Korrosionsbeständige Epoxidharz-Verkapselung für lasergeschnittene Hochspannungskondensatoren

Korrosionsbeständige Epoxidharz-Verkapselung für lasergeschnittene Hochspannungskondensatoren

Abstract

Metallspäne und Kondenswasser gelangen als metallhaltige Feuchtigkeit in den Kondensator einer Laserwerkstatt und greifen die Verkapselung an, bevor das Dielektrikum erreicht wird. Dieser Artikel erläutert die Diffusions- und Korrosionsberechnungen, die die Lebensdauer bestimmen, die vier Ausfallursachen bei zurückgesendeten Geräten sowie die Formulierungs-, Haftungs-, Abdichtungs- und Prüfverfahren, die Leckströme und Teilentladungen innerhalb der Spezifikationen halten.

1. Einleitung

Die Epoxidharz-Verkapselung versiegelt die Keramik, schützt vor Feuchtigkeit und verlängert den Kriechweg. Diese Bauform ist der Standardschutz für Hochspannungskondensatoren und wurde in Reinräumen qualifiziert. Laserschneid- und Schweißbetriebe bringen drei zusätzliche Herausforderungen mit sich, die beim herkömmlichen Formenbau nicht auftreten: Schleif- und Entgratungsstationen erzeugen Metallspäne, Schneidköpfe setzen feinen Metallstaub frei, und Kondenswasser benetzt beides.

In einer solchen Werkstatt bildet sich auf jeder Oberfläche ein leitfähiger Film. Metallhaltige Feuchtigkeit auf einem Epoxidharzkörper treibt elektrochemische Reaktionen an der Oberfläche, entlang der Keramikgrenzfläche und an den Anschlusspunkten an, wo die Anschlüsse der Außenseite am nächsten liegen.

Felddaten beziffern das Risiko. In Betrieben mit hoher Metallstaubbelastung wiesen 15 % der Kondensatoren mit Standard-Epoxidharzgehäuse innerhalb von 12 Monaten Korrosion an den Anschlüssen auf, im Vergleich zu nur 1 % in sauberen Umgebungen. Ein einziger Ausfall verursacht Kosten von 2,000 bis 6,000 US-Dollar für den Austausch der Hochspannungseinheit und führt zum Produktionsstopp.

Dieser Artikel behandelt die Gleichungen für das Eindringen von Fremdkörpern, die vier Versagenswege und die Spezifikation für die Verkapselung, die eine Beschichtung in eine Barriere verwandelt.

2. Kernmechanismus

2.1 Diffusion von Wasserdampf durch den Körper

Wasser dringt durch Ficksche Diffusion in Epoxidharz ein, und die Aufnahme folgt einer Reihenlösung. Der erste Term dieser Lösung liefert das praktische Modell:

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

wobei M(t) die zum Zeitpunkt t aufgenommene Feuchtigkeit, M_sat die Sättigungsaufnahme, D der Diffusionskoeffizient, d die Wandstärke und t die Expositionszeit ist.

Durch die Einstellung von M(t) auf 90 % der Sättigung erhält man eine einfache Überprüfung des Designs anhand einer einzigen Kennzahl:

t_90 = 0.21 × d² / D

Dabei ist t_90 die Zeit bis zum Erreichen von 90 % der Sättigungsaufnahme. Bei einer Wandstärke von 2 mm und einer Diffusionsgeschwindigkeit von D = 10⁻⁷ cm²/s beträgt d²/D 111 Stunden, somit ist t_90 = 23 Stunden. Ein Kondensationswochenende führt zur Sättigung des Körpers. Gesättigtes Epoxidharz verliert dann um zwei bis drei Größenordnungen an Isolationswiderstand, und die Ionenwanderung beginnt.

2.2 Ionenwanderung und Metallverlust an den Enden

Gelöstes Wasser transportiert Ionen, das angelegte Feld treibt diese an, und Eisen- oder Zinkpartikel an der Oberfläche werden zu Elektroden. Das an der Anodenstelle entfernte Metall folgt dem Faraday'schen Gesetz:

m = (M × Q) / (z × F)

wobei m die Masse des gelösten Metalls, M die molare Masse, Q die übertragene Ladung, z die Wertigkeit und F die Faraday-Konstante mit 96,485 C/mol angibt.

Ein Leckstrom von 1 µA transportiert 0.0864 C pro Tag. Bei Eisen mit einer Molmasse von M = 55.85 g/mol und einer Schichtdicke von z = 2 werden dadurch 25 µg Metall pro Tag bzw. 9.1 mg pro Jahr von einer Anodenstelle abgetragen. Das entstehende Hydroxidprodukt quillt an der Stelle auf, an der es sich bildet, und das Epoxidharz löst sich von der Keramik.

