автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Исследование закономерностей электродинамического разрушения электродов металлопленочных конденсаторов

004613063

На правахл)укб!гаси

Белько Виктор Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ МЕТАЛЛОПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

Специальность 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 НОЯ 2010

Санкт-Петербург - 2010

004613063

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, Емельянов Олег Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, Слуцкер Александр Ильич

доктор технических наук, ст.н.с., Кривошеев Сергей Иванович

Ведущая организация:

ОАО «НИИ «Гириконд» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится « 26 » ноября 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.16 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, Главное здание, ауд. 284.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Электромеханический факультет. Диссертационный совет Д 212.229.16.

Автореферат разослан «2,(1 » ^. ¿¿г^гр^ 2010 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.16

кандидат технических наук, доцент

Журавлева Н.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Существенное увеличение удельных характеристик электрических конденсаторов возможно при замене электродов с фольговых на металлизированные, что позволяет

использовать эффект самовосстановления

!>

2 1

Фопыа

т

оетичео-си м а ко и м <а л ь н о е < П 3 Т ф-

г

Сплошная | Сегментная металлизация металлизация

70 <,380 1®30 2000

Год

Рис. 1. Рост \\уП "¡а последние 40 лет

(СВ). Электроды конденсатора при этом представляют собой тонкие (5-20 нм) пленки металла, напыленные на полимерный диэлектрик. Такие конденсаторы называются металло-пленочными (МПК). При пробое 20,8 диэлектрика через образовавшийся канал течет ток высокой плотности и металлизированный электрод ввиду малой толщины испаряется, при этом длительность процесса составляет десятые доли - десятки мкс. Образовавшаяся область диэлектрика, свободная от металла, препятствует вторичному замыканию электродов в данном месте. Электрическая прочность конденсатора восстанавливается. К сожалению, сплошная металлизация не позволяет эффективно использовать конденсаторы при больших значениях напряжения и емкости, вследствие выделения значительной энергии при СВ. Опасность возникновения электротеплового пробоя конденсатора ограничивает дальнейший рост его удельных характеристик. На современном этапе развития конструкций МПК «центр тяжести» научно-технических проблем сместился от традиционных задач оптимизации диэлектрика с целью исключения или снижения вероятности его пробоя к задачам оптимизации конструкции электродов с целью реализации «управляемого» пробоя. Поэтому следующим шагом в развитии конденсаторостроения стало применение сегментированных металлизированных электродов. Сегментация позволила ограничить энергию СВ и сделать ее управляемым параметром и как следствие этого - повысить удельные характеристики конденсаторов (см. рис. I). Дальнейшая оптимизация конденсаторных конструкций связана с правильным выбором параметров сегментации, что невозможно без знания особенностей электродинамического разрушения металлизированных электродов на субмикросекундных и микросекундных масштабах времени. Поэтому детальное теоретическое и экспериментальное изучение физических процессов, происходящих при СВ в металлизированных электродах конденсатора, является ключом к созданию более

эффективных конденсаторных конструкций. Актуальность работы подтверждается тем, что аналогичные исследования в течение последних 5 лет проводятся учеными ряда зарубежных стран - Германии, Швейцарии, Франции, США. В последнее время количество публикаций в открытой печати, посвященных сегментированной металлизации, сведено к минимуму, что, по понятным причинам, является результатом политики компаний-производителей конденсаторов. Исследованию процесса СВ посвящены работы ряда ученых (Kammermaier, Tortai, Christen, Picci, Fuchang, Lee, П.А.Торощин, Б.П.Беленький , С.В.Биньков, Э.В.Кургинян и др.). Несмотря на давний интерес к проблеме, на данный момент не существует общепринятой модели процесса самовосстановления в электрических конденсаторах, как со сплошными, так и с сегментированными электродами. Расчет зоны деметаллизации, а также энергии, выделившейся при самовосстановлении, производится различными авторами на основании не всегда корректных допущений о природе процесса разрушения металлических электродов. Закономерности электродинамического разрушения металлов изучаются в области исследования электрического взрыва проводников (ЭВП), однако результатов, применимых к рассматриваемым конструктивным особенностям конденсаторов в литературе найти не удалось. На основе выполненного литературного обзора и анализа существующих конструкций выпускаемых конденсаторов была определена цель работы:

Изучить закономерности электродинамического разрушения металлизированных электродов МПК и предложить соответствующую инженерную методику расчета параметров электродов с целью создания конденсаторов с повышенными удельными характеристиками. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать экспериментальные методики изучения процессов электродинамического разрушения нанометровых металлических электродов МПК.

2. Экспериментально изучить и выявить основные закономерности разрушения металлизированных электродов в диапазоне 10 не - 100 мкс.

3. Разработать адекватную математическую модель разрушения металлизации.

4. Предложить инженерную методику расчета параметров металлизированных электродов с целью совершенствования выпуска новых типов МПК.

Научная новнзна.

1. Впервые исследована электродинамическая устойчивость тонких цинковых электродов, напыленных на полимерные пленки.

2. Экспериментально установлено, что при быстрых временах взрыва (10-20 не) в алюминиевых и цинковых пленках на первой стадии наблюдается механизм

пространственно-неоднородного разрушения металлизации, представляющего собой появление чередующихся слоев (страт) с металлом и без него, ориентированных поперечно линиям напряженности поля. Указанный механизм не соответствует классическим моделям, связанным с МГД или электротепловой неустойчивостью. После завершения первой стадии возникает вторая стадия разрушения, обусловленная развитием дугового разряда.

3. Получен комплекс экспериментальных данных о величине напряжения перекрытия межэлектродных промежутков в планарной системе при расстояниях 10-2000 мкм, который позволяет оптимизировать конденсаторную конструкцию с точки зрения повторных явлений разрушения металлизации после самовосстановления.

4. На основе проведенных исследований создана математическая модель, учитывающая теплофизические и электрофизические свойства полимерных подложек и металлизации, адекватно описывающая процессы деградации металлического слоя в условиях больших электродинамических нагрузок.

Практическая значимость.

1. Разработаны экспериментальные методики и аппаратура для исследования электродинамической устойчивости тонких металлизированных электродов.

2. Получен комплекс экспериментальных данных по электродинамическому разрушению металлизированных электродов, который следует учитывать при разработке новых конденсаторных конструкций.

3. Результаты по электрической прочности межэлектродных зазоров субмиллиметровой величины могут также использоваться при проектировании микроэлектронных изделий, что представляет интерес в области создания микроэлектромеханических систем (MEMS).

4. Разработана инженерная методика расчета оптимальных параметров металлизированных электродов с целью совершенствования выпуска новых типов МПК.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты экспериментальных исследований электродинамического разрушения металлизированных электродов в условиях больших электродинамических нагрузок.

2. При скоростях ввода энергии (0,01-0,1 кДж/г*нс) имеет место пространственно-неоднородный механизм разрушения металлических пленок.

3. Процесс самовосстановления происходит в два этапа и представляет собой электрический взрыв, с последующим развитием дугового разряда, который может быть ограничен применением ряда технических мер.

4. Математическая модель, адекватно описывающая процессы электродинамического разрушения металлических пленок, напыленных на полимерные пленки.

5. Инженерная методика расчета параметров сегментированных электродов МПК.

Реализация результатов работы.

Экспериментальные установки использовались при проведении учебных лабораторий на кафедре ЭИКК СПбГПУ. Ряд экспериментальных результатов, аппаратура для исследования токовой устойчивости сегментированной металлизации, а также инженерная методика расчета параметров сегментированной металлизации использованы на предприятии ОАО «НИИ «Гириконд», о чем прилагается соответствующий акт о внедрении.

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим соответствием данных эксперимента, численных и аналитических расчетов, большим количеством испытанных образцов и корректной статистической обработкой опытных данных.

Лнчный вклад автора определяется участием в постановке задач исследований, самостоятельной разработке и создании экспериментальных установок, проведении экспериментальных и теоретических исследований; их обработке и анализе полученных результатов. Основные результаты работы получены автором лично. В процессе работы автор пользовался консультациями к.т.н. Бондаренко П.Н.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XXXIII -XXXV111 Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2005 - 2009 г.), XI Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики-2008) (Санкт-Петербург, 2008 г.), 12 Международной конференции «Электромеханика, электротехнолопш, электрические материалы и компоненты» (Алушта, 2008 г.), XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2009 г.), V Международной конференции «Электрическая изоляция - 2010» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), 18lh International Conference DISEE 2010 ( Bratislava, 2010 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 учебно-методических пособия для выполнения лабораторных работ.

