高压电容器中的深紫外辐射和表面电导率

高压电容器中的深紫外辐射和表面电导率

抽象

波长分别为 193 nm、248 nm 和 351 nm 的准分子光会透过观察孔泄漏并散射到电源的绝缘层上。这些光子会产生电子-空穴对，由此产生的表面电流会形成回路，最终导致碳痕和闪络。本文将介绍光电导率的计算方法、该回路的形成、四种失效模式，以及能够防止此类失效的材料和几何形状选择。

1. 引言

准分子激光器发射波长为 193 纳米、248 纳米或 351 纳米的深紫外光。辐射通过观察窗离开腔体，从光学元件散射，并从机械部件反射。

一部分光线会落在电源的绝缘层上。封装材料、电缆护套、连接器外壳、电路板基板和支架都会吸收这些光线。

193纳米波长的深紫外光子携带6.4电子伏的能量，而大多数有机聚合物在3电子伏到5电子伏的能量下会发生断裂。每个被吸收的光子都会产生一个电子和一个空穴，因此表面会导电。

本文涵盖了生成算法、后续的跟踪回路、四种故障模式，以及保持表面绝缘的材料和爬电选择。

2. 核心机制

2.1 深紫外光下的载流子生成

被吸收的光子以由吸收系数和光子通量决定的速率产生电子-空穴对：

G = α × Φ × λ / (h × c)

其中 G 为单位体积的生成率，α 为吸收系数，Φ 为光子通量，λ 为波长，h 为普朗克常数，c 为光速。

聚合物在 193 nm 波长处的吸收率为 10⁴ 至 10⁵ cm⁻¹。在 10 mW/cm² 的光通量下，产生速率达到每立方厘米每秒约 10²⁰ 对。

2.2 稳态载流子和电导率

载流子形成和重组的速度一样快，因此稳态浓度与寿命成正比：

n = G × τ

其中 n 为载流子浓度，G 为产生率，τ 为载流子寿命，在聚合物中，其范围为 10⁻⁶ s 至 10⁻³ s。

载流子寿命为 10⁻⁴ 秒时，每立方厘米的载流子浓度为 10¹⁶。电导率则取决于载流子浓度、电荷量和迁移率：

σ = n × e × μ

其中 σ 为表面电导率，n 为载流子浓度，e 为电子电荷，μ 为载流子迁移率，在这些材料中接近 10⁻³ cm²/(V·s)。

结果约为 1.6 × 10⁻⁶ S/cm，是同种聚合物暗电导率的 10⁶ 至 10⁸ 倍。薄层电阻是该值的倒数：

R_s = 1 / σ

其中 R_s 为薄层电阻，σ 为表面电导率。在黑暗条件下，其值为 10¹⁴ Ω/sq，而在深紫外光照射下，其值为 10⁶ 至 10⁼ Ω/sq。

2.3 跟踪回路

漏电流加热表面，热量分解聚合物，分解产物为碳。碳导电，因此电流集中在一个更窄的通道中，导致通道进一步升温。当碳路径跨越电极间隙时，回路闭合，表面发生闪络。

在10 mW/cm²和10 kV/cm的条件下，回路在易损材料上会在100到1,000小时内发生闪络。材料的键合能决定了设计值在该范围内的具体位置。

2.4 几何形状和泄漏路径

爬行距离决定了表面的平均场强：

E_avg = V / L_creep

其中 E_avg 为平均爬电梯度，V 为工作电压，L_creep 为沿表面的爬电距离。

在 30 kV 电压下，设计需要 50 mm 以上的爬电距离，即电压梯度超过 600 V/mm。此时，漏电流与表面电阻成正比：

I_leak = V / R_s

其中 I_leak 为漏电流，V 为施加电压，R_s 为薄层电阻。薄层电阻从 10¹⁴ Ω/sq 降至 10⁶ Ω/sq 会使电流增大八个数量级，100 µA 的读数已经是一个跟踪表面了。

图 1 — 在 10 mW/cm² 和 10 kV/cm 的条件下，环氧树脂在 100 至 500 小时内发生腐蚀，而氧化铝基体在 10,000 小时后仍能保持其暗表面电阻。