2.3 Grenzflächenspannungen durch Temperaturwechsel

Maschinenstart-Stopp-Zyklen und die Erwärmung der Schweißzone dehnen das Harz wesentlich stärker aus als die Keramik. Epoxidharz dehnt sich mit etwa 60 ppm/°C aus, die Keramik mit etwa 8 ppm/°C, sodass die Grenzfläche bei jeder Auslenkung Scherkräften ausgesetzt ist.

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

wobei σ_int die Grenzflächenschubspannung, E_epoxy der Epoxidmodul, α die beiden Ausdehnungskoeffizienten, ΔT die Temperaturänderung und ν die Poissonzahl ist.

Bei E = 3 GPa, α = 60 ppm/°C gegenüber 8 ppm/°C, ΔT = 60 °C und ν = 0.35 ergibt die Berechnung 14 MPa pro Exkursion. Eine grundierte Grenzfläche hält dieser Belastung stand. Eine schwach verbundene Grenzfläche reißt, und der Riss wird zum Feuchtigkeitskanal, den die Form eigentlich verschließen sollte.

2.4 Kriechen, das der Formkörper hinzufügt

Der Körper verlängert den äußeren Kriechweg über die blanke Keramik hinaus:

L_creep = L_bare + 2 × w_overmold

Dabei ist L_creep die gesamte Kriechstrecke, L_bare die Kriechstrecke über die blanke Keramik und w_overmold die Umspritzungsbreite auf jeder Seite. Ein 20-kV-Bauteil mit 3 bis 5 mm Umspritzung pro Seite verlängert die Kriechstrecke um 6 bis 10 mm, wodurch die Sicherheitsmarge für Verschmutzungsgrad 3 erreicht wird. Oberflächenrauheit und Kriechströme durch Korrosion verringern diese Sicherheitsmarge.

Abb. 1 — Metallhaltige Feuchtigkeit öffnet den Körper an einer 50 µm großen Austrittsöffnung für die Zuleitungen; eine abgedichtete Schulter, eine Silan-Grundierung und ein niedrigionisches Epoxidharz halten den IR-Wert über 1 GΩ und den PD-Wert unter 5 pC.

3. Schwachstellen im Engineering

Problemstelle 1: Nadellöcher am Bleiausgang

Beim Transferformverfahren entstehen Mikroporen an den Stellen, an denen die Harzfront auf den Einsatz trifft, also an den Ecken und den Anschlussstellen. Die Fehleranalyse korrodierter Rückteile ergab, dass die Eintrittsstelle bei 60 % der untersuchten Teile ein 50 µm großes Loch an der Anschlussstelle war. Eine Pore dieser Größe fällt bei der Sichtprüfung nicht auf und ermöglicht Feuchtigkeit dennoch den Zugang zur Keramikoberfläche.

Problempunkt 2: Die Epoxid-Keramik-Grenzfläche ist die schwächste Stelle.

Thermische Zyklen belasten die Verbindung zwischen Harz und Keramik. Da sich die beiden Materialien in ihrer Wärmeausdehnung um den Faktor sieben unterscheiden, führt jeder Maschinenstart und -stopp zu zusätzlicher Scherung an der Grenzfläche. Nach 10,000 Zyklen entstehen Mikrorisse in der Verbindung und ein Feuchtigkeitskanal öffnet sich, selbst in einem Körper, der beim Formprozess porenfrei war.

Problempunkt 3: Staubeinschlüsse während der Montage

Während der Montage setzen sich Metallpartikel auf allen Oberflächen ab und werden von der nächsten Beschichtungsschicht bedeckt. Auf der Trennwand Dickschichtwiderstand Die Partikel korrodieren an der Luft; auf einem Kondensatorgehäuse korrodieren sie unter dem Epoxidharz, quellen auf und verursachen Risse im Formteil von innen. Bei der Endkontrolle ist dies nicht erkennbar, und der Defekt zeigt sich erst Monate später als Kapazitätsdrift oder plötzlicher Ausfall.

Problempunkt 4: Feuchtigkeitstests, die das Metall außer Acht lassen.

