激光打标机中高压封装的紫外线老化

激光打标机中高压封装的紫外线老化

抽象

波长为 355 纳米的紫外激光可用于标记塑料、玻璃和陶瓷，同一束光束也会照射到标记头内部和电源舱。聚合物封装层在其最外层吸收该光，导致其脆​​化、开裂，最终碳化形成一条在 20 至 40 千伏表面上的追踪路径。本文量化了光子能量、吸收深度和追踪能量，并针对每天运行紫外光的设备提出了六项保护措施。

1. 引言

紫外标记在激光业务中占据越来越大的份额。波长为355纳米的激光器可以在塑料、玻璃和陶瓷上进行标记，产生红外光源无法实现的化学光对比度。

同样的短波长光也会照射到机器上。散射和反射的紫外线强度为 1 至 50 mW/cm²，照射到标记头、电缆管道和电源舱，因此该路径上的每个聚合物都会持续受到该强度的照射。

该套件包括高压电容器的环氧树脂封装、20 至 40 kV Q 开关电缆的绝缘套管、塑料支架和驱动板上的保形涂层。

紫外线老化难以控制的原因有两个。首先，紫外线老化在早期不易察觉，因为部件表面会逐渐老化，而内部结构却依然完好。其次，机器自身的运行环境也会加剧紫外线照射：户外作业的机器外部会暴露在阳光紫外线、雨水和污染物中，而室内作业的机器内部也会受到紫外线照射。

两种暴露路径都要求相同的应对措施：绝缘材料不仅要具备电气强度，还要具备抗紫外线性能。本文第 2 节阐述了相关物理原理，第 3 节介绍了四种现场失效路径，第 4 节介绍了六项保护措施。

2. 核心机制

2.1 光子能量与键能的关系

当光子携带的能量超过它所撞击的化学键的能量时，光降解反应就会发生：

E_photon = h × c / λ = 1240 eV·nm / λ

其中 E_photon 为光子能量，h 为普朗克常数，c 为光速，λ 为波长。

波长为 355 nm 的光子携带 3.49 eV 的能量。这超过了 3.4 eV 的 C-Cl 键、3.0 eV 的 CN 键和 1.5 eV 的过氧化物 OO 键，并且刚好低于 3.6 eV 的 CC 键和 4.3 eV 的 CH 键。

因此，降解从薄弱环节和发色团开始，然后自由基级联反应到达主链：

R–R' + hν → R• + R'•

其中 RR' 代表聚合物链，hν 代表吸收的光子，R• 和 R'• 代表残留的自由基。氧气随后将这些自由基转化为过氧自由基，氧化反应链继续进行。

环氧树脂和硅酮的化学结构中既有弱键也有强键，因此355纳米波长的光照射会在数月内使其降解。而能量为4.9电子伏的254纳米准分子激光则会直接破坏C-C键，这就是为什么该波长能更快地破坏聚合物的原因。

2.2 损伤位于外层

裂解速率与吸收剂量成正比：

Rate_scission = Φ × I_UV × σ_abs

其中，Rate_scission 是单位时间内链断裂的次数，Φ 是每吸收光子断裂的量子产率，I_UV 是紫外辐照度，σ_abs 是聚合物的吸收截面。

由于强度会随着材料厚度的增加而衰减，因此损伤主要集中在表面附近：

I(z) = I₀ × exp(−α × z)

其中 I(z) 为深度 z 处的强度，I₀ 为表面强度，α 为封装的吸收系数。

负载紫外线吸收剂的环氧树脂的吸收系数α达到10⁴ m⁻¹，相当于100 µm的渗透深度。在该值下，63%的吸收能量沉积在距表面0.1 mm的范围内。表面侵蚀和微裂纹的出现早于任何体相测量结果的改变数年。