3. 工程痛点

痛点 1：电容器封装材料上的闪络

环氧树脂封装的电容器在深紫外光照射下表面电阻降低，漏电从高压端流向接地外壳。500至1,000小时后出现碳痕，并最终桥接了漏电点。

闪络被判定为电容器故障，并导致相邻部件受损。封装表面上的线路记录了实际故障信息。

痛点二：板级跟踪会改变触发阈值

一块FR-4电路板上的高压走线出现了表面漏电。信号完整性下降，触发阈值发生偏移，控制回路对虚假信号做出响应。

电路板在运行500至2,000小时之间彻底失效，需要更换。在此之前数周，就已经报告了间歇性控制故障。

痛点三：连接器绝缘体导电

环氧树脂和PBT连接器绝缘体存在触点间漏电，导致触点腐蚀和间歇性连接中断。电源会随机断电。

由于怀疑质量问题，连接器更换了两次。泄漏路径位于绝缘体表面，每次更换新部件后泄漏问题依然存在。

痛点 4：导致接地故障触发的跟踪距离过近

一根尼龙和环氧树脂制成的支架，其上带有高压端子，在 500 至 1,500 小时内与接地的机箱接触。过电流保护装置切断了电源。

绝缘设计被列为嫌疑对象。支架表面上的碳痕显示了电流的实际流向。

痛点5：无法测量漏电流

电源测量了电池组电压和脉冲能量，但地面上没有任何反馈。地面泄漏持续数千小时，但没有任何数据记录。

每个接地连接点上的电流传感器会将该电流转化为具有阈值的趋势图。当电流达到 100 µA 时，表面已经开始跟踪。

4. 设计步骤

策略一：在所有裸露节点处使用无机绝缘材料

用氧化铝 (Al₂O₃) 或氧化锆 (ZrO₂) 代替有机封装材料，它们的键能高于 5 eV，不会将深紫外光吸收到移动载体中。介电强度应高于 20 kV/mm。

绝大部分储备使用 N4700 采用陶瓷本体和陶瓷封装的部件。陶瓷表面保持其暗电阻，而不是像其他部件那样下降八个数量级。

策略二：采用氟聚合物电缆绝缘材料

选择 PTFE、PFA 或 ETFE 绝缘材料，这些材料在相同暴露条件下可保持 1,000 至 5,000 小时的耐久性，并且壁厚应大于 1 毫米。避免将 PVC、聚乙烯和环氧树脂绝缘电缆置于深紫外线暴露区域。

通过在 100 mW/cm² 的光照强度下进行 1,000 小时的测试来验证选择，该光照强度高于安装强度。更高的光照强度可以在更短的时间内达到相同的性能退化程度。

策略三：掩盖无法替代之物

在必须留在封闭空间内的有机表面上，涂覆厚度超过 50 µm 的溶胶-凝胶法二氧化硅或氧化铝涂层。该涂层可阻挡光子到达其下方聚合物的路径。

暴露试验后需验证涂层附着力，因为涂层脱落后会露出裸露的聚合物表面，其失效模式与试验前相同。HVC 供应 HVRGHP 零件和 厚膜电阻 因此，机身采用了耐紫外线涂层。

策略 4：设置工作电压爬电距离

在 30 kV 电压下保持爬电距离在 50 mm 以上（即梯度超过 600 V/mm），并使用带肋或伞形轮廓来增加有效路径，而不会增加占地面积。

然后，在 1.5 倍工作电压下进行局部放电测试，以验证设计。通过直流耐受测试的爬电性能在深紫外和表面电流下仍能保持良好。

策略五：保护供应并监测泄漏

在激光头和高压元件之间放置金属板或 DUV 吸收玻璃，并在外壳上使用迷宫式密封，以防止通风打开光路。

通过对机箱内部进行辐射测量来确认屏蔽效果。然后记录每个接地回路的泄漏电流，并设置 100 µA 报警阈值，并保持 HVCT8G, 快速恢复二极管 和 村田 同一时间表上的螺钉式位置。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	500V直流电压下电阻大于10GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 用于准分子功率级的HVC DUV抗紫外线电容器

