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金屬化薄膜電容器噪聲產(chǎn)生的機理分析
陳才明，凌慧 (寧波新容電器科技有限公司 ，浙江 寧波315202)
摘 要：金屬化薄膜電容器的噪聲是薄膜在交流電場下振動引起，如何消除至今在電容器行業(yè)中仍是一個技術(shù)難題 。通過對有噪聲產(chǎn)品解剖觀測和對噪聲現(xiàn)象特點的分析研究 ，提出了揭示噪聲產(chǎn)生原因和噪聲與溫度關(guān)系的“氣泡噪聲”機理 ，認為熱定型工序的高溫生成薄膜層間的氣泡是產(chǎn)生噪聲的根本原因 。材料篩選、工藝改進能改善噪聲強度和發(fā)生概率，但只要熱定型工序存在要杜絕噪聲的產(chǎn)生就是十分困難的。
關(guān)鍵詞：金屬化薄膜電容器 ；噪聲；氣泡；熱定型
0 引言金屬化薄獏電容器在交流電壓下會產(chǎn)生噪聲或稱為交流聲 ，當電容器使用在有靜聲要求場合時該噪聲將成為致命的缺陷：有研究認為，由于在電容器介質(zhì)薄膜層間存在間隙薄鏌在電磁力的作用下發(fā)生周期性形變，導致薄膜共振，從而引起了交流聲。也曾見過日立、松下公司薄膜電容器說明書中告知：電容器在施加高頻電壓時會發(fā)出一種聲音（交流聲），這是由于二電極間電荷力的作用，使薄膜發(fā)生機械振動而產(chǎn)生的聲音，對電性能沒有影響，請在實際使用時確認電容器噪聲是薄膜在電場力作用下振動產(chǎn)生的機理已得到公認，對如何消除、改善噪聲的發(fā)生早有不少研究報道，如文獻介紹選用合適薄膜材料 、控制卷繞壓力，在真空下熱處理 、緩慢冷卻，可使電容器交流聲控制在允許
范圍30dB以下;文獻認為合適的卷繞張力 、熱壓工藝能使電容器的交流聲控制在3%以下 ；文獻研究結(jié)論是在60℃以下熱處理均不會出現(xiàn)交流聲 ，70℃以上熱處理無論大氣還是真空條件下均會出現(xiàn)交流聲 ，認為消除交流聲的主要技術(shù)措施進行低溫(浸漬)處理；文獻認為低溫熱定型是解決交流聲的方法但會影響電容器的壽命 。研究的共性結(jié)論是選用合適的材料和工藝能改善噪聲狀況 ，但均沒有提出杜絕產(chǎn)生噪聲的對策。
。ㄈ缥墨I1以距離0.5m，
本文通過對樣品的解剖觀測以及對噪聲現(xiàn)象特點的定性分析研究 ，揭示了能引起薄膜振動的“氣泡噪聲”機理。1 金屬化薄膜電容器噪聲現(xiàn)象的特點金屬化薄膜電容器施加直流電壓時沒有噪聲，施加交流電壓時會發(fā)出“茲 、茲”的噪聲，噪聲頻率為電源頻率的兩倍,所以也稱作為交流聲。金屬化薄膜電容器的噪聲較?div id="d48novz" class="flower left">≥30 dB則判定為交流聲大），在沒有消音室情況下很難通過人的聽覺來進行定量分析研究 。有時覺得通過某一工藝改進噪聲問題已經(jīng)得到有效解決，但過一段時間后發(fā)現(xiàn)噪聲問題又會重新出現(xiàn)。通過長期研究發(fā)現(xiàn)影響金屬化薄膜電容器噪聲的因數(shù)太多，噪聲大小、噪聲的觸發(fā)與消失等均與材料、工藝、環(huán)境溫度、施加電壓等密切相關(guān)，并有許多有趣特點現(xiàn)象。1.1 施加電壓的影響電容器噪聲是薄膜在交流電場力作用下振動產(chǎn)生的機理已得到公認，電場力F的大小正比于電容器施加電壓的平方 。F=（ε