Структура и объем дисеертациониой работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 105 наименований, и 1 приложения. Диссертация изложена на 167 страницах, содержит 86 рисунков и 10 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель диссертационной работы, приведены основные научные и практические результаты исследований, а также сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируются основные тенденции развития конструкций современных металлопленочных конденсаторов. Разрушению металлизированных электродов в результате процесса СВ уделяется внимание при изучении вопросов работоспособности металлопленочных конденсаторов, однако количество работ, посвященных изучению данного вопроса (особенно применительно к сегментированным электродам) ограничено. Существующие теории СВ часто показывают несоответствие экспериментальных данных и результатов модельных расчетов. При расчете зоны деметагтлизации (ДМ), а также энергии СВ различными авторами не всегда учитываются теплофизические и электрофизические параметры тонких металлических пленок, которые для массивных образцов металлов имеют другие значения, отвод тепла из металлизированных электродов в полимерную пленку и др. Закономерности электрического разрушения металлов исследуются в теории электрического взрыва проводников (ЭВП), однако результатов, применимых к рассматриваемым конструктивным особенностям в литературе найти не удалось.

Во второй главе приведены описания методик, применявшихся для исследования электродинамического разрушения электродов МПК. Объектами исследования являлись

промышленные образцы

/ ТосотыП *т

■ / R-й "Гг i>i ГГа современных полимерных

- — -

I

ç,—ЕГ

"i

вв

ИСТОЧНИК

металлизированных пленок (со сплошными и сегментированными электродами) как отечественного, так и зарубежного производства. Материал металлизации -Рис. 2. Схема установки для исследования субмикро- д1, хп. Толщина слоя секундных процессов разрушения металлизации

г г г; металлизации варьиро-

валась в пределах 10-30 нм; толщина полимерных пленок (полиэтилентерефталат, полипропилен) 5 - 12 мкм. Для исследования субмикросекундных процессов электродинамического разрушения металлизированных электродов была разработана специальная установка, схема которой представлена на рис. 2. Установка позволяет

регистрировать измерительные сигналы напряжения и тока через образец, а также возникновение оптического излучения, возникающего в ходе разряда, при наносекундном диапазоне изменения параметров. Максимальное испытательное напряжение установки составляет 10 кВ, максимальная амплитуда тока - до 1 кА. Длительность регистрируемых процессов составляет 5-500 не. Диапазон чувствительности оптического детектора находится в пределах длин волн 1=320-1000 нм, время отклика ~1 не.

Рис.3. Схема установки и вид экспериментальной ячейки для исследования швросекундного процесса разрушения металлизации.

Для исследования разрушения металлизации в микросекундном масштабе времени была сконструирована испытательная установка и экспериментальные ячейки, вид которых представлен на рис.3. Испытательное напряжение установки составляет 50-700 В, ток - до 30 А. Длительность регистрируемых процессов 0,5-500 мкс. Применение ячеек двух типов позволило исследовать особенности токового разрушения как в единичной межсегментной перемычке, так и в сегментированной металлизации в целом. Разработаны и использовались методики исследования пробивного напряжения межсегментных промежутков, расчета площади и оценки фрактальной размерности зон деметаллизации, автоматизированной обработки экспериментальных данных, численного расчета распределения тока в сегментированном электроде методом конечных элементов. Результаты обрабатывались в соответствии с методикой статистической обработки экспериментальных данных.

Третья глава содержит результаты экспериментального изучения разрушения металлических слоев в субмикросекундном временном масштабе.

Типичные осциллограммы в ходе процесса разрушения Zn металлизированных пленок представлены на рис.4.

и.кВЕЯЮ

Ь.о.е

О 200 400 600 800 1000 1, не

1, НС

Рис.4. Типичные осциллограммы субмикр о секундного процесса разрушения. На левой осциллограмме тока отчетливо видны 3 характерные стадии ЭВП: взрыв, пауза тока и последующее развитие дугового разряда. Первый импульс соответствует электрическому взрыву металла и определяет дальнейшее развитие процесса в целом. В зависимости от уровня вводимой энергии дуговая стадия может отсутствовать. При низком уровне вводимой энергии взрыв металла может отсутствовать, тогда образец не теряет проводимость даже в результате многократной подачи на него импульсов напряжения. При превышении некоторого уровня энергии может происходить взрыв металла, сопровождающийся полным испарением металла с поверхности полимерной пленки. Существует также некоторая промежуточная стадия, для которой характерно неполное разрушение металлизации: рисунок оставшегося на подложке металла имеет упорядоченный характер и представляет собой чередующиеся слои (страты) с металлом и без него, ориентированные поперечно линиям плотности тока. При повышении разрядного напряжения частота следования страт увеличивается (Рис. 5):

25«! В

3500 В

ншшикмшм шшжттшш'шмт I

450(1 В 55» В 8000 В

Рис.5. Вид разрушения 1л\ электродов при разных разрядных напряжениях.

При рассмотрении представленных фотографий можно заметить взаимное подобие рисунков

< ч." Т

38

2»

10

О -г™ О

2000

ши

8000 П, В

Рис. 6. Фрактальная размерность зон разрушения Б; напряжение на страту и5.

р разрушения металлизации, так как каждый кадр является как бы увеличенной копией следующего. Принцип самоподобия характерен для фрактальных объектов. В результате определения фрактальной "" размерности картин разрушения было „ установлено, что фрактальная размерность О зон с выгоревшим металлом (белых областей фотографии) одинакова для всех режимов и составляет 1,55+0,04 (Рис. 6). Равенство фрактальных размерностей может означать, что стратификация происходит по универсальному для всех режимов механизму. Из теории электрического взрыва проводников известно, что причиной стратообразования является развитие разного вида неустойчивостей: магнитогидродинамической (МГД), перегревной и др. Развитие неустойчивостей по МГД механизму требует полного расплава металла. Однако в результате обработки экспериментальных данных установлено, что разрушение металлизации (о чем свидетельствует и начало оптического излучения) начинается при уровне вводимой энергии меньшем, чем энергия плавления металла. При этом практически постоянный уровень сопротивления, сохраняющийся вплоть до момента разрушения (см. рис. 4, правая часть), может свидетельствовать о том, что металл не только не расплавляется, но даже слабо нагревается по всему объему. Для установления причин пространственно-неоднородного разрушения металлизации были проделаны дополнительные эксперименты, в результате которых установлено, что возникновение и развитие страт происходит на дефектах металлизированных пленок (микротрещины, царапины, локальные уменьшения толщины, границы кристаллитов, особенности рельефа подложки) по электротепловому механизму, что и обуславливает рост страт поперечно направлению тока. В результате изучения скорости разрастания страт были получены значения У-10-15 км/с, при этом обнаружено, что разрастающиеся дефекты имеют тенденцию к объединению, тем самым увеличивая эффективную скорость роста в несколько раз. Рост поперечных страт в образце должен происходить до тех пор, пока какая-либо одна из них не перекроет путь току, после чего ток через образец должен прекратиться, а остальные разрастающиеся дефекты должны остаться в недоразвитом состоянии. Однако большинство страт в металле являются сквозными, следовательно, первая не ограничивает развитие процесса стратообразования. Установлено,

что ширина прорастающей страты достаточно мала, поэтому при прерывании тока между сторонами страты возникает разность потенциалов достаточная для пробоя этого промежутка по поверхности диэлектрика либо по парам испаренного металла. Далее пробой переходит в микродуговой разряд. Он шунтирует страту, и проводимость образца остается достаточно высокой. Это создает условия для дальнейшего развития остальных дефектов и трещин, которые в свою очередь тоже могут быть зашунтированы микродугой по аналогичному механизму. Рассчитанное падение напряжения, приходящееся на каждую страту образца, оказалось близким для всех режимов и равным и5,^=16-20У (Рис. 6). Такие значения падения напряжения характерны для микродугового разряда, что подтверждается литературными данными. Процесс стратообразования останавливается, когда плотности тока в образце недостаточно, чтобы поддерживать ансамбль дуг, развивающихся внутри выгорающих областей металлизации. Таким образом, разрастание дефектов и стратификация образца является самосогласованным механизмом, зависящим от напряженности прикладываемого поля, удельного сопротивления и степени дефектности металлического слоя. Были проведены дополнительные эксперименты по изучению влияния внешних факторов на процесс разрушения металлизации. В результате было установлено, что тип подложки (для сравнения использовалось стекло с напыленным слоем металлизации) не оказывает влияния на механизм разрушения; приложение внешнего давления к образцу исключает стадию дугового разряда, при этом первый импульс и характер разрушения металла остаются прежними.