该节点的选择主要基于三个要求：表面不导电、接头在相同光照条件下保持牢固，以及在暴露条件下保持电气稳定性。HVC 在东莞拥有一座 6,000 平方米的自有工厂，生产用于该系列产品的 N4700 部件，电压范围从 1 kV 到 150 kV。

这里需要考虑的六个参数

• 采用氧化铝本体、银钯电极和玻璃密封件的全无机结构，因此深紫外光子找不到可以破坏的聚合物键。
• 陶瓷金属钎焊密封件在相同的暴露条件下可保持密封性超过 10,000 小时，而有机封装材料在此之前就会开裂。
• 在深紫外光照射下，表面电阻保持在 10¹⁴ Ω/sq 以上，从而从一开始就防止了泄漏路径的形成。
• tanδ 低于 0.1% 且 PD 低于 5 pC 可使内部加热量保持较小，因此表面不会一开始就很热，然后跟踪速度更快。
• 爬电几何尺寸大于 50 毫米，适用于 30 kV 操作，因此闪络裕量位于封装本身，涂层只是起到辅助作用。
• 在深紫外光源现场服务领域，HVC产品可直接替代一线品牌产品，并被激光OEM厂商指定用于新型平台。HVC产品的电气参数和封装尺寸与村田螺钉式高压电容器完全匹配。

交付和支持

标准件发货周期为 4-8 周，DUV 认证组件发货周期为 6-10 周。HVC 应用工程团队提供 DUV 电阻测试、绝缘材料选择、爬电距离设计审查和屏蔽验证等支持。

请提供波长、元件处的强度、工作电压和爬电距离等数据。HVC 将在五个工作日内回复您一份包含零件编号、测试数据和两件样品评估套件的材料和爬电距离表。

6. 常见问题

Q1：为什么深紫外光能使绝缘表面导电？

因为光子携带的能量比聚合物键能承受的能量要高。一个 193 nm 的光子携带 6.4 eV 的能量，而环氧树脂键在 3 eV 到 5 eV 时就会断裂。每个被吸收的光子都会产生一个电子和一个空穴，表面电阻从 10¹⁴ Ω/sq 下降到 10⁶ 到 10⁼ Ω/sq。

Q2：表面闪蚀需要多长时间？

在 10 mW/cm² 和 10 kV/cm 的条件下，环氧树脂和聚酰亚胺板在 100 至 500 小时内出现短路，FR-4 板在 500 至 2,000 小时内失效，PTFE 和 PFA 板可保持 1,000 至 5,000 小时，而氧化铝板在超过 10,000 小时后仍未出现短路。

Q3：30 kV 电压需要多大的爬电距离？

超过 50 毫米时，电压梯度超过 600 V/mm。使用带肋或伞状截面的型材来增加路径长度而不增加占地面积，并通过 1.5 倍工作电压的局部放电测试进行验证。仅进行直流耐受测试无法显示漏电裕度。

问题4：为什么氟是造成这个问题的原因之一？

因为它会阻止表面恢复。深紫外光会破坏化学键，而氟会攻击这些断裂的位点，而不是让它们重新形成，因此损伤会不断累积。与单独使用深紫外光相比，深紫外光结合氟和热能可将闪络时间缩短 10 倍至 100 倍。

Q5：如何监测泄漏电流？

在每个高压元件的接地端连接一个电流传感器，并记录每个班次的数据。当电流达到 100 µA 时发出警报，这表明表面已出现跟踪现象。电容和 ESR 值在容差范围内，但表面仍在恶化，因此漏电是最早出现的迹象。

Q6：涂层可以代替无机基体吗？

仅当光子路径无法以其他方式封闭时才需要这样做。厚度大于 50 µm 的溶胶-凝胶法制备的二氧化硅或氧化铝涂层可以阻挡深紫外光，但必须能够经受热循环而不脱落。曝光结束后需测试涂层附着力，因为涂层脱落后会留下裸露的聚合物表面。

7。 参考

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11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com