薄膜电容直流耐压测试仪的原理与实现

时间：2024-09-03

王晓东，任蓉莉

(中国电子科技集团第二研究所，山西太原，030024)

在各种电子元器件中，电容是使用最广，用量最大的电子元件，其产量占电子元件总产量的50%以上。其中陶瓷电容、电解电容和有机薄膜电容三大主要产品的产量已经占到电容总产量的90%以上。其中，有机薄膜电容被广泛使用在模拟信号的交连、电源噪声的旁路(反交连)等。目前有机薄膜电容正在向有引线微型电容、无引线片式电容、集成电容、纳米电容、光子电容等高科技新产品发展，其电路应用频率范围从直流、交流、高频、射频向微波、毫米波、光波发展，应用电压范围也从低压、中高压、高压向超高压发展，是技术难度较大、科技含量及附加值较高的一类产品。

薄膜电容是以金属箔当电极，将其和聚乙酯、聚丙烯、聚笨乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，从两端重叠后，卷绕成圆筒状的构造。薄膜电容具有很多优良特性。它的主要特性：无极性，绝缘阻抗高，频率特性优异(频率响应宽广)，而且介质损失很小。基于以上优点，薄膜电容被大量使用在模拟电路中。尤其是在信号交叉连接的部份，必须使用频率特性良好、介质损失极低的电容，才能确保信号传送时不会发生太大的失真。

1 薄膜电容性能指标

薄膜电容生产逐批检验的主要技术指标有：电容量、损耗(损耗角正切值)、绝缘电阻、耐电压、可焊性及外观等。其中耐压值是一个非常重要的性能质量参数，它直接影响薄膜电容的产品质量和合格率，以及企业的经济效益。国家标准中对其测量的范围标准及方法均有明确的规定，而电容生产线上，除了检测参数的要求控制得更严格外，还具有量大快速等方面的特点。

薄膜电容器的耐压不是一个固定的数值，其极限耐压一般高于其额定电压的50～100%，通常可选择2倍左右的额定电压，测试正常时漏电流小于1 mA。对于结构、介质、容量相同的器件，耐压越高，体积越大。而相同容量的电容，充电速度越快，漏电流和损耗越小，质量越好。金属化薄膜电容器在低速测试时如连续听到轻微的“啪啪”声，说明其内部有局部击穿，应降低测试电压。

目前国产小尺寸薄膜电容额定电压一般在1 500 V以内，而国外通常可以达到2 000 V，法国的EUROFARAD甚至可以达到10 000 V左右。而且由于材料及工艺的限制，国产薄膜电容基本可分为低压小尺寸和高压大尺寸。随着元件小型化趋势的增加，急需增加对高压小尺寸产品研发的投入。这就要求我们在优化材料的性能和生产的工艺同时，在耐压测试仪器方面也要相应改进。

2 仪器概述

2.1 开发目的

根据电容产品工艺不同，低压小尺寸薄膜电容一般通过测试夹具细窄的分选机进行检测，而高压大尺寸薄膜电容则通过测试夹具宽大的分选机检测，并对应不同的直流耐压测试仪。随着电子产品种类增多，对高压小尺寸薄膜电容的需求也越来越大，而能够在小夹具分选机上使用并能够满足生产要求的直流耐压测试仪目前市场上还未能见到。国内所见的电容直流耐压测试仪多用于实验室检测，且内部结构复杂，尤其在高负荷连续运转的恶劣生产条件下，故障率较高，维护成本较大，不能满足用户需要长时间准确稳定测试的需求。而国外的仪器测试精度高，检测电压范围广，故障率低，可靠性强，但由于同行业竞争的原因，在国内应用较少。

针对工业生产中大批量高压小尺寸电容的检测,现急需研制开发一套符合厂家实际生产要求,能够保证稳定的测试精度，且与现有设备相配套的自动检测系统。该系统将集过程自动检测、自动报告到控制系统于一体,结构简单实用，便于后期维护，大大提高耐电压测试仪的检定效率、稳定性和准确度。

2.2 测试原理

薄膜电容直流耐压测试仪的基本工作原理图如图l所示。

图1 仪器测试原理简图

电容直流耐压测试仪主要用于测试电容的电气强度,方法是在待测电容上施加一个其额定电压2.15倍的直流高压信号，如果在规定时间内该电容未被击穿，或击穿电流不超过设定值，那么认为该电容的电气强度符合要求,在正常工作电压下工作时应是安全的。相反，如果在规定的时间内,击穿电流大于设定的限值,或当电容被击穿时,击穿电流会急剧增加,远大于设定值,仪器会断开输出高压信号，则判定电容绝缘强度不合格。另外，在实际应用中，施加电压的幅度一定要符合生产标准的要求。

3 结构设计

3.1 整机结构框图(见图2)

