薄膜电容赋能仪的研制

任蓉莉，荆 萌，张国勇

(1.中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024）2.山西省气象局山西太原 030002)

电容器是一种使用面广，用量大且不可替代的电子元件，广泛应用于家用电器、显示器、照明电器、通讯产品、电源及仪器、仪表等电子设备中。而薄膜电容因其具有优良的特性，如容值稳定，耐压性能好，绝缘电阻高，频率响应宽、介质损失小等，近年来需求激增。

结合我国各类薄膜电容器的进出口情况可以看出，小型化、片式化是有机薄膜电容器的发展趋势。叠片式金属化有机薄膜电容器具有抗高频脉冲、抗大电流能力、工艺流程短、制造成本低、价格竞争力强等突出优点，广泛应用于各种场合。

叠片式薄膜电容器的主要生产流程为：镀膜、分切、卷绕、热压、喷金、开边、切片、赋能、焊接、封装、分选、编带等。其中，赋能是叠层薄膜电容器生产中必需的一道工序，赋能的好坏直接关系到电容器的品质，进而影响到设备的成品率。

1 仪器开发

1.1 仪器开发背景

薄膜电容行业已发展多年，我国目前既不是薄膜电容器的生产大国，也不是生产强国。日本、德国、意大利目前是叠片式薄膜电容器的主要生产国和出口国，其中日本产品的产量和质量在世界上处于领先地位。

由于我国薄膜电容叠层工艺生产线基本上是全套引进，因而主要的关键设备完全依赖进口，国产设备大都用于一些辅助工序。由于缺乏先进装备的支持，国内电容企业一直处于竞争劣势。伴随着国内外对薄膜电容器需求的不断增长，与电容器相关的先进生产设备的研发成为首要任务。

基于此，我们开发了薄膜电容赋能仪，它提供了一个调幅的正弦波为电容赋能，它的频率高、功率大，可以为电容器提供更高效的能量。

1.2 赋能机理

金属化有机薄膜电容器用的介质材料大多是在普通聚酯或聚丙烯类薄膜上通过高温蒸发镀上一层铝金属化薄膜制定，其特点是具有自我复原作用，即当有机薄膜的缺陷处被击穿时，极板间产生短路放电电流而使被击穿部位周围的金属层熔化并蒸发，从而恢复极板间介质的绝缘性能，提高工作场强，保证电容器的继续使用。

如图1所示，若薄膜中的缺陷(例如导电与半导电杂质)在赋能时造成薄膜的局部击穿，会产生适度放电，使击穿处的局部温度突然升高并产生压力，导致缺陷处的薄膜介质烧穿和缺陷周围的金属化层熔化并被蒸发，致使缺陷处的薄膜介质的绝缘性能恢复，从而使整个金属化薄膜介质的绝缘性能恢复。

图1 赋能过程示意图

在电容器的制造工艺过程中，将存在于薄膜介质中的导电与半导电杂质“清洁”掉，可以避免薄膜电容器在赋能时的多层击穿现象，从而保证电容器的质量，进一步增加薄膜电容器的绝缘电阻。

1.3 仪器原理

薄膜电容赋能仪的基本工作原理如图2所示。正弦波发生器以及控制电路产生一个幅度受控制的正弦波送到功率放大器，功率放大器把这个调幅波不失真地放大到具体所需电压值，输送到变压器初级，由变压器转换到需要的电压提供给等待赋能的电容。

图2 仪器原理框图

2 结构设计

2.1 整机结构框图

如图3所示，正弦波发生器电路由集成电路8038以及外围电路组成。波形调制电路采用乘法器电路，由集成电路AD633以及外围电路组成。幅度放大采用特制的变压器。

正弦波发生器8038的8脚为调频电压输入端，通过电位器以及频率选择开关调节赋能频率(从0.1 kHz到2.0 kHz)，实际生产中比较常用的是0.5 kHz这个赋能频率。调制后的正弦波通过功率放大器放大到具体所需要的峰值电压,输送到变压器的初级，由变压器转换到需要的电压(电压分四档控制)。赋能电压最终被加到设备的赋能工位为电容赋能。

此外，我们还设计了通过对赋能电流采样，对采样电流的最小值进行分档比较，把最终的比较值输出到PLC，进一步完成了设备对空片和赋能不良产品的检测。

图3 整机结构框图

2.2 正弦波发生器

薄膜电容赋能仪正弦波发生器采用了集成电路ICL8038以及外围电路。ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为：可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形。

它的原理框图如图4所示，外接电容C由两个恒流源充电和放电，电压比较器A、B的阀值分别为电源电压(指UCC＋UEE)的2/3和1/3。恒流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，但必须I2＞I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I1给C充电，I2断开，此时，电容两端的电压随时间线性上升，当电容两端的电压达到电源电压的2/3时，电压比较器A的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，此时，恒流源I2接通，电容两端的电压开始直线下降，当它下降到电源电压的1/3时，电压比较器B的输出电压发生跳变，使触发器的输出由高电平跳变为原来的低电平。如此周而复始，产生振荡。

ICL8038管脚功能见图5。

图4 ICL8038原理框图

图5 ICL8038管脚功能

当I2＝2I1时，触发器输出为方波，经反相缓冲器由管脚⑨输出方波信号。当电容两端的电压上升与下降时间相等时，为三角波，经电压跟随器从管脚③输出三角波信号。将三角波变成正弦波是经过一个非线性的变换网络(正弦波变换器)而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波电位向两端顶点摆动时，网络提供的交流通路阻抗会减小，这样就使三角波的两端变为平滑的正弦波，从管脚②输出。

本方案是产生和输出正弦波，通过改变外接电阻、电容值，使输出信号的频率范围为0.1 kHz～2.0 kHz，正弦信号输出失真度为1%。此外，改变8038的调制电压，可以实现数控调节。ICL8038采用DIP-14PIN封装。

经过试验验证，用集成电路ICL8038及其外围电路构成正弦波发生器，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都能满足要求。

2.3 波形调制

薄膜电容赋能仪波形调制电路采用了模拟乘法器电路，由AD633及外围电路构成。

模拟乘法器是对两个模拟信号(电压或电流)实现相乘功能的有源非线性器件。主要功能是实现两个互不相关信号相乘，输出信号与两输入信号的乘积成正比。AD633是一种典型的模拟乘法器。如图6所示，它有两个输入端口，即X和Y输入端口。其中输出端：

可以根据客户的具体要求去调节波形的上升时间和赋能时间。

图6 AD633功能框图

3 结束语

赋能是薄膜电容切片机生产工艺中必不可少的一道工序，直接关系到产品的数量和质量，对于提高设备的生产效率发挥着至关重要的作用。赋能仪的开发使用，生产出的电容质量，赋能后与赋能前相比，容量更加稳定，损耗更小，质量更加有保证。

[1] 翟光亚.国产分切机的赋能设计与设备改造[J].电子元件与材料,2001,(20)3:5-6.

[2] 于凌宇,翟光亚.金属化薄膜电容器赋能机理分析与新型分切赋能装置的研制[J].电子质量,2001(5):11-12.