式中：ε 電容器的噪聲是由于外施電壓在電容器極板上產(chǎn)生機械振動 ，傳播到空氣中產(chǎn)生的。噪聲產(chǎn)生、消失與施加電壓高低有關(guān) ，可分成觸發(fā)噪聲的起始電壓和噪聲消失的熄滅電壓，起始電壓高于熄滅電壓 ，不同產(chǎn)品噪聲的起始電壓也會不同，我們對一批額定電壓為交流450 V的電容器做了測試 ，有噪聲的起始電壓一般在400-500 V ，噪聲消失電壓一般在300 V以下，有的甚至低到200 V,—旦觸發(fā)噪聲后，短時間內(nèi)再次觸發(fā)時的起始電壓將會下降,下降幅度有的會大于20%。沒有噪聲的即使將電壓升至1000V也不會有交流聲產(chǎn)生。
1.2 生產(chǎn)工藝、材料的影響生產(chǎn)工藝對噪聲的影響不容置疑 ，有研究報道卷繞壓力太小或過大均不利于噪聲的改善，試驗結(jié)果表明不同卷繞壓力下產(chǎn)生噪聲的概率會有不同，即使認為是最佳卷繞壓力加工的產(chǎn)品交流聲發(fā)生 概率也有10%左右。有研究報道在60℃條件下熱處理 ，不論是大氣還是真空條件下均沒有出現(xiàn)交流聲，在70℃以上條件下不論是大氣還是真空條件下熱處理，均有80%出現(xiàn)嚴重交流聲。也有研究報道熱處理后的冷卻條件對電容器交流聲的影響較大，緩慢冷切有利于減少交流聲的產(chǎn)生。我們實驗和研究的結(jié)論是不論采用怎樣的卷繞壓力或張力 ，不論是大氣或真空條件下，是采用階梯升溫還是緩慢冷切，只要進行了熱定型處理(一般在85℃以上)均會有噪聲產(chǎn)品產(chǎn)生，通過批量生產(chǎn)的統(tǒng)計結(jié)果來看只是產(chǎn)生噪聲的概率不同，嚴重程度不同，但都無法杜絕噪聲的產(chǎn)生。一個有趣的現(xiàn)象是只要不進行熱定型處理就不會有重的噪聲產(chǎn)品產(chǎn)生。
表1-4只是我們研究卷繞張力對噪聲影響試驗數(shù)據(jù)的一部分，該試驗選擇容量大容易產(chǎn)生噪聲的批量生產(chǎn)的60μ ，是在同一批次聚丙烯薄膜 ，在同一時間段，只是改變卷繞機的張力 ，在其他工藝相同情況下所生產(chǎn)的電容器的噪聲篩選測試情況 。測試條件是：在25℃：室溫的安靜房間 ，電容器施加650 V交流電壓，測試速度1只/2 s ， 噪聲有否以檢驗員耳朵距離產(chǎn)品30 cm的聽力判斷 。其中表1是對比工藝張力變化的噪聲情況 ，結(jié)果表明增強張力的產(chǎn)品有噪聲比例較低 。表2是增強張力與工藝張力再次進行對比驗證，結(jié)果增強張力的產(chǎn)品有噪聲比例仍好于工藝張力 ，但不如初次好 。表3再次進行對比驗證，結(jié)果雖然增強張力仍好于工藝張力 ，但噪聲比例很不理想 ，可能是材料或其他因數(shù)引起噪聲增加。試驗表明張力控制好能改善噪聲 ，但仍無法杜絕噪聲的產(chǎn)生 。我們也試驗過更大的卷繞張力 ，結(jié)果是噪聲并沒有消除反而引起其他質(zhì)量問題 。表4是我們調(diào)整卷繞張力為工藝值+7%后，再分幾種不同熱定型工藝進行的噪音情況對比,結(jié)合生產(chǎn)計劃安排將直接加熱分為 A 、B
2組，將階梯加熱分為C、D、E 3組，分別選用瑞士產(chǎn)METRON1C卷繞機和臺灣產(chǎn)RDAW-195卷繞機進行對比，另外設(shè)立一組不進行熱定型處理的僅用臺灣產(chǎn)卷繞機卷繞的為F組。
表1 3種張力卷繞產(chǎn)品的噪聲比例
表2 增強張力與工藝張力比較
表3 增強張力與工藝張力再次比較
A 、B組的工藝是2h加熱到100℃ ，保溫6h，后以每2h 10℃降溫 ，12h后結(jié)束。
，在70℃保溫1 h,在80℃保溫2h,在90℃保溫6h ，后6h自然降溫至50℃結(jié)束；
D組工藝是以每20 min升溫10℃： ，在70℃保溫1h,在80℃保溫1h，在90℃保溫2h ，在100℃保溫2h ，后階梯降溫2h降溫至80℃，3.5h降至60℃： ，5.5h降至50℃結(jié)束 ；
