レーザー切断用高電圧コンデンサの耐腐食性エポキシ封止

レーザー切断用高電圧コンデンサの耐腐食性エポキシ封止

抽象

金属片や結露は、金属を含んだ水分としてレーザー加工機のコンデンサに到達し、誘電体よりも先に封止材を侵食します。この記事では、耐用年数を左右する拡散と腐食の計算式、返品された製品に見られる4つの故障経路、そして漏洩と部分放電を仕様内に抑えるための配合、接着、封止、および試験方法について解説します。

はじめに

エポキシ樹脂による封止はセラミックを密閉し、湿気の侵入を防ぎ、沿面距離を長くします。このパッケージは高電圧コンデンサの標準的な保護方式であり、クリーンルームで認定されています。レーザー切断および溶接工場では、標準的な成形では発生しなかった3つの要因が加わります。研削およびバリ取りステーションから金属切粉が放出され、切断ヘッドから微細な金属粉が放出され、結露が両​​方を濡らします。

このような工場では、あらゆる表面に導電性の膜が形成されます。エポキシ樹脂製の本体に付着した金属を含む水分は、表面、セラミック界面、そして端子が外部に最も近い位置にあるリード線の出口で電気化学反応を引き起こします。

現場データは、その脅威を数値化している。金属粉塵の濃度が高い工場では、標準的なエポキシ樹脂製筐体のコンデンサの15%が12ヶ月以内に端子腐食を起こしたのに対し、クリーンな環境では1%にとどまった。1つの故障で高電圧ユニットの交換に2,000～6,000米ドルの費用がかかり、生産シフトが停止する。

この記事では、侵入方程式、4つの故障経路、そしてコーティングをバリアに変えるカプセル化仕様について解説します。

2. コアメカニズム

2.1 体内における水蒸気の拡散

水はフィックの法則に従ってエポキシ樹脂に浸透し、その浸透は一連の解に従う。その第一項は、実用的なモデルを与える。

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

ここで、M(t)は時刻tにおける水分吸収量、M_satは飽和吸収量、Dは拡散係数、dは壁厚、tは暴露時間である。

M(t)を飽和度の90%に設定すると、単一数値による設計チェックが可能になります。

t_90 = 0.21 × d² / D

ここで、t_90 は飽和吸収量の 90% に達するまでの時間です。壁厚が 2 mm、D = 10⁻⁷ cm²/s の場合、d²/D は 111 時間なので、t_90 は 23 時間です。結露が 1 週末続くと、本体が飽和します。飽和したエポキシは、絶縁抵抗が 2 ～ 3 桁低下し、イオンの移動が始まります。

2.2 終端部におけるイオン移動と金属損失

溶解した水はイオンを運び、印加された電場によってイオンが移動し、表面の鉄または亜鉛の粒子が電極となる。陽極で除去される金属はファラデーの法則に従う。

m = (M × Q) / (z × F)

ここで、mは溶解した金属の質量、Mはモル質量、Qは通過した電荷、zは原子価、Fはファラデー定数（96,485 C/mol）を表す。

1 µA の漏洩電流は、1 日あたり 0.0864 C を流します。M = 55.85 g/mol、z = 2 の鉄の場合、これは 1 つの陽極サイトから 1 日あたり 25 µg、つまり 1 年間 9.1 mg の金属を除去します。水酸化物生成物は形成された場所で膨張し、エポキシ樹脂がセラミックから剥がれます。

2.3 熱サイクルによる界面応力

機械の起動・停止サイクルと溶接部の加熱により、樹脂はセラミックよりもはるかに大きく膨張します。エポキシ樹脂は約60 ppm/℃、セラミックは約8 ppm/℃の速度で膨張するため、界面はあらゆる動きでせん断応力を受けます。

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

ここで、σ_intは界面せん断応力、E_epoxyはエポキシ弾性率、αは2つの膨張係数、ΔTは温度変化、νはポアソン比である。

E = 3 GPa、α = 60 ppm/°C 対 8 ppm/°C、ΔT = 60 °C、ν = 0.35 の場合、計算上、1回の変位あたり 14 MPa の応力が発生します。プライマー処理された界面はこの応力に耐えます。結合が弱い界面では微小亀裂が発生し、その亀裂が成形によって閉じられるはずだった水分の通路となります。