В четвертой главе представлены результаты исследования разрушения

металлизированных электродов в микросекундном масштабе времени. Изучение процесса проводилось как на электродах со сплошной, так и с сегментированной металлизацией (типичный вид мозаичной сегментации показан на рис. 7). Механизм разрушения электродов также связан с электрическим взрывом, вклад которого в микросекундных временах несущественен, так как при таких режимах дуговая стадия является доминирующей (на нее приходится основная рассеиваемая энергия). Характерный импульс процесса разрушения представлен на рис. 8. До максимума тока происходит локальный разогрев слоя металлизации, после чего в момент максимума хт. происходит разрушение

Рис. 7. Сегменшрованйнн электрод конденсатора.

части металлизированного

электрода. Дальнейший спад тока обусловлен развитием дугового разряда между сегментами. Дуга выжигает еще некоторую площадь электродов, удлиняется, увеличивая свое сопротивление, и при достижении критической длины гаснет. В ходе исследования были получены динамические и энергетические характеристики процесса разрушения металлизации. Характерные зоны разрушения электрода в радиальном направлении показаны на рис. 9. При микроскопическом анализе зон ДМ было отмечено, что рисунки разрушения имеют дендритоподобную форму, являющуюся следствием блуждания катодных пятен. На основе полученной серии фотографий областей ДМ была рассчитана скорость распространения фронта зоны разрушения, которая составляет 50-100 м/с, что согласуется с литературными данными для средней скорости перемещения катодных пятен при электродуговой эрозии металла. Оценка скорости разрастания зон ДМ в продольном направлении привела к аналогичным результатам.

5.2 мм

!. МКС

Рис.8. Осциллограмма микросекудного процесса разрушения электрода.

мкс-Рис. 9.

35 МКС 50 МКС

Радиальное разрушение электрода во времени.

В ходе исследования было отменено, что экспериментальные данные лежат значительно выше теоретической зависимости плотности тока разрушения от времени разрушения }ге0р-(грш().)> рассчитанной на основании традиционных представлений. С целью установления причин несоответствия теоретических и экспериментальных данных было произведено математическое моделирование процесса электродинамического разрушения слоя металлизации с учетом теплофизических и электрофизических свойства полимерных пленок и металлических слоев, а также отвода тепла в полимерную подложку. Для модели исходной является связанная система двух уравнений:

дТ д2Т

рС — = q + X—т- (в металле) ' 81 дх

РрЫ^ррЫ '

8Т.

dt

дгТ

р<-

v' а*2

— ~~ ¿...J (в полимере)

где qv = _/2 / <уш , р, Ср, X, рры, Срро1, Хры - плотность, теплоемкость, коэффициент теплопроводности металла электрода и полимерной пленки соответственно, Оме - удельная проводимость металла электрода.

В результате решения данной системы для степенного закона нарастания удельного тепловыделения = Ык, удобно описывающего экспериментальную зависимость, получено выражение для температуры на границе металл-диэлектрик:

I - |"у|" -/" <"^-2"'

Т(*\ 2, + Г .. ....

„=о а •(2и + 1)!! а "

<2у = Чу / рСр, а = Лро1 / (рС^), Хрог—'температуропроводность полимера,

где

д—

толщина металлизации.

Приведенное выражение T(t) позволяет рассчитать плотность тепловой энергии, уходящей на нагрев полимера Qs, зная которую можно оценить количества тепла, сообщаемое металлическому электроду для его разрушения с учетом влияния подложки. Расчет показывает, что при джоулевом нагреве металлизированной пленки уже при временах 10 - 15 не до половины выделяемого тепла уходит в полимерную пленку. Таким образом, используя термодинамический расчет последовательных фазовых превращений с учетом теплоотвода в полимерную пленку, можно рассчитать все основные энергетические

характеристики процесса разрушения металлизированной пленки. На рис. 10 представлены

^■разр.'М'^-

результаты расчета плотности тока разрушения от времени разрушения jpac.l.(Tpaэ¡>) для цинковой металлизации

толщиной 20 нм с учетом теплоотвода в полимерную пленку. Через ||е0р(т) на графике обозначена теоретическая зависимость, рассчитанная из интеграла действия для цинка

учетом

пониженной

1 1.5

Рис. 10. Экспериментальная и расчетная зависимости максимальной ПЛОТНОСТИ проводимости тонкой пленки тока ОТ времени разрушения. металла. Также на область

построения нанесены экспериментальные точки, соответствующие разрушению металлизированных перемычек с толщиной металла 20 нм. Расчетная зависимость находится в зоне 95% доверительного интервала экспериментальных данных, что свидетельствует о справедливости предложенного подхода к оценке теплоотвода в подложку и его влияния на механизм разрушения перемычки. Преимуществом правильной оценки электродинамической устойчивости металлизированных перемычек является возможность создания

такой геометрии сегментации, при которой с требуемой вероятностью будет гарантировано максимально эффективное СВ конденсатора при пробое. Указанная эффективность определяется отключением именно одного сегмента (или 4 мостиков для исследуемого типа

с1, мкм

Рис. 11. Зависимость напряжения перекрытия сегментации) в результате от межсегментного промежутка. электродинамического

разрушения перемычек. При выгорании перемычек дефектный сегмент оказывается отсеченным от основных электродов, однако при недостаточном расстоянии между

сегментами существует опасность повторного перекрытия. Длина межсегментной перемычки должна выбираться из следующих соображений. Во-первых, энергии СВ должно быть достаточно, чтобы испарить перемычку, а во-вторых ее длина должна быть не меньше критического значения, при котором максимального рабочего напряжения конденсатора уже недостаточно, чтобы произошло повторное перекрытие между сегментами. Была проведена экспериментальная оценка напряжения перекрытия в зависимости от межсегментного промежутка на промышленных образцах металлизированных пленок. Результаты представлены на рис. 11. Следует отметить, что полученные экспериментальные зависимости для Zn и А1 электродов не различались.

В пятой главе описывается инженерная методика расчета оптимальных параметров сегментированных электродов мозаичного типа, разработанная на основе проведенных исследований. Методика реализована в виде автоматизированной расчетной программы. В качестве исходных данных для программы задаются: номинальное напряжение конденсатора 11о, для которого производится расчет параметров сегментации; электрофизические и теплофизические характеристики металла электрода и полимерной пленки. Выходными данными программы являются геометрические параметры межсегментного токового мостика: ширина, толщина и длина - при которых будет гарантировано максимально эффективное самовосстановление конденсатора при пробое. Необходимо отметить, что полученные при помощи предложенной методики данные объясняют геометрические параметры, используемые в сегментированных металлизированных пленках зарубежными производителями.

Основные выводы н результаты работы:

1. Экспериментально установлено, что при субмикросекундных (5-500 не) временах разрушения нанометровых (10-30 нм) металлизированных электродов на основе А1 и Хп, напыленных на полимерные пленки, при плотностях тока (0,5-3)*1012 А/м2 имеет место пространственно-неоднородный характер разрушения металлизации, представляющий собой появление чередующихся слоев (страт) с металлом и без него, ориентированных поперечно линиям напряженности поля. При этом частота следования страт зависит от плотности тока.

2. Пространственно-неоднородное разрушение металлизированных электродов, по-видимому, имеет кинетическую природу и обусловлено развитием перегревной неустойчивости, возникающей на различных дефектах металлизации и подложки, и. является самосогласованным механизмом, зависящим от напряженности прикладываемого поля, удельного сопротивления и степени дефектности металлического слоя. Установлено, что скорость разрастания страт составляет 10 км/с и более.