E組工藝是以每20 min升溫10℃，在70℃：保溫1h,在80℃：保溫2h，在90丈保溫2h ，在100℃保溫2h ，后10 h緩慢降溫至50℃結(jié)束。
各組測試條件相同 ，噪聲比例結(jié)果見表4 。
表4 不同熱定型工藝的噪聲對比情況
從統(tǒng)計結(jié)果看瑞士卷繞機加工的噪聲占比相對較低，E組階梯升溫 、緩慢降溫的噪聲占比最好 ，但仍有8%的噪聲產(chǎn)生，而不進行熱定型處理的F組噪音占比為零 ，根據(jù)我們經(jīng)驗 ，如后續(xù)進行80℃以上高溫密封檢漏工序后，F組還是會有噪聲 產(chǎn)品出現(xiàn) 。
我們也對不同廠家的聚丙烯薄膜材料進行過對比試驗，比照結(jié)果是不同廠家薄膜其噪聲占比會有所不同 ，但差異并不絕對穩(wěn)定 ，象前面幾項工藝驗證一樣沒有令人信服的因果關(guān)系或強相關(guān)性。
1.3 氣候條件的影響通過長期生產(chǎn)實踐和客戶檢驗反饋情況發(fā)現(xiàn) ，在天氣較冷季節(jié)生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)生噪聲的概率相對較高，噪聲程度也較嚴重 ，到了氣溫高的夏天生產(chǎn)出來的電容器噪聲狀況會自然的有所改善 。
表5 某年全年一次噪聲檢驗合格率統(tǒng)計表
以前我們曾對一年生產(chǎn)的CBB65型空調(diào)器壓機電容器進行過統(tǒng)計分析，按月統(tǒng)計的產(chǎn)品噪聲比 例分布情況見表5 、圖1 。
圖1 某年份按月統(tǒng)計的產(chǎn)品噪聲比例分布情況
我們分析認為排除材料有批次差異外，生產(chǎn)工藝并無明顯不同 ，但60月份噪聲比例低的原因可能是環(huán)境溫度相對較高的原因 。
1.4 產(chǎn)品儲存期的影響空調(diào)器廠對電容器噪聲要求很高，根據(jù)產(chǎn)品不同分別規(guī)定距電容器0.5m或1m遠的地方不能聽到明顯的噪音作為驗收標準 。為此電容器生產(chǎn)廠將噪聲列為重要的出廠檢驗項目，一般采取在靜室由年輕聽力好的職工逐只進行試聽篩選檢驗 ，工作量很大，而且也難以監(jiān)控 。篩選出噪聲大的電容器進行隔離存放 ，但過段時間后再篩選時，發(fā)現(xiàn)大噪聲的發(fā)生概率會顯著下降，原來噪聲大的也會變小甚至消失 。電容器儲存一段時間后再測試，可能是其觸發(fā)噪聲的起始電壓有所提高或許是環(huán)境條件的影響 ，總之部分產(chǎn)品噪聲狀況會有所改善 。
1.5 噪聲與性能關(guān)系
已有報導稱交流聲不會影響電容器的其他性能。我們經(jīng)過長期實驗也證明了電容器老化試驗后的容量下降值(? ，表6是其中一次噪聲大小與壽命相關(guān)性的驗證試驗報告。表6中電容器型號：CBB65 ；產(chǎn)品規(guī)格:50μ  F/450 VAC;產(chǎn)品尺寸 ：Φ50×120；噪聲篩選條件：650 V電壓、2s、距離30 cm。需要說明的是電容器在溫度85℃烘箱中、1.35倍額定電壓頻率下經(jīng)536h后，電容應(yīng)不發(fā)生永久性擊穿、開路或閃絡(luò)。試驗則后,試驗后?tanδ  ≤0.002。
試驗結(jié)果表明噪聲大小與壽命性能不相關(guān) ，我們認為噪聲不是薄膜間的放電聲和自愈聲 ，因為放電或自愈均會導致金屬層消失容量下降和介質(zhì)老化，表明噪聲只是薄膜的機械振動 ，而電容器使用壽命長短是電場作用下電腐蝕的老化快慢過程 ，二者沒有必然聯(lián)系。