2.4 成形ボディが加えるクリープ

本体は、セラミック表面を超えて外部の沿面距離経路を延長する。

L_creep = L_bare + 2 × w_overmold

ここで、L_creepは全沿面距離、L_bareは裸セラミックの沿面距離、w_overmoldは各面のオーバーモールド幅です。片面あたり3～5mmのオーバーモールドを持つ20kV部品では、6～10mmの経路が追加され、これが汚染度3のマージンを実現します。表面粗さや腐食によるトラッキングは、このマージンを損ないます。

図1 — 金属を含む水分が50 µmのリード出口ピンホールで本体を開放します。密閉された肩部、シランプライマー処理、および低イオンエポキシにより、IRは1 GΩ以上、PDは5 pC以下に維持されます。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：リード出口のピンホール

トランスファー成形では、樹脂前面とインサートが接する部分、つまり角部とリード出口部に微細な空隙が生じます。腐食したリターン部品の故障解析では、検査した部品の60%において、リード出口部の50μmのピンホールが浸入箇所であることが判明しました。このサイズの空隙は目視検査では検出されませんが、セラミック界面への水分の侵入経路となります。

問題点その2：エポキシ樹脂とセラミック樹脂の界面が最も弱い部分である

熱サイクルは樹脂とセラミックの結合にストレスを与える。両材料の膨張率は7倍も異なるため、機械の起動と停止を繰り返すたびに、界面にせん断応力が加わる。1万回のサイクル後には、成形時に空隙がなかった体であっても、結合部に微細な亀裂が生じ、水分が浸透する経路が開いてしまう。

問題点３：組み立て時に粉塵が混入する

組み立て中に金属粒子がすべての表面に付着し、次のコーティング層がそれらを覆い隠します。仕切り板の 厚膜抵抗器 粒子が連鎖的に腐食すると、開放された状態では腐食が進み、コンデンサ本体ではエポキシ樹脂の下で腐食し、膨張して内部から成形品に亀裂を生じさせる。最終検査ではこの欠陥は確認できず、数か月後に静電容量の変動や突然の故障として現れる。

問題点4：金属を省略した湿度テスト

85℃、相対湿度85%の条件下で1,000時間実施する湿熱試験は、吸湿量を測​​定するものです。試験室には金属粒子が付着していないため、電気化学的移行は測定されません。この試験に合格した部品でも、重金属粉塵のある工場では6ヶ月以内に故障しています。

4. 設計手順

戦略1：低イオン性、高バリア性エポキシを指定する

塩化物とナトリウムは10 ppm以下、飽和吸収量は重量比で0.5%以下、拡散係数は市販の成形コンパウンドより1桁低い値を求めます。HVCはカプセル化層を真空脱気し、イオン不純物を10 ppm以下に抑えることで、標準的なトランスファー成形体の飽和吸収量を半分に抑えます。 N4700 ディスク、そして フィルムコンデンサ 同じ囲いの中にあり、同じ障壁を共有している。

戦略2：セラミックにシランカップリング剤を塗布する

成形前にシランプライマー処理を施すことで、エポキシ樹脂とセラミック樹脂の接着強度が2～3倍に向上します。これにより、界面が60℃の温度変化による14MPaの応力を受ける場合でも、剥離の発生時期を機械の設計寿命以上に遅らせることができます。

戦略3：主要な出口を設計インターフェースとして封鎖する

リード線の出口ごとにシーリングショルダーを成形し、隙間がないか検査してください。ねじ端子部品の場合は、終端部にシリコーン製の二次シールまたはUV硬化型バリアを追加してください。これにより、腐食による故障の60%が発生した経路を遮断できます。

戦略4：後硬化と焼き上げ

梱包前に樹脂を完全に硬化させ、吸収された水分を焼き切ってください。HVCは、出荷時にカプセル化された本体の吸収水分を0.05%未満に抑えるため、部品は乾燥した状態で使用開始でき、バリア層が工場で最初の数ヶ月間、水分を半分しか含まない状態で放置されることはありません。

戦略5：金属粉塵加速試験で資格を取得する

通電ボディ上に校正済みの鉄および亜鉛粒子を付着させた状態で、60 °C、85% RHで 500 時間運転し、絶縁抵抗が 1 GΩ 以上、PD が 5 pC 未満であることを要求する。チャンバーに、この条件を満たすのと同じ粉塵負荷を追加する。 高速回復ダイオード スタックと乗数。

戦略6：カプセル化を沿面要素として扱う

成形体の寸法は、定格電圧における汚染度3の沿面距離（20kV部品の場合は6～10mmの追加経路）となるように決定し、5,000サイクルの熱衝撃試験で確認します。こうして、沿面距離は認定試験によって裏付けられた規定寸法となります。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. 埃っぽいレーザー加工工場向けのHVC N4700コンデンサ