3. Энергия, введенная в образец до разрушения меньше не только энергии испарения металла, но и меньше энергии его плавления. Так для А1 металлизации, при энергии необходимой для испарения -13 кДж/г, разрушение происходит на уровне введенной энергии 0,8-1,7 кДж/г. Для 2п металлизации вышеуказанные уровни энергии составляют 2,5 кДж/г и 0,1-0,2 кДж/г соответственно.

4. Экспериментально изучен процесс разрушения металлизированных электродов при более длительных временах (0,5-100 мкс) и плотностях тока Ю,0-5*10" А/м2. Получены значения для скорости распространения зон разрушения, которые составляют 50-100 м/с. Отмечено, что существенное влияние на кинетику процесса разрушения металлизированных электродов оказывает отвод тепла в полимерную пленку.

5. На основе проведенных исследований создана математическая модель, учитывающая теплофизические и электрофизические свойства полимерных подложек и металлических слоев, адекватно описывающая процессы разрушения металлизированных электродов в условиях больших токовых нагрузок.

6. Получен комплекс экспериментальных данных величин напряжения перекрытия межэлектродных промежутков в планарной системе при расстояниях 10-2000 мкм, который позволяет оптимизировать конденсаторную конструкцию с точки зрения повторных явлений разрушения металлизации после самовосстановления..

7. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана инженерная методика расчета оптимальных геометрических параметров металлизированных электродов с целью совершенствования выпуска новых типов МПК. Методика выполнена в виде автоматизированной расчетной программы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Белько, В.О. Динамические характеристики процесса самовосстановления в металлопленочных конденсаторах / В.О. Белько, П.Н. Бондаренко, O.A. Емельянов // Электротехника.-2007.- №3.- С.33-38.

2. Белько, В.О. Исследование наносекундного электрического взрыва тонких алюминиевых пленок / В.О. Белько, O.A. Емельянов // Письма в Журнал технической физики. - 2009. - Т.35, №18.- С.58-64.

3. Белько, В.О. Работоспособность сегментированных электродов современных металлопленочных конденсаторов / В.О. Белько, O.A. Емельянов II Научно-технические ведомости СПбГПУ-2010.-№3(106): Наука и образование.- С.32-40.

4. Емельянов, O.A. Основы электроизоляционной, кабельной и конденсаторной техники : лаб. практикум / O.A. Емельянов, В.О. Белько, П.Н. Бондаренко, М.В. Шемет. - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.— СПб. : Изд-во Политехи, ун-та, 2010. 4.1: Изучение основных характеристик электрических конденсаторов .— 2010 .— 72 с.

5. Емельянов, O.A. Основы электроизоляционной, кабельной и конденсаторной техники : лаб. практикум / O.A. Емельянов, В.О. Белько, П.Н. Бондаренко, М.В. Шемет. - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет .— СПб. : Изд-во Политехи, ун-та, 2010. 4.2: Исследование электрофизических процессов в системах конденсаторной изоляции.— 2010.—58 с.

6. Белько, В.О. Особенности процесса самовосстановления в металлопленочных конденсаторах / В.О. Белько, O.A. Емельянов // Электрическая изоляция-2010: сборник научных трудов пятой Международной научно-технической конференции. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010.- С.145-147.

7. Belko, V.O. Surface flashover between segments in power capacitors' metalized electrodes / V.O. Belko, A.M. Andreev // Proceedings of 18,h International Conference DISEE 2010.-Deraanovská Dolina, Slovak Republic.- 2010,- P.211-214.

8. Белько, В.О. Особенности наносекундного электрического взрыва тонких металлических пленок / В.О. Белько // Материалы XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования • и инновации в технических университетах». 18.05.2009, Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2009. -Т. 1. - С.38.

9. Артюховский, К.Н. Исследование микродуговьгх процессов в металлизированных конденсаторных пленках / К.Н. Артюховский, В.О. Белько // XXXVIII неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн, конф. студентов и аспирантов, 30 ноября - 4 декабря 2009 г. Санкт-Петербург — СПб., 2009.- С.58-59.

10. Белько, В.О. Влияние жидких диэлектриков на процесс самовосстановления диэлектрических прочности в металлопленочных конденсаторах / В.О. Белько, O.A. Емельянов // Физика диэлектриков - 2008. Материалы XI Международной конференции. Т.2., СПб, 2008.-С. 133-136.

11. Белько, В.О. Исследование процесса деметаллизации при самовосстановлении в металлопленочных конденсаторах / В.О. Белько // 12-я Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты». 29 сентября-4 октября 2008. Труды,- Крым, Алушта. МКЭЭЭ-2008.: С.20.

12. Белько, В.О. Исследование разрушения металлизации под воздействием тока высокой плотности / В.О. Белько, A.C. Резник // XXXVII неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 24-29 ноября 2008 г. Санкт-Петербург — СПб., 2008,- С.27.

13. Белько, В.О. Токовая устойчивость металлических обкладок электрических конденсаторов / В.О. Белько, A.A. Якимчук, O.A. Емельянов // XXXVI неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 26 ноября -1 декабря 2007 г. Санкт-Петербург — СПб., 2008.- С.47-49.

14. Белько, В.О. Фрактальная размерность зоны самовосстановления в металлизированных пленках различных структур / В.О. Белько, O.A. Емельянов // XXXV неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 27 ноября - 2 декабря 2006 г. Санкт-Петербург,— СПб., 2007.-С.30-32.

15. Белько, В.О. Разработка методики оценки работоспособности металлизированного полимера / В.О. Белько, С.П. Журавлев // XXXIV неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 28 ноября - 3 декабря 2005 г. Санкт-Петербург,— СПб., 2006,- С.21-22.

16. Белько, В.О. Оценка совместимости компонентов диэлектрической системы высоковольтных силовых конденсаторов / В.О. Белько, С.П. Журавлев // XXXIII неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 29 ноября - 4 декабря 2004 г. Санкт-Петербург.— СПб., 2005,- С.36-37.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 20.10.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 6575Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ВВЕДЕНИЕ.

1 .ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Основные сведения о металлопленочных конденсаторах.

1.2. Старение конденсаторов с металлизированными электродами.

1.3. Процесс самовосстановления в конденсаторах с металлизированными электродами.

1.4. Теории процесса самовосстановления.

1.5. Электродинамическое разрушение металлизированных электродов

1.6. Выводы и постановка задач исследования.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Методика исследования субмикросекундных процессов электродинамического разрушения металлизированных электродов под действием тока высокой плотности.

2.3. Методика определения площади зон деметаллизации.

2.4. Методика определения фрактальной размерности зон деметаллизации.

2.5. Методика автоматизированной обработки экспериментальных осциллограмм.

2.6. Методика исследования токовой устойчивости перемычек в сегментированных металлизированных электродах.

2.6.1. Объекты исследования.

2.6.2. Методика исследования.

2.7. Методика численного моделирования картины протекания тока в сегментированных электродах.

2.8. Методика исследования напряжения перекрытия между сегментами.

2.8.1. Объекты исследования.

2.8.2. Методика исследования.

2.9. Методика исследования динамики роста зон деметаллизации.

2.10. Методика статистической обработки экспериментальных данных

Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ В

СУБМИКРОСЕКУНДНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ.

3.1. Электродинамическое разрушение тонких металлизированных электродов.

3.2. Изучение причин неоднородного разрушения металла.

3.3. Регистрация оптического излучения при разрушении электрода

3.4. Влияние внешних факторов на процесс электродинамического разрушения электродов.

3.4.1. Влияние подложки.

3.4.2. Влияние ширины образца.

3.4.3. Влияние давления.

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ В МИКРОСЕКУНДНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ.

4.1. Экспериментальное изучение электродинамической устойчивости металлизированных электродов.

4.2. Исследование динамических характеристик процесса разрушения металлизации.

4.2.1. Динамика процесса радиального разрушения металлизации

4.2.2. Динамика процесса продольного разрушения металлизации

4.3. Энергетические характеристики процесса разрушения металлизации.

4.4. Моделирование процесса токового разрушения. металлизированных электродов.

4.5. Моделирование распределения плотности тока в металлизированном электроде с сегментацией.

4.6. Критические размеры зоны деметаллизации с точки зрения повторных перекрытий.

