레이저 절단 고전압 커패시터용 부식 방지 에폭시 캡슐화

레이저 절단 고전압 커패시터용 부식 방지 에폭시 캡슐화

추상

레이저 가공 공장의 콘덴서에는 금속 조각과 응결된 습기가 금속을 함유한 형태로 유입되어 유전체보다 먼저 캡슐화층을 손상시킵니다. 이 글에서는 콘덴서의 수명을 결정하는 확산 및 부식 법칙, 반품된 제품에서 발견되는 네 가지 고장 경로, 그리고 누설 및 부분 방전을 규격 범위 내로 유지하기 위한 배합, 접착, 밀봉 및 테스트 방법에 대해 설명합니다.

1. 소개

에폭시 캡슐화는 세라믹을 밀봉하여 습기를 차단하고 누전 경로를 연장합니다. 이러한 패키지는 고전압 커패시터의 표준 보호 방식이며 클린룸에서 검증되었습니다. 레이저 절단 및 용접 작업장에서는 표준 성형 공정에서는 발생하지 않았던 세 가지 요소가 추가됩니다. 연삭 및 디버링 스테이션에서 발생하는 금속 칩, 절단 헤드에서 발생하는 미세 금속 분진, 그리고 이 둘 모두를 적시는 응결 현상입니다.

이러한 매장의 모든 표면에는 전도성 막이 형성됩니다. 에폭시 표면에 금속을 함유한 습기가 닿으면 표면, 세라믹 계면, 그리고 단자가 외부와 가장 가까운 리드 출구에서 전기화학 반응이 일어납니다.

현장 데이터는 이러한 위협을 수치로 보여줍니다. 금속 분진이 많은 작업 환경에서 표준 에폭시 재질의 콘덴서 중 15%가 12개월 이내에 단자 부식을 보인 반면, 깨끗한 환경에서는 1%에 불과했습니다. 이러한 고장이 한 번이라도 발생하면 고전압 장치 교체 비용으로 2,000달러에서 6,000달러가 소요되고 생산 교대 근무가 중단됩니다.

이 글에서는 침투 방정식, 네 가지 실패 경로, 그리고 코팅을 차단막으로 만드는 캡슐화 사양에 대해 다룹니다.

2. 핵심 메커니즘

2.1 인체 내 수증기 확산

물은 픽 확산에 의해 에폭시 내부로 침투하며, 흡수 과정은 직렬 반응식을 따른다. 첫 번째 항은 실제 모델을 나타낸다.

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

여기서 M(t)는 시간 t에서의 수분 흡수량, M_sat는 포화 흡수량, D는 확산 계수, d는 벽 두께, t는 노출 시간입니다.

M(t)를 포화도의 90%로 설정하면 단일 수치로 설계 검증을 수행할 수 있습니다.

t_90 = 0.21 × d² / D

여기서 t_90은 포화 흡수량의 90%에 도달하는 시간입니다. 벽 두께가 2mm이고 흡수율 D = 10⁻⁷ cm²/s인 경우, d²/D는 111시간이므로 t_90은 23시간입니다. 한 번의 결로 현상으로 벽 전체가 포화됩니다. 포화된 에폭시는 절연 저항이 2~3배 정도 감소하고 이온 이동이 시작됩니다.

2.2 종단에서의 이온 이동 및 금속 손실

용해된 물은 이온을 운반하고, 가해진 전기장은 이 이온들을 이동시키며, 표면의 철 또는 아연 입자는 전극이 됩니다. 양극에서 제거되는 금속은 패러데이 법칙을 따릅니다.

m = (M × Q) / (z × F)

여기서 m은 용해된 금속의 질량, M은 몰 질량, Q는 통과된 전하량, z는 원자가, F는 96,485 C/mol의 패러데이 상수입니다.

1 µA의 누설 전류는 하루에 0.0864 C의 열을 통과시킵니다. 분자량 M = 55.85 g/mol, z = 2인 철의 경우, 이는 하나의 양극 부위에서 하루에 25 µg, 또는 연간 9.1 mg의 금속을 제거하는 것과 같습니다. 수산화물 생성물은 형성되는 부위에서 팽창하고, 에폭시는 세라믹에서 떨어져 나갑니다.

2.3 열 순환에 의한 계면 응력

기계의 시동-정지 주기와 용접부 가열은 세라믹보다 수지를 훨씬 더 많이 팽창시킵니다. 에폭시는 약 60ppm/°C의 속도로 팽창하고 세라믹은 약 8ppm/°C의 속도로 팽창하므로 계면은 모든 온도 변화에서 전단력을 받습니다.