2.3 从表面侵蚀到跟踪通道

链断裂会使表面脆化，热循环则会在其上产生微裂纹。40 kV封装上的裂纹比周围表面具有更高的电场强度，因此泄漏电流会集中在裂纹尖端。

泄漏电流沉积在轨道上的能量会使聚合物碳化：

E_track = I_leakage² × R_track × t

其中 E_track 是轨道中耗散的能量，I_leakage 是通过轨道的漏电流，R_track 是碳化路径的电阻，t 是电流流动的时间。

在 10 MΩ 的导电轨道上施加 50 µA 的电流时，功耗为 25 mW，所有能量都落在不到 10 mm³ 的环氧树脂中。碳化后的导电轨道具有半导体特性，因此可以缩短有效爬电距离，提高局部电场强度，并且每次放电都会增强局部电场强度，直至表面发生闪络。

2.4 陶瓷块体不参与

N4700 I 类介电材料是一种钛酸锶陶瓷，其损耗角正切值 (tanδ) 低于或等于 0.1%，温度系数为 ±30 ppm/°C，不含聚合物主链。紫外光子能够穿过或被吸收而不会破坏其化学键，因此该部件在紫外光照射下，电压范围为 1 kV 至 100 kV，性能保持不变。

封装聚合物是紫外线敏感元件。因此，封装材料的化学性质及其认证数据决定了紫外线消毒设备中电容器的使用寿命。

图 1 — 当吸收深度为 100 µm 时，紫外线剂量在 100 µm 处下降到表面值的 37%，因此脆化和跟踪都从该层开始。

3. 工程痛点

痛点一：封装脆化，看起来像热裂纹

在60%占空比下进行8,000小时的紫外线照射后，Q开关驱动电容器上的环氧树脂在放大镜下呈现出微裂纹网络。裂纹的产生被归咎于热循环，而导致表面层脆化的链断裂却未被察觉。

开裂的表面会渗入水分和灰尘，因此从那时起，其他所有老化机制都会加速发展。

痛点二：在20至40千伏电压下，于腐蚀表面上进行跟踪

在持续20至40千伏电压下，腐蚀且易碳化的表面会在端子之间形成跟踪通道。其顺序始终相同：首先是泄漏电流上升，其次是跟踪尖端开始出现局部放电，最后是闪络导致驱动级损坏。

机器记录了一次突发故障，而导致故障的跟踪工作却花了一年时间才完成。

痛点3：电缆和支架绝缘层机械强度下降

散射的紫外线会使高压电缆套管和塑料支架硬化，直至开裂并脱落碎片。移位的支架会改变与相邻导体的间隙，从而引发电晕放电；而开裂的套管则会使导体暴露于电场中。机械故障最终会演变为电气故障。

痛点4：户外机器承载两份紫外线照射载荷

户外机器除了要承受内部355纳米波长紫外线的照射外，还要面对315至400纳米波长范围内的太阳紫外线，以及雨水和工业污染物的侵蚀。夏季，机器外部表面温度比环境温度高出25摄氏度，高温会加剧紫外线造成的损伤。

室外机退回的机组表面老化程度是室内机的 3 到 5 倍。

这些机器通过了出厂测试，但测试中从未包含紫外线照射，因此现场出现的泄漏和闪络现象无法解释。

4. 设计步骤

策略 1：为高压部件指定紫外线稳定封装

选择添加了紫外线吸收剂和受阻胺类光稳定剂的封装材料，并要求提供资质数据而非声明。合理的验收标准是：经1,000小时UV-A照射后，拉伸强度损失小于10%。HVC 瓷片电容器 使用专为应对该环境条件而配制和测试的高密度环氧树脂。

策略二：增加牺牲层厚度和爬电距离

如果无法消除紫外线照射，则应将爬电路径延长 30% 至 50%，并预留额外的表面厚度以应对侵蚀。对于 0.1 毫米的损伤深度，带肋表面在表层侵蚀后仍能保持所需的爬电距离，这是部件能否修复的关键所在。

策略三：屏蔽反应室，避免散射工艺紫外线照射。

在标记头和电源舱之间安装紫外线吸收窗口或3毫米厚的挡板，并在高压电缆上使用紫外线吸收套管。在系统层面阻挡光子可以倍增每项材料改进的效果，因为从未到达的剂量不会导致任何材料损坏。

策略四：用紫外线惰性陶瓷替代聚合物硬件

在暴露程度严重的情况下，应使用陶瓷支架和陶瓷体电容器，而不是聚合物部件。 门把手电容 陶瓷体中的聚合物路径与间隙堆叠层分离，并且是一个标准 薄膜电容器 不，因为它的外壳是聚合物。