Выводы.

5. ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ СЕГМЕНТИРОВАННОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ.

5.1. Исходные данные для расчета.

5.2. Основные этапы расчета.

5.3. Пример инженерного расчета параметров сегментированной металлизации.

Существенное увеличение удельных характеристик электрических конденсаторов возможно при замене электродов с фольговых на металлизированные, что позволяет использовать эффект самовосстановления (СВ). Электроды конденсатора при этом представляют собой тонкие (5-20 нм) пленки металла (А1, Хп), напыленные на полимерный диэлектрик (полипропилен, полиэтилентерефталат). Такие конденсаторы называются металлопленочными (МПК). Укрупнено процесс СВ: можно описать следующим образом. При пробое диэлектрика через образовавшийся канал течет ток высокой плотности и металлизированный электрод ввиду малой толщины испаряется, при этом- длительность процесса составляет десятые доли - десятки мкс. Образовавшаяся область диэлектрика, свободная> от металла; препятствует вторичному замыканию электродов в. данном месте. Электрическая прочность конденсатора восстанавливается.

К, сожалению, сплошная металлизация* не позволяет эффективно использовать. конденсаторы при больших значениях напряжения, и емкости, вследствие неуправляемого процесса выделения энергии при СВ. Поэтому дальнейший рост удельных характеристик затруднителен, так как возникает опасность возникновения электротеплового пробоя конденсатора. На современном этапе развития конструкций МПК «центр тяжести» научно-технических проблем сместился от традиционных задач оптимизации диэлектрика с целью исключения или снижения вероятности его пробоя к задачам оптимизации конструкции электродов, с целью реализации «управляемого»- пробоя. Поэтому следующим шагом в развитии кон денсаторостроения стало ' применение сегментированных металлизированных электродов. Сегментация позволила ограничить энергию СВ и сделать ее управляемым параметром и как следствие- этого -значительно поднять удельные характеристики конденсаторов. Дальнейшая оптимизация конденсаторных, конструкций связана с правильным выбором параметров сегментации, что невозможно без знания особенностей электродинамического разрушения металлизированных электродов на субмикросекундных и микросекундных масштабах времени. Поэтому детальное теоретическое и экспериментальное изучение физических процессов, происходящих при СВ в электродах конденсатора является ключом к созданию более эффективных конденсаторных конструкций. Актуальность работы подтверждается тем, что аналогичные исследования в течение последних 5 лет проводятся учеными ряда зарубежных стран -Германии, Швейцарии, Франции, США. В последнее время количество публикаций в открытой печати, посвященных сегментированной металлизации, сведено к минимуму, что, по понятным причинам, является результатом политики компаний-производителей конденсаторов. Несмотря на. давний интерес к проблеме, на данный момент не существует общепринятой модели процесса самовосстановления в электрических конденсаторах, как со сплошными, так и с сегментированными электродами; Расчет зоны деметаллизации, а также энергии, выделившейся: при; СВ, производится различными авторами на основании не всегда корректных допущений о природе процесса разрушения металлических слоев. Закономерности электродинамического разрушения металлов изучаются; в области исследования электрического взрыва проводников (ЭВП), однако результатов, применимых к рассматриваемым конструктивным особенностям конденсаторов в литературе найти не удалось. В связи с вышеизложенным была определена цель, работы:

Изучить закономерности электродинамического разрушения металлизированных электродов: МПК и предложить; соответствующую инженерную методику расчета; конструкции электродов; с целью создания конденсаторов с повышенными удельными характеристиками.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать экспериментальные методики изучения процессов электродинамического разрушения нанометровых металлических электродов МПК.

2. Экспериментально изучить и выявить основные закономерности разрушения металлизированных электродов в диапазоне 10 не - 100 мкс.

3. Разработать адекватную математическую модель разрушения металлизации.

4. Предложить инженерную методику расчета параметров металлизированных электродов с целью совершенствования выпуска новых типов МПК.

Методика исследования.

Экспериментальные исследования процессов электродинамического разрушения металлизированных электродов проводились на промышленных образцах полимерных (1Ш, ПЭТФ) металлизированных (Al, Zn) пленок. При проведении испытаний использовались . разработанные методики исследования электродинамического разрушения металлизации в субмикросекундном и микросекундном масштабах времен. Для оценки площадей разрушения использовалась методика, основанная на обработке цифровых фотографий зон деметаллизации. Также к ним применялась методика расчета фрактальной размерности. Моделирование распределения плотности тока в сегментированной металлизации проводилось методом конечных элементов. Инженерная методика расчета параметров сегментированных электродов основана на математической модели разрушения металлических пленок, напыленных на полимерные пленки.

Научная новизна.

1. Впервые исследована электродинамическая устойчивость тонких цинковых электродов, напыленных на полимерные пленки.

2. Экспериментально установлено, что при быстрых временах взрыва (10-20 не) в алюминиевых и цинковых пленках на первой стадии наблюдается механизм пространственно-неоднородного разрушения металлизации, представляющего собой появление чередующихся слоев (страт) с металлом и без него, ориентированных поперечно линиям напряженности поля. Указанный механизм не соответствует классическим моделям, связанным с МГД или электротепловой неустойчивостью. После завершения первой стадии возникает вторая стадия разрушения, обусловленная развитием дугового разряда.

3. Получен комплекс экспериментальных данных о величине напряжения перекрытия межэлектродных промежутков в планарной системе при расстояниях 10-2000 мкм, " который позволяет оптимизировать конденсаторную конструкцию с точки зрения остаточных явлений разрушения металлизации при самовосстановлении.

4. На основе проведенных исследований создана математическая модель, учитывающая теплофизические и электрофизические свойства полимерных подложек и металлизации, адекватно описывающая процессы деградации металлического слоя в условиях больших электродинамических нагрузок.

Практическая значимость.

1. Разработаны экспериментальные методики и аппаратура для исследования электродинамической устойчивости тонких металлизированных электродов.

2. Получен комплекс экспериментальных данных по электродинамическому разрушению металлизированных электродов, который следует учитывать при разработке новых конденсаторных конструкций.

3. Результаты по электрической прочности межэлектродных зазоров субмиллиметровой величины могут использоваться при проектировании микроэлектронных изделий, что представляет интерес в области создания микроэлектромеханических систем (MEMS).

4. Разработана инженерная методика расчета оптимальных параметров металлизированных электродов с целью совершенствования выпуска новых типов МПК.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты экспериментальных исследований электродинамического разрушения металлизированных электродов в условиях больших электродинамических нагрузок.

2. При скоростях ввода энергии (0,01-0,1 кДж/г*нс) имеет место пространственно-неоднородный механизм разрушения металлических пленок.

3. Процесс самовосстановления происходит в два этапа и представляет собой электрический взрыв, с последующим развитием дугового разряда, который может быть ограничен применением ряда технических мер.

4. Математическая модель, адекватно описывающая процессы электродинамического разрушения металлических пленок, напыленных на полимерные пленки.

5. Инженерная методика расчета параметров структурированных электродов ? МПК.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XXXIII - XXXVIII Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2005 -2009 г.), XI Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики-2008) (Санкт-Петербург, 2008 г.), 12 Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» (Алушта, 2008 г.), XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2009 г.), V Международной конференции «Электрическая изоляция - 2010» г. Санкт-Петербург, 2010 г.), 18th International Conference DISEE 2010 (Bratislava, 2010 г.).

Публикации по теме диссертационной работы.

1. Белько, В.О. Динамические характеристики процесса самовосстановления в металлопленочных конденсаторах / В.О. Белько, П.Н. Бондаренко, O.A. Емельянов // Электротехника.-2007,- №3.- С.33-38.

2. Белько, В.О. Исследование наносекундного электрического взрыва тонких алюминиевых пленок / В.О. Белько, O.A. Емельянов // Письма в Журнал технической физики. - 2009. - Т.35, №18.- С.58-64.

3. Белько, В.О. Работоспособность сегментированных электродов современных металлопленочных конденсаторов / В.О. Белько, O.A. Емельянов // Научно-технические ведомости СПбГПУ - 2010. - №3(106): Наука и образование.- С.32-40.