Ein 1,000-stündiger Feuchtwärmetest bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit misst die Feuchtigkeitsaufnahme. Er misst keine elektrochemische Migration, da sich keine Metallpartikel am Gehäuse befinden. Bauteile, die diesen Test bestehen, fielen in Betrieben mit starker Metallstaubbelastung innerhalb von sechs Monaten aus.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Spezifizierung eines niedrigionischen, hochbarrierefähigen Epoxidharzes

Fordern Sie einen Chlorid- und Natriumgehalt unter 10 ppm, eine Sättigungsaufnahme unter 0.5 Gew.-% und einen Diffusionskoeffizienten, der um eine Größenordnung unter dem von handelsüblicher Formmasse liegt. HVC entgast seine Verkapselung im Vakuum und hält die ionische Verunreinigung unter 10 ppm, wodurch die Sättigungsaufnahme eines standardmäßigen, transfergeformten Körpers halbiert wird. Stellen Sie die Bank zusammen aus N4700 Discs und geben Sie jede Folienkondensator die das Gehäuse mit der gleichen Barriere teilt.

Strategie 2: Grundieren Sie die Keramik mit einem Silan-Haftvermittler.

Durch die Silan-Grundierung vor dem Formgebungsprozess wird die Haftfestigkeit zwischen Epoxidharz und Keramik um das Zwei- bis Dreifache erhöht. Dadurch wird der Beginn der Delamination über die geplante Lebensdauer der Maschine hinaus verzögert, selbst wenn die Grenzfläche der vollen Belastung von 14 MPa bei einer Temperaturänderung von 60 °C ausgesetzt ist.

Strategie 3: Die Hauptausgänge als technische Schnittstellen abdichten

An jedem Leitungsausgang eine Dichtungsschulter formen und auf Lufteinschlüsse prüfen. Bei Schraubklemmen eine zusätzliche Silikondichtung oder eine UV-härtende Barriere an den Anschlüssen anbringen. Dadurch wird der Korrosionspfad unterbrochen, der für 60 % der Korrosionsschäden verantwortlich ist.

Strategie 4: Nachhärten und Backen des Körpers

Vor dem Verpacken muss das Harz vollständig aushärten und die aufgenommene Feuchtigkeit austrocknen. HVC hält den Restfeuchtegehalt des verkapselten Bauteils beim Versand unter 0.05 %, sodass das Bauteil trocken in Betrieb genommen wird und die Barriere in den ersten Monaten im Lager nicht halb gesättigt ist.

Strategie 5: Qualifizierung mit einem beschleunigten Metallstaubtest

Führen Sie einen 500-stündigen Test bei 60 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit mit kalibrierten Eisen- und Zinkpartikeln auf dem unter Spannung stehenden Körper durch. Anschließend sind ein Isolationswiderstand von über 1 GΩ und eine Teilentladung unter 5 pC erforderlich. Fügen Sie der Kammer die gleiche Staubbelastung hinzu, die die Anforderungen erfüllt. schnelle Erholungsdiode Stapel und der Multiplikator.

Strategie 6: Kapselung als ein schleichendes Element behandeln

Das Formteil ist für Kriechstrecken der Verschmutzungsklasse 3 bei Nennspannung zu dimensionieren, was bei einem 20-kV-Bauteil eine zusätzliche Leiterbahnlänge von 6 bis 10 mm bedeutet. Dies ist mit einem Thermoschocktest über 5,000 Zyklen zu bestätigen. Die Kriechstrecke wird somit zu einem spezifizierten Maß, das durch einen Qualifizierungstest nachgewiesen wird.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC N4700 Kondensatoren für staubige Laserwerkstätten

