
 
2.5.6 失效判據
 
按有關標準規定。如規定絕緣電阻≥5×105MΩ，則實測值＜5×105MΩ即為不合格，當指示值不穩定，在5×105MΩ左右擺動，如排除了其它因素后，此情況應判不合格。
 
2.5.7 測試儀表
 
NF2511A絕緣電阻測試儀或其它合適的絕緣電阻測試儀。    
 
3、 篩選試驗中注事項
 
多層瓷介電容器的篩選項目和應力，由應用環境、應用技術、可維護性、嚴酷性、重要性和所選用電容器的介質特性、缺陷引發的失效模式等因素決定，且由于用途不同，其篩選條件有很大的差別，本內容僅對篩選中常見的注意事項作說明。
 
3.1 常見要求
 
3.1.1 電容器端電極氧化問題
 
片式多層瓷介電容器進行高溫貯存、溫度循環試驗時，為防止端電極氧化，應首先有惰性氣體(如氮氣)保護的設備中進行。當受試驗條件限止時，經審批后可采用裝入金屬盒中，然后再裝入耐高溫袋內，抽真空熱壓封裝，真空包裝后保證產品不應受擠壓。應優先使有充氮溫度試驗箱試驗。
 
3.1.2 電老煉電路中增加限流電阻
 
對超大容量多層電容器的電老煉試驗，在初始加電階段，在試驗回路串聯一個限流電阻進行限流，這樣可以有效降低通過電容器的浪涌電流，確保電容器正常工作。
 
3.2 電老煉夾具的要求
 
電容器的電老煉夾具是篩選試驗的關鍵設備，電老煉夾具應具備下列特點：
 
a) 夾具尺寸應與電容器電極間距相匹配，方便安裝、上架、下架，并與電容器端電極是面接觸、輕壓力，但保證電氣接觸可靠和不增加過機械應力損傷；
 
b) 電容器裝夾操作，不允許對電容器外表或端電極內部造成損傷；夾具長期高溫使用易產生氧化、接觸不可靠。
 
3.3 電老煉試驗加電方法    
 
電容器高溫電老煉試驗施加電壓時，應非常緩慢加電壓，防止浪涌電流瞬時沖擊而損壞被試電容器，特別是大容量和高電壓電容器。采取措施如下：
 
3.3.1 選購的試驗設備的老煉電源有“可預設置調壓時間功能”，在規定的特定時間到點內，平穩地從0V升壓至試驗電壓，并有電壓/時間曲線顯示和記錄。
 
    電源設備能適用長時間試驗（如：壽命試驗），輸出電壓無突變上跳或瞬間斷電狀態，并有電壓輸出曲線監測記錄。
 
3.3.2 如果設備沒有“可預設置調壓時間功能”的，建議采用手工調壓方式。為確保每次操作有序、有效、正確，其加壓方法和步驟如下：
 
a) 在60s時間中，將老煉電壓從0V起平穩升壓至1/5的老煉試驗電壓；
 
b) 停止加壓60s時間，讓被試電容器充電穩定；
 
c) 按“步驟a.”升壓方法，在60s時間中，將老煉試驗電壓再升高1/5的老煉試驗電壓；
 
d) 按“步驟b.”方法，停止加壓60s時間，讓被試電容器充電穩定(此時被電容器施加了2/5老煉試驗電壓)；
 
e) 按“步驟c.”方法在在60s時間中升壓1/5的老煉試驗電壓，和“步驟d.”穩定60s時間；依此方法，用5min時間對被試電容器施加老煉電壓。
 
3.4 電老煉結束時的要求
 
3.4.1 電老煉試驗時間到點的處理
 
電老煉試驗時間到點后，應先按加電相反的順序，逐步緩慢地調小試驗電壓至0V，然后切斷試驗箱加熱的電源。其目的是：
 
a) 對電老板上電容器進行限流放電，高溫狀態電容器的抗浪涌能力更差；    
 
b) 防止高溫試驗箱突然切斷電源時產生的反向電脈沖，通過老煉電源疊加到試驗電壓上，對被試電容器產生電損傷，這對于大容值低額定電壓的多層瓷介電容器會產生電損傷。
 
c) 防止電容器貯能的電壓反向沖擊試驗設備的電源。
 
3.4.2 老化板的放電措施
 
a) 電老煉試驗箱有放電裝置的，可以在試驗設備上放電，但要檢查放電阻值，放電電流應小于電容器的安全放電電流(安全放電電流為0.1倍的高溫下的浪涌限止電流)。
 
b) 采用單獨放電時，應自備放電裝置(串接電流表，監示充電或放電電流)，將電壓逐步、平穩地降至0V。
 
c) 電老煉試驗完后應緩慢減小電壓，嚴禁采用短路放電。          
 
4、 結束語
 
多層瓷介電容器具有特性范圍寬、單位體積電容量高、頻率容量特性好、成本低等優良的性能, 并可替代其它一些介質電容器，其中大電容量的多層瓷介電容器替代鉭電解電容器的工作正在成功應用、推廣。但如何確保大電容器的質量和可靠性應用還有一段路要走，需要我們對制造生產、成品質量控制和實際應用技術中的問題不斷地研究、總結，辦法總比問題多，落實措施問題少。