表6 不同噪聲電容器的加速壽命試驗結(jié)果
2 電容器解剖觀測電容器心子卷繞是采用全自動卷繞加工設(shè)備 ，設(shè)備具有薄膜自動張力控制，卷繞壓輥壓力恒定控制和加速 、恒速 、減速卷繞分階段定量設(shè)定控制，加工精度高 ，特別是在硬芯棒上卷繞的心子不存在明顯的內(nèi)松外緊現(xiàn)象 ，薄膜層間具有較大的壓強，應(yīng)該不存在引起薄膜層間振動的空間 。為了能找到引起薄膜振動的依據(jù) ，我們對有噪聲的電容器心子進行了解剖，解剖后發(fā)現(xiàn)凡是噪聲較重的心子總能找到氣泡的痕跡（圖中圓圈處） ，圖2所示為還有點鼓脹的氣泡 ，圖3所示為已經(jīng)收縮的氣泡，圖4所示為有嚴重噪聲的大氣泡 。
圖2 稍有鼓脹的氣泡
圖3 已經(jīng)收縮的氣泡
圖4 噪聲大的氣泡
3 噪聲產(chǎn)生的機理分析根據(jù)噪聲現(xiàn)象的特點和產(chǎn)品解剖情況,認為氣泡存在是產(chǎn)生噪聲的根本原因，分析認為氣泡不是在心子卷繞過程中產(chǎn)生 ，而是通過后道工序過程中形成的。
3.1 氣泡的形成過程薄膜存在厚度的不均勻性，表面也有高低不平的粗糙度 ，為了薄膜能展平卷繞機壓輥也刻有凹槽，即使是在最佳控制下卷繞出來的心子內(nèi)部也都存在著微量空氣。理想氣體常態(tài)方程為PV=nRT ，P是壓強；V是體積；n是物質(zhì)的量：T是溫度，單位為K；R是常數(shù)。當心子卷繞后這些微量氣體是分散在薄膜層間，其體積和壓強保持著平衡狀態(tài)。當在熱定型工序加熱時 ，氣體開始膨脹，在此時P0V0/T0=P1V1/T1，P1V1/P0V0= T1/T0，T0、P0、V0是卷繞時的溫度、壓強、體積。T1、T1、V1，是熱定型時的溫度、壓強 、體積 。
當熱定型溫度與卷繞環(huán)境溫度相差很大時，存在薄膜層間的微量氣體的體積和壓強會隨熱增大 ，如當卷繞環(huán)境溫度為20℃，熱定型加熱溫度為85℃轉(zhuǎn)換成K氏溫度 ；往里層，層間壓強值逐漸增大；當靠近芯軸處時，壓強達最大值。
，那么T1/T0=185K/68K/，T1/T0=2.72,即熱定型時薄膜層間微量空氣體積或壓強將增加2.72倍,如熱定型加熱為溫度100℃,則T1/T0=3.12,當局部薄膜層間壓強低于該氣體壓強時，層間縫隙擴大形成通道,使原少量分散的氣體逐漸向薄膜層間壓力薄弱處聚集，就形成了氣泡。
?div id="d48novz" class="flower left">參考文獻介紹 ，電容器元件采用相同的卷繞條件：卷繞的層數(shù)相同，均為1200層，卷繞機張力相同，應(yīng)變系統(tǒng)測量方式保持不變，層間壓強變化趨勢為：元件外層壓強值?div id="d48novz" class="flower left">我們樣品解剖統(tǒng)計也發(fā)現(xiàn) ，氣泡基本集中在心子直徑的3/4圈數(shù)以外部分和心子長度的中間附近位置，沒有發(fā)現(xiàn)居集在芯棒附近或噴金層兩端，因為越靠近心子中間，薄膜層間的壓強越大，靠近噴金部位空氣相對容易排出，均難以形成氣泡。3.2 氣泡與溫度關(guān)系氣泡生成的大小、多少與薄膜材料和卷繞工藝有關(guān) ，與心子中殘留的氣體多少有關(guān)，也與熱定型溫度有關(guān)。卷繞與熱定型二者溫度相差越大越容易產(chǎn)生氣泡，心子層間壓強越小，殘留氣體越多生成氣泡就會越多、越大。硬性卷繞的圓形心子是噴金后進行熱定型，噴金層已經(jīng)將兩端面牢牢堵死，通過真空熱定型能將心子內(nèi)部空氣抽光，也只見介紹報道未見有令人信服的證據(jù) 。