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

여기서 σ_int는 계면 전단 응력, E_epoxy는 에폭시 탄성 계수, α는 두 개의 팽창 계수, ΔT는 온도 변화, ν는 푸아송 비입니다.

E = 3 GPa, α가 60 ppm/°C 대 8 ppm/°C, ΔT = 60 °C, ν = 0.35일 때, 계산 결과는 익스커션당 14 MPa입니다. 프라이머 처리된 계면은 이러한 응력을 견뎌냅니다. 반면, 접착력이 약한 계면은 미세 균열이 발생하고, 이 균열은 몰딩이 막으려 했던 수분 통로가 됩니다.

2.4 성형체로 인해 발생하는 연면변위

본체는 노출된 세라믹 표면을 넘어 외부 연면 경로를 연장합니다.

L_creep = L_bare + 2 × w_overmold

여기서 L_creep은 전체 연면 거리, L_bare는 노출된 세라믹 표면을 가로지르는 연면 거리, w_overmold는 각 측면의 오버몰드 폭입니다. 측면에 3~5mm의 오버몰드가 있는 20kV 부품은 6~10mm의 연면 거리를 추가하며, 이것이 오염 등급 3의 안전 여유를 제공합니다. 표면 거칠기와 부식으로 인한 트래킹 현상은 이 여유를 없애버립니다.

그림 1 — 금속을 함유한 습기가 50µm 리드 출구 핀홀에서 본체를 열어줍니다. 밀봉된 숄더, 실란 프라이밍 및 저이온성 에폭시는 IR을 1GΩ 이상, PD를 5pC 미만으로 유지합니다.

3. 엔지니어링 문제점

문제점 1: 리드 출구 부위의 미세한 구멍

트랜스퍼 몰딩은 수지 전면과 인서트가 만나는 모서리 및 리드 출구 부분에 미세한 기공을 남깁니다. 부식된 반환 부품에 대한 고장 분석 결과, 검사 대상 부품의 60%에서 리드 출구 부분의 50µm 미세 구멍이 부식의 원인으로 밝혀졌습니다. 이 정도 크기의 기공은 육안 검사로는 통과하지만, 습기가 세라믹 계면으로 침투할 수 있는 경로를 제공합니다.

두 번째 문제점: 에폭시-세라믹 접합면이 가장 취약한 부분입니다.

열 순환은 수지와 세라믹 사이의 접착력에 스트레스를 가합니다. 두 재료의 팽창률이 7배나 다르기 때문에 기계의 시동 및 정지가 반복될 때마다 이전 전단력에 더해 계면 전단력이 누적됩니다. 10,000회 이상의 열 순환 후에는 성형 시에는 기포가 없었던 제품이라도 접착 부위에 미세 균열이 생기고 수분 통로가 형성됩니다.

문제점 3: 조립 과정에서 먼지가 혼입됨

조립 과정에서 금속 입자가 모든 표면에 떨어지고, 다음 코팅층이 이를 덮습니다. 칸막이의 경우 후막 저항기 사슬의 경우 입자가 노출된 환경에서 부식되고, 콘덴서 본체에서는 에폭시 아래에서 부식되어 팽창하고 내부에서 몰딩에 균열을 일으킵니다. 최종 검사에서는 이를 발견할 수 없으며, 결함은 몇 달 후에 용량 변동이나 갑작스러운 고장으로 나타납니다.

문제점 4: 금속을 제외한 습도 테스트

85°C 및 상대습도 85% 조건에서 1,000시간 동안 진행되는 습열 시험은 수분 흡수율을 측정합니다. 하지만 시험 챔버에 금속 입자가 없기 때문에 전기화학적 이동은 측정하지 않습니다. 이 시험을 통과한 부품도 금속 분진이 많은 작업 환경에서는 6개월 만에 고장나는 경우가 있습니다.

4. 설계 단계

전략 1: 이온성 저, 차단성 고함량 에폭시 지정

염화물 및 나트륨 함량이 10ppm 미만, 포화 흡수율이 중량 기준으로 0.5% 미만, 확산 계수가 일반 성형 컴파운드보다 한 자릿수 낮은 제품을 요구하십시오. HVC는 캡슐화 과정에서 진공 탈기를 거쳐 이온 불순물을 10ppm 미만으로 유지함으로써 표준 트랜스퍼 성형 바디의 포화 흡수율을 절반으로 줄입니다. 이러한 조건을 충족하는 제품을 선택하십시오. N4700 디스크를 주고 아무거나 주세요 필름 콘덴서 울타리를 같은 경계로 공유하는 것.

