浅谈金属化有机薄膜电容器的自愈问题

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浅谈金属化有机薄膜电容器的自愈问题
    有机金属化薄膜电容器最大的好处就是它具有自愈能力，因此这类电容器成为当前发展最快的电容器之一。
金属化有机薄膜电容器的自愈有两种不同的机理：一种是放电自愈；另一种是电化学自愈。前者发生在电压较高下，所以也简称为高压自愈；因为后者在电压很低的情况下也出现，所以常简称为低压自愈。
1、放电自愈
为了说明放电自愈的机理，假设在两个金属化电极间的有机薄膜中某处有一疵点，其电阻为R。按疵点的性质，它可能是金属性疵点，也可能是半导体或劣质绝缘性疵点。显然，当疵点是前一种时，在低电压下，电容器就已经发生放电自愈。而只有在后一种疵点情况下，才出现所谓高压放电自愈。
放电自愈的过程是，在金属化有机薄膜电容器上施加电压V后，立刻有欧姆电流I=V/R通过疵点。因此流经金属化电极的电流密度J=V/Rπr2，即是在金属化电极内，离疵点越近的区域（即r越小），其电流密度越大。由于疵点功耗W=(V2/R)r引起的焦尔热，是半导体性或绝缘性疵点的电阻R成指数性下降。因此电流I和功耗W又迅速增大，结果在金属化电极离疵点很近的区域中，电流密度J1= J=V/πr12急剧上升到其焦尔热能将该区金属化层的熔化，引起电极间在此处飞弧，电弧很快蒸发和抛散掉该处熔融金属，形成无金属层的绝缘隔离区，电弧熄灭，实现自愈，为了表明自愈后果前后的情景，引图1（a）和（b）。

由于在放电自愈过程中产生的焦尔热和电弧，疵点周围的介质和绝缘隔离区的介质表面难免受到热损伤和电破坏，因而发生化学分解、气化和碳化，甚至发生机械性损伤。
从上述看出，为实现完美的放电自愈，要保证疵点周围有一个合适的局部环境，因此需要优化金属化有机薄膜电容器的设计，以便达到疵点周围介质合理、金属化层厚薄适当，周围是密封性环境、芯子电压和容量合适。所谓完美的放电自愈是：自愈时间很短、自愈能量较小，对疵点隔离优良，没有损伤到周围介质。
为了实现良好的自愈，有机薄膜的分子中应该含有碳氢原子数比值较低，并且含有适量的氧，以便在自愈放电中薄膜分子发生分解时，不产生碳，不发生碳的沉积，以免形成新的导电路径，而是产生CO2、CO、CH4、C2H2等气体，使气体急速升高而熄灭电弧。为了防止这种薄膜由自愈放电而造成的损伤，又充分利用薄膜的介电性能，目前华裕薄膜电容通常采用双面金属化聚酯薄膜和聚丙烯薄膜配合使用。
为了保证在自愈时，疵点周围介质不受损伤，自愈能量不能过大；但是能量也不能太小，以便清除疵点周围的金属化层，形成绝缘（高阻）区，将疵点隔离，达到自愈。显然，所需要的自愈能量与金属化层的金属、厚度、环境等密切有关。因此，为了减少自愈能量，实现良好自愈，用低熔点金属对有机薄膜实行金属化。此外，金属化层不能厚薄不均，特别要避免划伤，否则，绝缘隔离区将成为枝状，达不到良好的自愈。华裕电容均采用正规的薄膜，同时严格来料检验管理，将疵点薄膜堵在门外，使电容薄膜的质量有充分的保障。
2、电化学自愈
铝金属化有机薄膜电容器在低压下，常出现这种自愈。这种自愈的机理如下：若在金属化有机薄膜电容器的介质薄膜中有一疵点，在电容器上加上电压以后（即使电压很低），通过疵点将有较大的漏电流（见图2），

表现为电容器的绝缘电阻远低于技术条件中的规定值。显然，在漏电流中含有离子电流，也可能含有电子电流。因为各种有机薄膜都有一定的吸水率（0.01%~0.4%），且在电容器制造、储存和使用过程中，电容器可能受潮，所以在离子电流中会有相当一部分是因水被电解而产生的O2-离子和H-离子电流。O2-离子到达AL金属化阳极以后，与AL结合形成AL2O3。随着时间的增长，逐渐形成AL2O3绝缘层将疵点覆盖和隔离，从而电容器绝缘电阻大为提高，达到自愈。
金属化有机薄膜电容器要完成自愈，需要一定的能量，这是显而易见的。其能量有两个来源，一个是来自电源，另一个是来自疵点部分金属的氧化和氮化放热反应，对自愈所需要的能量常称为自愈能量。
4、自愈的利弊
金属化有机薄膜电容器的最大特点是具有自愈能力，因此自愈所带来的好处是主要的，但是，它也有不利之处，其中最大的害处就是自愈时造成电流脉冲，给电路带来信号干扰，降低电路的重要性能——信噪比。所以对于一些要求特别高的电路，如高保真音响电路、高精度通信电路等，不能让有机薄膜电容器在工作时发生自愈。
自愈的另一害处，是使用电容器的容量逐渐减少。若电容量在工作时，自愈次数很多，就会导致其容量和绝缘电阻显著变小、损耗角大幅度上升，使电容器很快失效。
金属化有机薄膜电容器在电压作用下，其脉冲（自愈）放电次数与时间的关系有如图3所示的规律。


不言而喻、图3中的具体情况取决于有机薄膜品种、质量、厚度和层数、金属化电极、以及电容器的制造工艺水平。