Drei Anforderungen bestimmen die Wahl an diesem Knotenpunkt: eine trockene Barriere, eine zyklische Beständigkeit der Schnittstelle und ein Bauteil, das die Kriechströme abführt. HVC fertigt für diese Baugruppe N4700 (T3M)-Bauteile der Klasse I auf SrTiO3-Basis in einem 6,000 m² großen, firmeneigenen Werk in Dongguan für Spannungen von 1 kV bis 100 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Niedrigionisches, vakuumentgastes Epoxidharz. Ionische Verunreinigungen unter 10 ppm und keine Formporen, wodurch Nadellöcher und Migrationskanäle gleichzeitig beseitigt werden.
• Silanvorbehandelte Haftung. Die Grenzflächenhaftfestigkeit ist 2- bis 3-mal so hoch wie bei einem unvorbehandelten Bauteil, sodass die 60 °C-Zykluszeit, die ein Standardbauteil delaminiert, diese Grenzfläche intakt lässt.
• Abgedichtete Kabel- und Anschlussausgänge. Jeder Kabelausgang ist mit einer Schulter versehen und auf Lufteinschlüsse geprüft; Schraubklemmen und doorknob Kondensatoren eine zusätzliche Dichtung hinzufügen.
• Trockenversand. Unter 0.05 % absorbierte Feuchtigkeit bei der Verpackung, mit Teilentladungsabschirmung unter 5 pC bei Nennspannung und Isolationswiderstand über 10 GΩ bei 500 V DC.
• Stabiles Dielektrikum. Ein Verlustfaktor von 0.1 % oder weniger und ein Koeffizient von ±30 ppm/°C gewährleisten die Stabilität des verkapselten Teils im Temperaturbereich von −40 °C bis +125 °C.
• Qualifizierte, sofort einsatzbereite Komponenten für Reparaturprogramme vor Ort. HVC-Teile entsprechen den elektrischen Parametern und Gehäuseabmessungen von Murata Hochspannungsbauteile mit Schraub- und Radialanschlüssen.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4–8 Wochen geliefert, kundenspezifische Gehäuse mit vorgegebener Kriechstrecke innerhalb von 6–10 Wochen. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt Sie bei der Ermittlung von Verkapselungsformulierungen, Qualifizierungstests für Metallstaub und der Auswahl von Anschlussdichtungen.

Bitte senden Sie uns die Nennspannung, den Montageraum, die Staubbelastung in der Werkstatt, das Kondensationsprofil und die benötigte Menge. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen eine Teilenummer, ein Datenblatt zur Verkapselung, einen Prüfbericht zur Metallstaubbelastung sowie Muster für einen Vor-Ort-Test.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum korrodiert ein Kondensator, der einen Feuchte-Wärme-Test über 1,000 Stunden bestanden hat?

Feuchte Wärme misst die Feuchtigkeitsaufnahme, und die Kammer enthält kein Metall. Korrosion erfordert Metallpartikel, Wasser und ein entsprechendes Feld. Teile, die 1,000 Stunden bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit überstanden haben, fielen in Werkstätten mit starker Metallstaubbelastung innerhalb von sechs Monaten aus, da der Test die für die Reaktion notwendige Verunreinigung nicht berücksichtigte.

Frage 2: Wo beginnt die Korrosion an einem gekapselten Kondensator?

Am Leitungsaustritt. Die Fehleranalyse ergab, dass bei 60 % der untersuchten korrodierten Teile die Eintrittsstelle ein 50 µm großes Loch am Leitungsaustritt war. Dort sollte eine Dichtungsschulter angeformt, auf Lufteinschlüsse geprüft und an den Schraubklemmen eine zusätzliche Dichtung angebracht werden.

Frage 3: Wie schnell sättigt sich eine 2 mm dicke Epoxidharzwand?

Bei D = 10⁻⁷ cm²/s beträgt d²/D 111 Stunden und der 90%-Punkt liegt bei 0.21 × d²/D, also 23 Stunden. Ein Kondensationswochenende sättigt den Körper, daher muss die Barriere im trockenen Zustand sein und die Bleiausgänge müssen abgedichtet sein.

Frage 4: Was ändert sich durch die Silan-Priming?

Es erhöht die Haftfestigkeit zwischen Epoxidharz und Keramik um das Zwei- bis Dreifache. Eine Temperaturänderung von 60 °C führt zu einer Belastung der Kontaktfläche von 14 MPa. Daher entstehen bei einer unbehandelten Verbindung unter wiederholter Belastung Mikrorisse, während eine behandelte Verbindung die geplante Lebensdauer der Maschine überdauert.

Frage 5: Wie viel Kriechverformung trägt der Formkörper bei?

Ein 20-kV-Gehäuse mit 3 bis 5 mm Umspritzung pro Seite bietet eine zusätzliche Kriechstrecke von 6 bis 10 mm, wodurch die Sicherheitsreserve für Verschmutzungsgrad 3 erreicht wird. Korrosionsrauheit und Kriechströme reduzieren diese Sicherheitsreserve, weshalb die Gehäuseabmessungen einem Thermoschocktest mit 5,000 Zyklen unterzogen werden müssen.

Frage 6: Welche Parameter gehören in die Kaufspezifikation?

Viertens: ionische Verunreinigungen unter 10 ppm, Sättigungsaufnahme unter 0.5 %, absorbierte Feuchtigkeit unter 0.05 % bei Versand sowie ein 500-stündiger Metallstaubtest bei 60 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit mit Eisen- und Zinkpartikeln. Am Ende dieses Tests sind ein Isolationswiderstand über 1 GΩ und eine Teilentladung unter 5 pC erforderlich.

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