전략 2: 실란 커플링제를 사용하여 세라믹 표면을 프라이밍합니다.

성형 전에 실란 프라이밍을 하면 에폭시-세라믹 접착 강도가 2~3배 증가합니다. 따라서 계면이 60°C의 온도 변화에서 최대 14MPa의 압력을 받는 경우에도 박리 발생 시점이 기계의 설계 수명보다 훨씬 늦어집니다.

전략 3: 주요 출구를 엔지니어링 인터페이스로 밀봉합니다.

모든 리드 출구에 밀봉 숄더를 성형하고 기포가 있는지 검사하십시오. 나사 단자 부품의 경우, 단자 부분에 실리콘 또는 UV 경화형 차단막으로 2차 밀봉을 추가하십시오. 이렇게 하면 부식 고장의 60%를 차지하는 경로를 차단할 수 있습니다.

전략 4: 후처리 및 베이킹으로 몸을 건조시키세요

포장하기 전에 수지를 완전히 경화시키고 흡수된 수분을 제거하십시오. HVC는 출하 시 캡슐화된 부품의 흡수 수분 함량을 0.05% 미만으로 유지하므로 부품은 건조한 상태로 사용에 들어가고, 보호막은 공장에서 처음 몇 달 동안 반포화 상태로 있지 않습니다.

전략 5: 금속 분진 가속 시험을 통해 품질을 검증합니다.

교정된 철 및 아연 입자를 활성체에 도포한 상태에서 60°C 및 85% RH 조건으로 500시간 동안 작동시킨 후, 절연 저항이 1GΩ 이상이고 부분 방전(PD)이 5pC 미만이어야 합니다. 이 조건을 충족하는 데 필요한 것과 동일한 분진 부하를 챔버에 추가합니다. 고속회복 다이오드 스택과 승수.

전략 6: 캡슐화를 누설 요소로 취급한다.

성형체의 크기는 정격 전압에서 오염 등급 3의 연면거리를 만족하도록 설계해야 합니다. 이는 20kV 부품에 6~10mm의 추가 경로가 필요함을 의미하며, 5,000회 열충격 시험을 통해 이를 확인해야 합니다. 이렇게 하면 연면거리가 규격화된 치수가 되고, 이에 대한 인증 시험을 거쳐 최종 검증이 완료됩니다.

구성 요소 매개변수	전형적인 가치	시험 조건
정격 전압(HVCT8G 시리즈)	10 kV DC	60초 동안 1.5배속으로 고전압 가열
정전 용량	4700 pF ±20% (472M)	1MHz, 1V rms
1MHz에서의 ESR	50mΩ 미만	-
루프 인덕턴스(E40 코드)	8nH 이하	단자 간격 40mm
절연 저항	500V DC에서 10GΩ 이상	25°C, 상대습도 60%
온도 범위	−40°C ~ +125°C	IEC 60068-2 시리즈
펄스 dv/dt 기능	50kV/µs 이상	정격 전압에서

5. 먼지 쌓인 레이저 작업장을 위한 HVC N4700 콘덴서

이 노드에서 선택을 결정하는 세 가지 요구 사항은 다음과 같습니다. 건조한 상태를 유지하는 차단막, 반복적인 작동을 견디는 인터페이스, 그리고 누전 차단 용량을 갖는 본체입니다. HVC는 동관에 있는 6,000m² 규모의 자체 공장에서 1kV에서 100kV에 이르는 전압 범위에 걸쳐 이러한 요구 사항을 충족하는 SrTiO₃ 기반의 N4700(T3M) Class I 부품을 생산합니다.

