Study of the tightness of the metallization used on top of a thin film capacitor cell

Abstract

Vishay Intertechnology Inc. is a worldwide company in electronic components sector. It is a manufacturer of discrete semiconductors and passive electronic components. Vishay Electrónica Portugal Lda in Vila Nova de Famalicão produces film capacitors, which are the main focus of this work. Film capacitors are applied on several electronic equipments and the reliability of the capacitors has a major impact on the operational reliability and maintenance costs of the whole system. To test the capacitors reliability it is used biased 85°C/85% RH test. In this test, the components are exposed at 85°C and 85% relative humidity during 1000 hours. Vishay wants to ensure their customers that the capacitors pass the biased 85°C/85% RH test. In this way, it is necessary to improve the capacitor construction and inherent performance. A film capacitor is mainly constituted by five parts: film metallization, metallization on top of the cell, terminals, insulating resin and plastic case. During this work, the film metallization and the metallization applied on top of the cell were tested in order to evaluate their behavior in terms of corrosion and permeability. In film metallizations were performed atomic force microscopy and electrochemical corrosion tests. In the electrochemical corrosion tests, film metallizations that only have zinc in their composition exhibited the best corrosion resistance. The film metallization with lower roughness has better electrical behavior compared with film metallization with higher roughness, which can explains the differences in the electrical behavior. The metallizations were investigated in terms of permeability, adhesion to the cell and thermal conductivity. The Zn-SnCu3 is the metallization that exhibits better adhesion to the cell, and consequently, better mechanical properties and lower oxide content. Additionally, SnZn is the metallization with lower value of thermal conductivity, which means that it is the best thermal barrier compared with the others metallizations. Finally, the metallization that exhibited lowest permeability and thus better cell protection against humidity, was the ZnAl (275 μm)-SnCu3 (325 μm), due to the lower particle size and optimum condition of thickness to produce denser metallizations.

Vishay Intertechnology Inc. é uma empresa multinacional no sector dos componentes eletrónicos. É um produtor de semicondutores discretos e componentes eletrónicos passivos. Vishay Electrónica Portugal Lda em Vila Nova de Famalicão produz condensadores de filme, sendo estes o principal foco deste trabalho. Os condensadores de filme são aplicados em vários equipamentos eletrónicos e o seu correto funcionamento tem um grande impacto na fiabilidade e nos custos de manutenção de todo o sistema. Para testar a fiabilidade dos condensadores é utilizado o teste de tendência 85°C/85% HR. Neste teste, os componentes são expostos a 85°C e 85% humidade relativa durante 1000 horas. Deste modo, é necessário melhorar a construção do condensador e o seu desempenho. Um condensador de filme é maioritariamente constituído por cinco partes: fita metalizada, metalização, terminais, resina isolante e copo. No decorrer deste trabalho, a fita metalizada e a metalização aplicada no topo da bobina foram testadas com o objetivo de avaliar o seu comportamento em termos de corrosão e permeabilidade. As fitas metalizadas foram testadas por microscopia de força atómica e por testes de corrosão eletroquímicos. Nos testes de corrosão electroquímicos, as fitas metalizadas que só possuíam zinco na sua composição exibiram a melhor resistência à corrosão. A fita metalizada da Steiner tem o menor valor de rugosidade, o que explica o melhor comportamento elétrico comparando com a fita metalizada da Dhruv. As metalizações foram investigadas em termos de permeabilidade, adesão à bobina e condutividade térmica. A metalização Zn-SnCu3 é a que exibe melhor adesão à bobina e, consequentemente, melhores propriedades mecânicas e menor teor de óxidos. Adicionalmente, SnZn é a metalização com menor valor de condutividade térmica, o que significa que é uma melhor barreira térmica comparando com as outras metalizações. Finalmente, a metalização que exibiu menor valor de permeabilidade e assim, melhor proteção da bobina contra a humidade, foi ZnAl (275 μm)-SnCu3 (325 μm), devido ao menor tamanho da partícula e à condição ótima de espessura para produzir metalizações mais densas.