熱定型工序結(jié)束后，隨著溫度下降氣泡內(nèi)氣體體積或壓強也隨之減少 ，溫度下降到常溫后，已聚集成氣泡的微量氣體不可能再恢復到原先分散狀態(tài).薄膜在氣泡膨脹時已拉伸變形 ，此時也無法恢復到原先平整狀態(tài) ，這就為薄膜振動創(chuàng)造了條件。如果不進行心子定型加熱工序 ，分散的氣體不會聚集形成不了氣泡 ，所以說是熱定型工序產(chǎn)生了氣泡。
3.3 溫度與噪聲關(guān)系噪聲是薄膜在電場力作用下振動引起 ，薄膜能否振動是由氣泡處膜的張力決定 ，膜的張力就是氣泡內(nèi)的壓強，壓強大小取決于溫度。
當溫度較高時，氣泡內(nèi)部壓強較高 ，薄膜有一定的張力，很難激發(fā)振動。當溫度較低時 ，氣泡內(nèi)氣體收縮，氣泡處膜缺乏張力，在交流電場力作用下容易觸發(fā)振動。我們曾對有明顯噪聲產(chǎn)品在不同溫度下進行人工噪聲測聽，測試產(chǎn)品型號CBB65型 ，規(guī)格450VAC，60μF ,內(nèi)部灌注植物油，外殼尺寸Φ55x130mm,樣品數(shù)8只，樣品心子卷繞時溫度28℃，熱定型溫度100℃，6h,測試施加電壓450V。不同溫度下測試的噪聲情況見表7。
表7 測試溫度不同時噪聲狀況對比
噪聲的大小和發(fā)生的概率與施加的電樂有關(guān) ，也與卷繞時的環(huán)境溫度與噪聲測試時產(chǎn)品溫度有關(guān) ，二者溫差越大氣泡越鼓脹 ，薄膜振動能力就越差，噪聲就越小或激發(fā)噪聲的起始電壓就越高 ，所以在產(chǎn)品加熱后或在環(huán)境溫度較高時測試的噪聲就會變小甚至消失，大噪聲的發(fā)生概率也會降低 ，這應(yīng)該是“氣泡噪聲”的基本特性 。
在同樣的材料、工藝生產(chǎn)的同一批產(chǎn)品中 ，我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有氣泡的產(chǎn)品施加400-500V就會觸發(fā)噪聲，而對于沒有氣泡的產(chǎn)品即使施加1000V電壓也不會有噪聲產(chǎn)生 ，這也說明了噪聲問題的復雜性 。要在高的熱定型溫度處理下，通過其他工藝參數(shù)的調(diào)整能改善噪聲狀況 ，但要杜絕噪聲的產(chǎn)生
將十分困難 ，甚至是不可能實現(xiàn)。
4 結(jié)語根據(jù)解剖發(fā)現(xiàn)的氣泡以及提出的“氣泡噪聲”理論與金屬化薄膜電容器長期生產(chǎn)實踐和試驗歸納出來的噪聲現(xiàn)象特點完全吻合 。
1) 高的熱定型溫度使薄膜層間微量空氣發(fā)生膨脹 ，在空氣較多、壓強較低的薄膜層間聚集成氣泡 。如果卷繞環(huán)境與熱定型時的溫差越大或薄膜層間壓強越小 ，就越容易產(chǎn)生氣泡，反之亦然 。
2) 噪聲測試時的產(chǎn)品溫度與熱定型溫度的溫差越大 ，氣泡處膜的張力越小 ，激發(fā)噪聲起始電壓就越低 ，噪聲也越大，反之亦然 。
3) 通過材料 、工藝改進甚至采用真空熱定型處理，X疑能改善噪聲狀況 ，但在大批量生產(chǎn)中出現(xiàn)“氣泡噪聲”現(xiàn)象仍不可避免 。
4) 不經(jīng)過熱定型的硬芯卷繞電容器在交流電壓下是不會產(chǎn)生噪聲，但熱定型工序是生產(chǎn)高質(zhì)量 、長壽命金屬化薄膜電容器不可缺少的重要關(guān)鍵工序 ，通常熱定型溫度（也稱熱聚合溫度）在90-100℃采用高溫膜的甚至高達120℃，這一矛盾已成為噪聲無法徹底解決的根本原因 。
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為電容器薄膜介電常數(shù)；
C)和損耗角正切增量