图2 仪器结构框图

仪器的0～4 000 V直流高压输入由外部高压电源来实现，而仪器的自动测试过程全部通过外部设备结合工艺流程来控制仪器内部的高压继电器进行。该仪器共需分选机的5个工位，分别进行一次预充电，三次漏电流测试和两次电阻放电，以保证测试准确度以及防止对其他参数的测试产生影响。

当电容运行到充电工位时，先进行一次预充电。通过计算选择合适的充电电阻，使得电容一次预充电就能够达到充电电压的95%。到达测试工位后，再进行一次充电就可以获取比较准确的稳态漏电流。对于检测不合格的电容，系统直接记录，随后不再进行各项测试，排入废料箱。而检测合格的电容则依次进入另外两个检测工位，继续进行两次充电检测，并按照第一个检测工位的处理方法运行，以确保将误判率降到最低。能够连续通过三个检测工位的电容将在后面两个工位进行两次电阻放电，以防止元件上面的残留电压影响后续工序上对其参数进一步测试结果的准确性。

3.2 充电电阻的选取

要保证检测到比较准确的电容稳态漏电流，关键就是使电容在测试之前的规定时间内，达到充电饱和状态。这就需要通过对充电电压、充电电流和充电时间的综合考虑，对充电电阻进行仔细计算选择。

当初始条件t0=0，q0=0，求不定积分得到电容两级电荷随时间变化函数：

薄膜电容的实际充电过程中，一般认为达到充电电压的95%即为充电饱和，则：

计算得单次充电饱和时间t≈3RC，实际生产中，充电时间t一般要求不超过0.3s，则时间常数RC≤0.1。

4 000 V以内中小尺寸薄膜电容的范围一般在0.1 nF～2.2 μF，良品电容漏电流一般小于0.1mA，击穿电流随时间长度而增加，在0.3s内一般小于50 mA。选取典型值计算得到单次充电时间见表1。

表1 充电电阻典型值计算

通过比较，为保证电容充电饱和，我们选用47 kΩ作为充电电阻。计算得到理论上需求功率118 W，实际选取订制150 W的被釉电阻。

3.3 高压继电器的选取

本仪器还必须选取能够实现快速开关和切断直流高压的控制元件，并防止高压通断时的拉弧现象产生。为此我们对各种开关器件进行了比较，见表2。

表2 开关器件主要参数比较

通过综合比较，我们选定干簧继电器并用硅胶高压导线连接来控制直流高压充放电回路。干簧继电器由干簧开关、包裹在开关外部的励磁线圈及其他连接材料和零件组成。其接点部分为密封在玻璃管内的机械开关，动作释放时间约为普通继电器的1/10，最大为2 ms，故接点断开时泄漏电流非常小，且不受外部尘埃等的影响，属于长寿命、高耐压和高绝缘的器件。

3.4 漏电流检测电路的选取

图3 漏电流检测电路

在保证快速测试准确度的情况下，考虑到使用成本以及后期维护方便的需要，我们选择了稳定实用的开环比较检测电路，减少充放电延迟环节，使得测试回路快速准确的输出判定信号。在正相输入处采用精密电位器来调节参考电压，另外还降低各电路元件的精度差异引起的测试误差，提高检测精度。

为防止待测电容放电的瞬间脉冲损坏比较器，在正负输入端加TVS瞬态电压抑制二极管，能够有效的防止差模电压过大。瞬态(瞬变)电压抑制二级管简称TVS器件，在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。TVS能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，其箝位响应时间仅为1 ps(10-12s)，能够满足本设备对仪器的要求。在环境温度为250℃，10 ms内TVS允许的正向浪涌电流可达50～200 A。

3.5 抗干扰技术的应用

由于仪器应用在高压环境，为了降低外部元件对检测电路的干扰，本仪器采用单独的12 V隔离电源为漏电流测试电路供电。这样就不会因为某个元件出现故障而使整个系统遭到破坏，而且也减少了公共阻抗的相互耦合，大大提高供电的可靠性，还有利于电源散热。

集成电路的开关高速动作时会产生噪声，因此无论电源装置提供的电压多么稳定，VCC和GND端也会产生噪声。为了降低集成电路的开关噪声，在印制线路板上的每一块IC上都接入高频特性好的旁路电容，将开关电流经过的线路局限在板内一个极小的范围内。旁路电容用0.1 μF的陶瓷电容器，旁路电容器的引线要短且紧靠需要旁路的集成电路的VCC或GND端。

另外我们还对印制电路板进行合理布线，避免直角，并行线之间插入电源线或者地线，减少分布电容、分布电感引起的静电耦合。

最后通过采用高压导线双绞输入检测信号，并在仪器总电源处加装滤波器，减少迭加在被测信号上的串模干扰。缩短外部连接导线长度，抑制长线传输波反射干扰。