4. Емельянов, O.A. Основы электроизоляционной, кабельной и конденсаторной техники : лаб. практикум / O.A. Емельянов, В.О. Белько, П.Н. Бондаренко, М.В. Шемет. - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.— СПб. : Изд-во Политехи, ун-та, 2010. 4.1: Изучение основных характеристик электрических конденсаторов .— 2010 .— 72 с.

5. Емельянов, O.A. Основы электроизоляционной, кабельной и конденсаторной техники : лаб. практикум / O.A. Емельянов, В.О. Белько, П.Н. Бондаренко, М.В. Шемет. - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет .— СПб. : Изд-во Политехи, ун-та, 2010. 4.2: Исследование электрофизических процессов в системах конденсаторной изоляции.— 2010.—58 с.

6. Белько, В.О. Особенности процесса самовосстановления в металлопленочных конденсаторах / В.О. Белько, O.A. Емельянов // Электрическая изоляция-2010: сборник научных трудов пятой

Международной научно-технической конференции. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010.- С. 145-147.

7. Belko, V.O. Surface flashover between segments in power capacitors' metalized electrodes / V.O. Belko, A.M. Andreev // Proceedings of 18th International Conference DISEE 2010.- Demänovskä Dolina, Slovak Republic.- 2010.- P.211-214.

8. Белько, В.О. Особенности наносекундного электрического взрыва тонких металлических пленок / В.О. Белько // Материалы XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах». 18.05.2009, Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2009. -Т. 1. -С.38.

9. Артюховский, К.Н. Исследование микродуговых процессов в металлизированных конденсаторных пленках / К.Н. Артюховский, В.О. Белько // XXXVIII неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 30 ноября - 4 декабря 2009 г. Санкт-Петербург.— СПб., 2009.- С.58-59.

10. Белько, В.О. Влияние жидких диэлектриков на процесс самовосстановления диэлектрических прочности в металлопленочных конденсаторах / В.О. Белько, O.A. Емельянов // Физика диэлектриков - 2008. Материалы XI Международной конференции. Т.2., СПб, 2008.- С. 133-136.

И. Белько, В.О. Исследование процесса деметаллизации при самовосстановлении в металлопленочных конденсаторах / В.О. Белько // 12-я Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты». 29 сентября-4 октября 2008. Труды.- Крым, Алушта. МКЭЭЭ-2008.: С.20.

12. Белько, В.О. Исследование разрушения металлизации под воздействием тока высокой плотности / В.О. Белько, A.C. Резник // XXXVII неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 24-29 ноября 2008 г. Санкт-Петербург.— СПб., 2008.- С.27.

13. Белько, В.О. Токовая устойчивость металлических электродов электрических конденсаторов / В.О. Белько, A.A. Якимчук, O.A. Емельянов // XXXVI неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 26 ноября - 1 декабря 2007 г. Санкт-Петербург.— СПб., 2008.- С.47-49.

14. Белько, В.О. Фрактальная размерность зоны самовосстановления в металлизированных пленках различных структур / В.О. Белько, O.A. Емельянов // XXXV неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 27 ноября - 2 декабря 2006 г. Санкт-Петербург.— СПб., 2007.-С.30-32.

15. Белько, В.О. Разработка методики оценки работоспособности металлизированного полимера / В.О. Белько, С.П. Журавлев // XXXIV неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 28 ноября - 3 декабря 2005 г. Санкт-Петербург.— СПб., 2006.- С.21-22.

16. Белько, В.О. Оценка совместимости компонентов диэлектрической -системы высоковольтных силовых конденсаторов / В.О. Белько, С.П. Журавлев // XXXIII неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 29 ноября - 4 декабря 2004 г. Санкт-Петербург.— СПб., 2005.- С.36-37.

1 .ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально установлено, что при субмикросекундных (5-500 не) временах разрушения нанометровых (10-30 нм) металлизированных электродов на основе А1 и Ъп, напыленных на полимерные пленки, при плотностях тока (0,5-3)* 10 А/м" имеет место пространственно-неоднородный характер разрушения металлизации, представляющий собой появление чередующихся слоев (страт) с металлом и без него, ориентированных поперечно линиям напряженности поля. При этом частота следования страт зависит от плотности тока.

2. Пространственно-неоднородное разрушение металлизированных электродов, по-видимому, имеет кинетическую природу и обусловлено развитием перегревной неустойчивости, возникающей на различных дефектах металлизации и подложки, и. является самосогласованным механизмом, зависящим от напряженности прикладываемого поля, удельного сопротивления и степени дефектности металлического слоя. Установлено, что скорость разрастания страт составляет 10 км/с и более.

3. Энергия, введенная в образец до разрушения меньше не только энергии испарения металла, но и меньше энергии его плавления. Так для А1 электродов, при энергии необходимой для испарения ~13 кДж/г, разрушение происходит на уровне введенной энергии 0,8-1,7 кДж/г. Для Zn металлизации вышеуказанные уровни энергии составляют 2,5 кДж/г и 0,1-0,2 кДж/г соответственно.

4. Экспериментально изучен процесс разрушения металлизированных электродов при более длительных временах (0,5-100 мке) и плотностях тока Ю10-5*10и А/м2 . Получены значения для скорости распространения зон разрушения, которые составляют 50-100 м/с. Отмечено, что существенное влияние на кинетику процесса разрушения металлизированных электродов оказывает отвод тепла в полимерную пленку.

5. На основе проведенных исследований создана математическая модель, учитывающая теплофизические и электрофизические свойства полимерных подложек и металлических слоев, адекватно описывающая процессы разрушения металлизированных электродов в условиях больших токовых нагрузок.

6. Получен комплекс экспериментальных данных о величине напряжения перекрытия межэлектродных промежутков в планарной системе при расстояниях 10-2000 мкм, который позволяет оптимизировать конденсаторную конструкцию с точки зрения остаточных явлений разрушения металлизации при самовосстановлении.

7. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана инженерная методика расчета оптимальных геометрических параметров металлизированных электродов с целью совершенствования выпуска новых типов МПК. Методика выполнена в виде автоматизированной расчетной программы.

1. Кучинский, Г. С., Назаров Н.И. Силовые электрические конденсаторы.— М.: Энергоатомиздат, 1992 .— 319с.

2. Ренне В.Т. Пленочные конденсаторы с органическим диэлектриком. — Л.: Энергия, 1971.-240 с.

3. Кучинский Г.С. Высоковольтные импульсные конденсаторы. Л.: Энергия. 1973, — 176 с.

4. J.B. Ennis, F. W. MacDougall, R.A. Cooper. Recent developments in pulse power capacitors // 2nd International Symposium on Pulsed Power and Plasma Applications, Korea.- 2001.-7 p.

5. W. J. Sarjeant, I. W. Clelland, R. A. Price. Capacitive components for power electronics // Proc. IEEE.-2001.- Vol. 89, № 6.- pp.846-855.

6. W.J. Sarjeant, J. Zimheld, F. W. MacDougall. Capacitors // IEEE Transactions on plasma science.-1998.- Vol. 26, №. 5.- pp.l368-1392.

7. J.R. MacDonald, M.A. Schneider, J.B. Ennis et al. High Energy Density Capacitors // 2009 IEEE Electrical Insulation Conference, Montreal, Canada.-2009.- 5 p.

8. H. G. Wislcen, Th. H. G. G. Weise. Critical Components for High Energy Density Capacitor Modules // IEEE Transactions on magnetic.- 2003.- Vol. 39, №1.- pp.446-450.

9. J. Ennis, F. W. MacDougall, X. H. Yang. Recent Advances in High Voltage, High Energy Capacitor Technology // IEEE Pulse Power Conference Albuquerque, NM.- 2007.- 5 p.

10. E. J. Barshawl, J. White 1, M. J. Chait. High Energy Density (HED) Biaxially-Oriented Poly-Propylene (BOPP) Capacitors For Pulse Power Applications // IEEE Transactions on magnetic.- 2007.- Vol. 43, № 1.- pp.223-225.

11. K.M. Slenes, L.E. Bragg, Compact capacitor technology for future electromagnetic launch applications // IEEE Trans, on magnetic.- 2005.- Vol. 41, №1.- pp.326-329.