策略五：追踪泄漏和PD趋势

每次维护时，都要记录高压级泄漏电流和局部放电水平。上升趋势是表面侵蚀最早的现场迹象，通常在闪络发生前数月出现。应根据上升趋势安排更换，而不是等到故障发生才进行更换。

舞台承载着 分级电阻器 链条或 快速恢复二极管在同一次就诊中检查这些表面，因为它们在相同的剂量下老化。

策略 6：采用紫外线和偏压联合测试进行资格认证

在额定电压下进行 1,000 小时的 UV-A 照射，每 250 小时测量一次漏电和局部放电水平。当局部放电水平保持在 5 pC 以下且漏电水平保持在基线值的两倍以下时，即可验收该部件。该组合是机器实际施加的测试条件，而单次应力测试会使那些在实际使用中失效的部件通过。

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. 用于紫外线照射高压级的HVC电容器

HVC从两个方面解决了紫外线照射问题：一是采用不会断裂的无机材料，二是采用符合紫外线照射要求的包装系统。该公司在东莞拥有一座6,000平方米的自有工厂，生产电压范围从1千伏到100千伏的产品。

这里需要考虑的六个参数

• 耐紫外线块体材料。钛酸锶陶瓷不含聚合物骨架，因此其电容、损耗和耐受性在紫外线照射下均能保持稳定。
• 合格的封装。采用添加紫外线稳定剂的高密度环氧树脂配制而成，经UV-A照射测试，即使在散射工艺紫外线和太阳紫外线照射下，也能保持爬电表面的完整性。
• 扩展蠕变几何形状。肋状表面比光滑表面多30%至50%的蠕变长度，即使外层被侵蚀，也能满足要求。
• 在额定电压下，PD 低于 5 pC，经过紫外线和偏置调节后再次验证，证明表面没有初始跟踪路径。
• 电压范围从 1 kV 到 100 kV，因此 Q 开关、Pockels 盒和直流链路级共享一个 UV 合格的封装规范。
• 久经考验的替代产品。40 kV / 441 系列 村田-等效的螺钉式单元是光刻光源现场维修计划中合格的直接替换件，DUV 开发人员现在在新光源中指定使用 HVC 部件。

交付和支持

标准件发货周期为 4 至 8 周，经紫外线认证并附带测试报告的组件发货周期为 6 至 10 周。HVC 应用工程团队提供封装选择、屏蔽布局和老化分析方面的支持。请提供波长、部件处的辐照度、占空比和所需寿命。HVC 将在五个工作日内提供包含测试结果的保护方案。

6. 常见问题

问题1：波长为355纳米的光子携带多少能量？

3.49 eV，来自 1240/355。这高于 C-Cl 键（3.4 eV）、CN 键（3.0 eV）和过氧化物键（1.5 eV），略低于 CC 键（3.6 eV），因此降解是从薄弱环节开始的。

Q2：损失有多深？

达到封装层的吸收深度。当 α = 10⁴ m⁻¹ 时，穿透深度为 100 µm，63% 的吸收紫外能量落在该层内。

Q3：为什么表面会导电？

漏电流会使聚合物碳化。E_track = I²Rt，因此，50 µA 的电流流过 10 MΩ 的导电路径会在几立方毫米的范围内沉积 25 mW 的功率，而碳化的路径会不断缩短爬电距离。

Q4：陶瓷介电材料在紫外线照射下会老化吗？

不。这种陶瓷是一种不含聚合物骨架的无机氧化物，因此不存在光子可以破坏的键。封装层是该部件中唯一对紫外线敏感的元素。

Q5：什么测试可以证明零件已准备好进行紫外线照射？

综合测试：在额定偏置电压下进行 1,000 小时的 UV-A 照射，每 250 小时测量一次泄漏和局部放电水平。PD 低于 5 pC 且泄漏低于基线的两倍为验收点。

Q6：我应该预留多少额外的爬电距离？

在计算需求的基础上增加 30% 至 50%。最外层的 100 微米是易被侵蚀的层，因此几何形状必须满足该层侵蚀后的爬电要求。

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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