여기서 중요한 6가지 매개변수

• 저이온성, 진공 탈기 에폭시. 이온 불순물이 10ppm 미만이며 성형 기포가 없어 핀홀과 이동 채널이 동시에 제거됩니다.
• 실란 프라이밍 처리된 접착력. 프라이밍 처리되지 않은 부품보다 계면 결합 강도가 2~3배 높으므로, 표준 부품을 박리시키는 60°C 온도 상승 및 하강 사이클에서도 이 계면은 손상되지 않습니다.
• 밀폐형 리드 및 단자 출구. 모든 리드 출구는 숄더로 성형되었으며 기포 유무를 검사합니다. 나사 단자 및 손잡이 커패시터 보조 씰을 추가하십시오.
• 건조 상태로 운송됩니다. 포장 시 흡수 수분 함량은 0.05% 미만이며, 정격 전압에서 부분 방전(PD) 차폐는 5pC 미만이고, 500V DC에서 절연 저항은 10GΩ 이상입니다.
• 안정적인 유전체. 0.1% 이하의 손실 계수와 ±30 ppm/°C의 계수로 캡슐화된 부품은 -40°C에서 +125°C까지 안정적인 상태를 유지합니다.
• 현장 수리 프로그램에서 검증된 우수한 성능을 자랑합니다. HVC 부품은 전기적 특성 및 패키지 크기와 일치합니다. Murata 나사형 및 방사형 리드 고전압 부품.

배송 및 지원

표준 부품은 4~8주 내에 배송되며, 지정된 연면거리를 가진 맞춤형 본체는 6~10주 내에 배송됩니다. HVC 응용 엔지니어링팀은 캡슐화 배합 데이터, 금속 분진 품질 테스트 및 종단 밀봉 선택을 지원합니다.

정격 전압, 설치 공간, 작업장 분진 부하, 결로 발생 양상 및 수량을 보내주십시오. HVC는 5영업일 이내에 부품 번호, 밀폐 데이터 시트, 금속 분진 테스트 보고서 및 현장 시험용 샘플을 제공합니다.

6. 자주 묻는 질문

Q1: 1,000시간 습열 테스트를 거친 콘덴서가 왜 여전히 부식되는가?

습열 시험은 수분 흡수율을 측정하는 시험 장치이며, 시험 장치에는 금속이 없습니다. 부식이 발생하려면 금속 입자, 물, 그리고 전기장이 함께 필요합니다. 85°C 및 85% 상대습도에서 1,000시간을 통과한 부품도 금속 분진이 많은 작업 환경에서는 6개월 만에 부식되는 경우가 있는데, 이는 시험 과정에서 부식 반응을 유발하는 오염 물질이 고려되지 않았기 때문입니다.

Q2: 밀폐형 콘덴서에서 부식은 어디에서 시작됩니까?

리드 출구 부분에서 부식이 발생했습니다. 고장 분석 결과, 검사한 부식 부품의 60%에서 리드 출구 부분의 50µm 미세 구멍이 부식의 원인으로 밝혀졌습니다. 해당 부위에 밀봉 숄더를 성형하고, 기포 유무를 검사한 후, 나사 단자 부분에 2차 밀봉을 추가하십시오.

질문 3: 2mm 두께의 에폭시 벽은 얼마나 빨리 포화됩니까?

D = 10⁻⁷ cm²/s일 때, d²/D는 111시간이고 90% 지점은 0.21 × d²/D, 즉 23시간입니다. 결로가 주말 동안 지속되면 본체가 포화되므로, 차단막은 처음부터 건조한 상태여야 하고 납 출구는 밀봉되어야 합니다.

질문 4: 실란 프라이밍은 무엇을 변화시키나요?

프라이머 처리는 에폭시-세라믹 접착 강도를 2~3배 향상시킵니다. 60°C의 온도 급변 시 접착면에 가해지는 하중은 14MPa에 달하는데, 프라이머 처리가 되지 않은 접착면은 반복적인 충격에도 미세 균열이 발생하는 반면, 프라이머 처리가 된 접착면은 기계의 설계 수명보다 훨씬 오래 접착력을 유지합니다.

Q5: 성형된 본체로 인해 연면거리가 얼마나 증가합니까?

측면에 3~5mm의 오버몰딩이 있는 20kV 본체는 외부 연면 거리를 6~10mm 증가시켜 오염 등급 3의 안전 마진을 확보합니다. 부식으로 인한 표면 거칠기 증가 및 트래킹 현상으로 인해 이 마진이 사라지므로, 본체 치수는 5,000회 열충격 시험을 거쳐야 합니다.

Q6: 구매 사양서에 포함되어야 하는 매개변수는 무엇입니까?

네 가지 조건: 이온 불순물 10ppm 미만, 포화 흡수율 0.5% 미만, 출하 시 흡수 수분 0.05% 미만, 그리고 철 및 아연 입자를 사용한 60°C 및 상대습도 85% 조건에서 500시간 금속 분진 시험을 통과해야 합니다. 해당 시험 종료 시 절연 저항은 1GΩ 이상, 부분 방전(PD)은 5pC 미만이어야 합니다.

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