12. Rabuffi M. and Picci G. Status Quo and future prospects for metallized polypropylene energy storage capacitors // IEEE Trans, on plasma science.-2002.-Vol.30, № 5. pp. 1939-1942.

13. S. Zhang, B. Zellers, J. Henrish et al. High energy density film capacitors // IEEE Pulsed Power Conference, Proc. of the 19th Intl. IEEE Pulsed Power Conference.- 2009.-pp.779-783.

14. К. M. Slenes, P. Winsor, T. Scholz. Pulse Power Capability of High Energy Density Capacitors Based on a New Dielectric Material // IEEE transactions on magnetic.- 2001.- Vol. 37, № 1.- pp.324-327.

15. J. Ho, T. R. Jow, S.Boggs. Historical Introduction to Capacitor Technology // IEEE Electrical Insulation Magazine.-2010.- Vol. 26, № 1.- pp.20-25.

16. Brown, R.W. Linking corrosion and catastrophic failure in low power metallised polypropylene capacitors // IEEE Transactions on Device and Material Reliability.-2006.- Vol. 6, № 2.- pp. 326-333.

17. Xiaoguang Qi, S. Boggs. Electrothermal failure of metallized film capacitor end connections-computation of temperature rise at connection spots // J. of Applied Physics.- 2003.- Vol.94, №7.- pp.4449-4456.

18. Беленький Б., Горбунов Н. Технологические и материаловедческие проблемы развития конденсаторов и нелинейных полупроводниковых резисторов // Современная электроника.- 2008.- №1.- с. 10-13.

19. Connoly J., Dunn М. High energy density capacitors development at ABB Power T&D // IEEE Int. Conf. on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics.- 1998.-pp.l 10-113.

20. Brown, R.W., Modeling of capacitor parameters related to the metal film layer with partial edge disconnection. IEEE Trans on Components and Packaging.-2007.- Vol. 30.- pp.774 780.

21. Brinkman, W. Corrosion Phenomenon on Evaporated Metal Layers Under Electric Stress //J of Material Science.- 1986.- №21.- pp. 1615-1624.

22. Taylor, D.F. On the mechanism of aluminium corrosion in metalized film AC capacitors. IEEE Transactions on Electrical Insulation.- 1984.- Vol. 19, № 4.-pp.288-293.

23. X. Qi, S. Boggs. Analysis of the effect of end connection quality on the dielectric loss of metallized film capacitors // IEEE Trans. Diel. Electr. Insul.-2004.-Vol. 11.-pp. 990-994.

24. G. Picci and M. Rabuffi. Pulse handling capability of energy storage metallized film capacitors // IEEE Trans. Plasma Sci.-2000.- Vol. 28.- pp.1603-1606.

25. H. Yamadat, T.Fujiwarat and Y.Suzuokit // J. Phys. D: Appl. Phys.-1993.- Vol 26.- p.1328.

26. Reed C.W., Cichanowski S.W. The fundamental of ageing in HV polymer-film capacitors // IEEE Trans. Dielect. Elect. Insul.- 1994.- Vol. 1.- pp.904-922.

27. Klein N. The Mechanism of Self-Healing Electrical Breakdown in MOS Structures // IEEE Trans. On Electron Devices.-1966.- Vol. 13, №. 11.- pp.788805.

28. M. G. Kong, Y. P. Lee. Impact of surface discharge plasmas on performance of a metalized film capacitor // J. of Applied Physics.- 2001.- Vol. 90, №6.- pp.30693078.

29. M. G. Kong, Y. P. Lee. Surface Field Dynamics in dc Film Capacitors under an Impulse Voltage Perturbation // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation.- 2001.- Vol. 8, №2.- pp.293-298.

30. A.M. Андреев, Д.А. Андреев, Е.Б. Мессер, B.C. Хаецкий. К вопросу оптимизации конструкции металлопленочных сегментных конденсаторов // Электротехника. 2007. - № 8. - С.52-56.

31. Канин В.А., Огнев Г.К. Ограничение энергии» самовосстановления, выделяемой в зоне пробоя диэлектрика энергоемких конденсаторов с металлизированными обкладками // Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты.- 1978.-Вып. 4(29).-с.27-32.

32. Fothergill J. et al. Electrical Failure Mechanisms in DC Power Capacitors // Final Report for EPSRC Grant GR/M7423 8/01.-2002.- 6 p.

33. Демиденко Г.Р., Кравчинская Е.Б., Северюхина H.B. Электрическая тренировка пленки как способ повышения качества металлопленочных конденсаторов // Электронная техника. Сер. Радиодетали.- 1969.- Вып. 4(17).- с.39-46.

34. Северюхина Н.В.Процесс самовосстановления в конденсаторах с металлизированными» обкладками // Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты.- 1985.- Вып. 2(59).- с.18-24.

35. Sassoulas Р-О. Self-Healing Breakdown of Metallized Polypropylene // IEEE 7th Int. Conf. on Solid Diel.- 2001.- pp. 275-278.

36. Christen Т., Carlen M. Recent progress in the physics of capacitors // Recent Res. Devel. Applied Physics.-2003.- №6.- pp.517-546.

37. Heywang H. Physical and Chemical Processes in Self-Curing Plastic Capacitors. Colloid and Polymer Science.- 1976.- Vol. 254.- pp. 138-147.

38. J. Kammermaier. Chemical processes during electrical breakdown in an organic dielectric with evaporated thin electrodes // IEEE Transactions on Electrical Insulation.-1987.- Vol. 22, №2.- pp. 145-149.

39. Kammermaier J. Investigation of the Conversion Processes During Breakdown in Capacitors with Metallized Dielectrics. J. Freq.-1964.- Vol.18.- pp. 145-150.

40. ZhongHua Kong, LIN Fuchang, DAI Ling. Calculation of metalized capacitor's inner pressure intensity and its influence on the self-healing characteristics // IEEE Pulsed Power Conference, PPC-2007.- 2007.- pp.899-902.

41. J. Kammermaier, "Physical and Chemical Conditions for Self-healing in Metalized Capacitors", Proc. of Symposium on High-energy-density Capacitors and Dielectric Materials, NRC.- 1981.-p.78.

42. Kammermaier J., Rittmayer G., Birkle S. Modeling of plasma-induced self-healing in organic dielectric. J. Appl. Phys.-1989.- Vol. 66(4).- pp. 1594-1609.

43. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. — М.:Наука, 1968.—244с.

44. Tortai J-H., Denat A., Bonifaci N. Self-healing of capacitors with metallized film technology: experimental observations and theoretical model // J. Electrostatics.-2001.- Vol.53.- pp. 159-169.

45. B. Walgenwitz, J-H. Tortai, N. Bonifaci, A. Denat. Self-Healing of Metallized Polymer Films of Different Nature // International Conference on Solid Dielectrics, Toulouse, France.- 2004.- pp.29-33.

46. Tortai J-H., Denat A., Bonifaci N. Predominance of joule heating effect on the electrode destruction due to a self-healing of a metallized film // Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.- 2000.- pp.674-677.

47. Tortai J.-H., Bonifaci N., Denat A. Diagnostic of the self-healing of metallized polypropylene film by modeling of the broadening emission lines of aluminumemitted by plasma discharge // J. Appl. Phys.-2005.- Vol. 97.- pp. 053304 -053304-9.

48. Shaw D. G., Cichanowski S. W., Yialisis A. A Changing Capacitor Technology Failure Mechanisms and Design Innovation // Proc. of Symposium on High-energy-density Capacitors and Dielectric Materials, NRC, C. W. Reed, Ed.- 1981.-p. 13.

49. Громов В.Ю. Закономерности разрушения электродов металлопленочных конденсаторов. Дис. к-та. техн. наук. JL, 1987.— 240 с.

50. Петренко Л.Г., Биньков С.В. О процессе самовосстановления электрической прочности металлизированных диэлектриков // Электричество.- 1984.- №3.- с.72-74.

51. Чатинян Ю.С., Сараджев В.А., Кургинян Э.В. Расчет процессов самовосстановления электрической прочности после пробоя в конденсаторах с металлизированными обкладками // Электричество.-1984.- №3.- с. 67-69.

52. Кургинян Э.В. Энергетика переходных процессов при самовосстановлении конденсаторов с металлизированными обкладками. Дис. кандидата, техн. наук. Ереван., 1984.— 210 с.