このノードにおける選択を決定づける3つの要件は、乾燥状態を維持するバリア、サイクルに耐えるインターフェース、そして沿面電流を伝達するボディです。HVCは、東莞にある6,000平方メートルの自社工場で、1kVから100kVまでの電圧に対応するN4700（T3M）クラスI部品をSrTiO3ベースで製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 低イオン性、真空脱気エポキシ樹脂。イオン不純物濃度は10ppm以下で、成形時の空隙もないため、ピンホールとマイグレーションチャネルの両方が除去されます。
• シランプライマー処理による接着。界面結合強度はプライマー処理されていない本体の2～3倍であるため、標準部品を剥離させる60℃のサイクル処理でも、この界面は無傷のまま残る。
• 密閉されたリード線と端子出口。すべてのリード線出口は肩部で成形され、空隙がないか検査されます。ネジ端子と ドアノブコンデンサ 二次シールを追加する。
• 乾燥状態で出荷。梱包時の吸湿率は0.05%未満、定格電圧における部分放電（PD）遮蔽は5 pC未満、500 V DCにおける絶縁抵抗は10 GΩ以上。
• 安定した誘電体。誘電損失係数が0.1%以下、温度係数が±30 ppm/℃であるため、封止された部品は-40℃から+125℃の温度範囲で安定します。
• 現場修理プログラムにおける実績のあるドロップイン部品。HVC部品は、電気パラメータとパッケージ寸法に適合します。 村田 ねじ込み式およびラジアルリード式の高電圧部品。

配送とサポート

標準部品は4～8週間で出荷され、沿面距離が指定されたカスタムボディは6～10週間で出荷されます。HVCアプリケーションエンジニアリングでは、封止材の配合データ、金属粉塵耐性試験、終端シール材の選定などをサポートします。

定格電圧、設置スペース、作業場の粉塵負荷、結露プロファイル、および数量をお知らせください。HVCは、5営業日以内に部品番号、封止材データシート、金属粉塵試験報告書、および現場試験用のサンプルをお送りします。

6。 よくある質問

Q1：1,000時間の湿熱試験に合格したコンデンサーが、なぜ腐食するのか？

湿熱試験は吸湿量を測​​定するものであり、試験室には金属は含まれていません。腐食には金属粒子、水、そして腐食場が揃って初めて発生します。85℃、相対湿度85%の条件下で1,000時間試験に合格した部品でも、重金属粉塵のある工場では6ヶ月で故障することがあります。これは、試験で腐食反応を引き起こす汚染物質が考慮されていないためです。

Q2：カプセル化されたコンデンサでは、腐食はどこから始まるのですか？

リード出口部。故障解析の結果、検査した腐食部品の60%において、リード出口部の50μmのピンホールが侵入箇所であることが判明した。そこにシールショルダーを成形し、空隙がないか検査し、ねじ端子部品には二次シールを追加する。

Q3：2mm厚のエポキシ壁はどれくらいの速さで飽和しますか？

D = 10⁻⁷ cm²/s の場合、d²/D は 111 時間となり、90% 点は 0.21 × d²/D、つまり 23 時間です。結露が 1 週末続くと本体が飽和状態になるため、バリアは乾燥状態から始め、鉛の出口は密閉する必要があります。

Q4：シランプライミングによって何が変わりますか？

これにより、エポキシ樹脂とセラミック樹脂の接着強度が2～3倍に向上します。60℃の温度変化は、界面に14MPaの負荷をかけるため、プライマー処理されていない接着部は繰り返しサイクルを経ると微細な亀裂が生じますが、プライマー処理された接着部は機械の設計寿命を超えても強度を維持します。

Q5：成形ボディはどれくらいのクリープ（浸透性）を追加しますか？

20kVの筐体に片側3～5mmのオーバーモールドを施すと、6～10mmの外部沿面距離が確保され、これが汚染度3のマージンとなります。腐食による表面粗さやトラッキングによってこのマージンが失われるため、筐体寸法には5,000サイクルの熱衝撃試験が必要となります。

Q6：購入仕様書に含めるべきパラメータはどれですか？

4：出荷時のイオン不純物濃度が10 ppm未満、飽和吸水率が0.5%未満、吸湿率が0.05%未満であること、および鉄と亜鉛の粒子を用いた60℃、相対湿度85%での500時間金属粉塵試験を実施すること。試験終了時には、絶縁抵抗が1 GΩ以上、部分放電が5 pC未満であることを要求する。

7。 リファレンス

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