53. Бурцев В.А. и др. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. -М.-Энергоатомиздат.- 1990.-289с.

54. Лебедев С.В., Савватимский А.И. Металлы в процессе быстрого нагревания электрическим током большой плотности // Успехи физических наук.- 1984.- Том 144, Вып. 2.- с.215-250.

55. W.G. Chace, Н.К. Moor. Exploding wires. N.Y.: Plenum press.- V.l, 1959; V.2, 1964; V.3, 1965; V.4, 1968.

56. Г.В. Иваненков, И.В. Глазырин, О.Г. Котова и др. Обзор литературы по моделированию процессов электрического взрыва тонких металлических проволочек // ФИАН.- М.-2004.- 4.1. 26 с.

57. Мартынюк М.М. Фазовые переходы при импульсном нагреве. М : Изд-во РУДН.- 1999.-332 с.

58. Н. Goronkin. Striations in Fast Wire Explosions // J. Appl. Phys.-1968.- № 39.-pp.5345-5346.

59. S. H. Smith. Origin of Striations Due to Mechanical Effects in Fast Wire Explosions // J. Appl. Phys.-1970.- № 41.- p. 3918.

60. С.И.Кривошеев, В.В.Титков, Г.А.Шнеерсон. Двухмерная диффузия поля и магнитогидродинамическое течение при электрическом взрыве одновитковых соленоидов малого объема в мегагауссном магнитном поле // ЖТФ.- 1997,- т. 67, № 4. С. 32-47.

61. J. D. Buneo, J. L. Zirnheld, К. M. Burke, W. J. Sarjeant. Thin Film Geometry Influence on Fusing Wave Shape", Proc. of the 26th Intl. IEEE Power Modulator Symposium.- 2004.- pp. 571-574.

62. A.E.VIastos. Current pause in exploding-wire discharges // J. Appl. Phys.-1967.- Vol. 38, №. 13,- pp. 4993-4998.

63. A.E. Vlastos. Dwell Times of Thin Exploding Wires // J. Appl. Phys.-1973.-Vol. 44, № 5.- pp. 2193-2196.

64. Азаркевич Е.И., Котов Ю.А., Седой B.C. Условия возникновения паузы тока при электрическом взрыве проводников // Журнал технической физики.-1975.-№1.- С.175-177.

65. Абрамова К. Б., Златин А. А., Перегуд Б. П. Магнитогидродинамические неустойчивости жидких и твердых полупроводников. Разрушение проводников электрическим током // ЖЭТФ.-1975.- Т. 69, Вып. 6.- С.2007-2022.

66. G. S. Sarkisov, S. Е. Rosenthal, К. W. Struve. Thermodynamical calculation of metal heating in nanosecond exploding wire and foil experiments // Review of scientific instruments.-2007.- № 78.-pp.043505-043505-5.

67. C.H. Колгатин, Лев M.JI., Перегуд Б.П. и др. Разрушение медных проводников при протекании по ним тока плотностью, большей 107 А/см2 // Журнал технической физики.-1989.- Том 59, Вып.9.- С. 123-133.

68. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга,- М.-Наука.- 2000.- 424 с.

69. Baksht R., Pokryvailo A., Yankelevich Y. Explosion of Thin Aluminum Foils in Air. J. of Appl. Phys.-2004.'- Vol. 96, №. 11.- pp. 6061-6065.

70. L. Zernow, F. Wright Jr., G. Woffmden, in: W.G. Chace, H.K. Moore (Eds.), Exploding Wires Vol. 2, Plenum, New York.- 1962.- pp. 245-262.

71. Marakhtanov M.K., Marakhtanov A.M. Electrical explosion of cold thin metal films // Thin solid films.- 2000.- Vol.359.- pp. 127-135.

72. П.Н.Бондаренко, О.А.Емельянов. Экспериментальное изучение токового разрушения металлизированных полимерных пленок // ПЖТФ.-2005.- Т.31, Вып. 14.- с.67-72.

73. О.А.Емельянов. Локальное разрушение тонких металлических пленок при электродинамических нагрузках // ЖТФ.- 2008.- Т.78, Вып.7.- С.48-56.

74. Е. М. Halstead, J. D. Buneo, W. J. Sarjeant, H. Singh. Energy Balance of Highly Contaminated Surface Flashover on Thin Films // Proc. of the 15th Intl. IEEE Pulsed Power Conference.- 2005.- pp. 990-992.

75. J. D. Buneo, J. L. Zirnheld, К. M. Burke, W. J. Sarjeant. Thin Film Geometry Influence on Fusing Wave Shape // Proc. of the 26th Intl. IEEE Power Modulator Symposium.- 2004.- pp. 571-574

76. J. D. Buneo, J. L. Zirnheld, К. M. Burke, W. J. Sarjeant. Characterization of Pulse Induced Plasma Fueled by Aluminum Metallization // Conference Record of the 31st IEEE International Conference on Plasma Science Abstracts.- 2004.- p. 451.

77. J. D. Buneo, J. L. Zirnheld, К. M. Burke," W. J. Sarjeant. DC VS. AC Effects ofth

78. Thin Film Surface Flashover // Proc. of the 14 IEEE International Pulsed Power Conference.- 2003,- Vol. 2,- pp. 1033-1035.

79. J. L. Zirnheld, S. Olabisi, K. Burke. Electric Explosion of Aluminum Metallized Film // IEEE Transactions on plasma science.-2009.- Vol. 37, № 12.-pp. 2378-2384.

80. Бакшт Р.Б., Лоскутов B.B., Лучинский B.B. Исследование сжатия лайнеров, напыленныз на диэлектрическую подложку // ЖТФ.- 1984.- Т.54, №10.- С.1927-1932.

81. Байков В.И., Благовещенский В.В., Комков Б.Г. Характеристики оптического излучения разряда при электрическом взрыве тонких металлических фольг // ЖТФ.-1975.- Том 45, №5.- С.1128-1132.

82. Роговцев П.Н., Соболев- В.Ф. Формирование слойного импульсного разряда электрическим взрывам алюминиевых фольг субмикронных толщин // ЖТФ.-1987.- Т.57, №10.- С.2014-2016.

83. Duchane D.V., Sacks R:D. Preparation and characterization of thin metal films for exploding-conductor excitation // Analytical chemistry.-1978, Vol. 50, № 13.-pp.1752-1757.t1

84. Duchane D.V., Sacks R.D. Parametric investigation of exploding thin-film excitation // Analytical chemistry.-1978, Vol. 50, № 13.-pp.l757-1762.

85. Капо M. The long term performance of metallized polypropylene capacitor // Toray Ind. JNC.- 1987.- 13p.1. V I

86. Справочник по электротехническим материалам / под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева .— Изд. 2-е, перераб .— Москва : Энергия.- 1974.- 896 с.

87. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Бунин И.Ж. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов. Москва-Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика».-2001.- 116 с.

88. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении.- М.: Наука.- 1994.- 384 с.

89. Mandelbrot В.В. The fractal geometry of nature. New York: Freeman.- 1983.491 p.

90. Федер Й. Фракталы.- М.:Мир.- 1991.- 254 с.

91. Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. Миниатюры из бесконечного рая. — Ижевск: «РХД».- 2001,- 528 с.

92. Иванова B.C. Синергетика. Прочность и разрушение металлических материалов., М.: Наука.- 1992.- 160 с.

93. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. М.: Наука.- 1969. - 512 с.

94. Райзер Ю.П. Физика газового разряда: Учеб. Руководство: Для вузов 2-е изд., перераб. и доп. - М.:Наука. - 1992. - 536 с.

95. И.И. Перепечко. Акустические методы исследования полимеров, Химия, М.-1973.- 296 с.

96. Wolter A.R. Measurements of metallic film densities by an optical technique // Journal of Applied Physics.- 1968.- Vol. 36, №8.- pp. 2377-2381.

97. N.Taketoshi, Т. Baba, A.Ono. Development of a thermal diffusivity measurement system for metal thin films using a picosecond thermoreflectance technique // Meas. Sci. Technol.-2001.- №12.- pp. 2064-2073.

98. А. Карслоу, Д. Егер. Теплопроводность твердых тел. —- М.:Наука.-1964.- 488с.