CN114420427A - 一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，当采用磁罐与骨架结构的变压器时，通过将第一漆包线绕制在骨架上得到绕组，对预处理后的绕组表面进行气相沉积派瑞林制备得到具有派瑞林膜层的绕组，对气相沉积后的具有派瑞林膜层的绕组与磁罐进行组装得到变压器，对完成组装后的变压器进行二次气相沉积派瑞林膜层；当采用磁芯结构的变压器时，通过将预处理后的磁芯表面进行气相沉积派瑞林制备得到具有派瑞林膜层的磁芯，对气相沉积后的具有派瑞林膜层的磁芯进行变压器的绕制，对完成绕制后的变压器进行二次气相沉积派瑞林膜层。有效解决了混合集成电路时变压器初、次级之间击穿及变压器与管壳间放电等导致电路失效的问题。

Description

一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法
技术领域
本发明属于混合集成技术领域，涉及一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法。
背景技术
电子变压器广泛应用于隔离放大器、电源模块、功率驱动等多种类型的混合集成电路中，电子变压器的绝缘强度、介质耐压等性能参数是决定其应用及电路性能的重要指标之一。尤其是对于工作电压较高及具有隔离功能变压器的混合集成电路，在测试及使用过程中，变压器初、次级之间电压击穿、变压器与电路管壳间放电等导致电路失效的问题时有发生。除漆包线损伤等自身缺陷外，最容易被击穿的薄弱部位通常为漆包线与磁体、漆包线与金属管壳等间距较小且存在较高电压差之处。
为了提高变压器的绝缘性，通常针对变压器所使用的漆包线进行工艺更改，即更换为绝缘阻抗更高的漆皮材料或增加线径及漆皮厚度，但上述方法对变压器绝缘性的提高程度仍旧有限，还可能带来漆皮材料兼容性或线圈体积增大等问题，不利于电子器件的小型化、高集成化。
派瑞林(Parylene，也称派拉伦、巴利宁)是一系列聚对二甲苯聚合材料的统称，派瑞林膜层的制备过程为将派瑞林高分子材料在真空下分解成活性小分子，然后沉积在基材表面形成聚合物薄膜涂层，属于一种真空气相沉积技术。利用真空气相沉积工艺形成的派瑞林薄膜厚度均匀可控、透明致密、无针孔、无应力，且具有优异的绝缘强度、抗酸碱性及隔离能力。派瑞林气相沉积工艺在电子领域通常应用于电路外部整体表面处理，目的通常在于外部防护、水汽隔绝、表面耐磨等，但是在提高变压器绝缘耐压方面未查询到相关应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，解决了混合集成电路时变压器初、次级之间击穿及变压器与管壳间放电等导致电路失效的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，所述变压器包括磁罐与骨架结构的变压器或磁芯结构的变压器，包括，
当采用磁罐与骨架结构的变压器时，通过将第一漆包线绕制在骨架上得到绕组，对预处理后的绕组表面进行气相沉积派瑞林制备得到具有派瑞林膜层的绕组，对气相沉积后的具有派瑞林膜层的绕组与磁罐进行组装得到变压器，对完成组装后的变压器进行二次气相沉积派瑞林膜层；
或，
当采用磁芯结构的变压器时，通过将预处理后的磁芯表面进行气相沉积派瑞林制备得到具有派瑞林膜层的磁芯，对气相沉积后的具有派瑞林膜层的磁芯进行变压器的绕制，对完成绕制后的变压器进行二次气相沉积派瑞林膜层。
优选的，派瑞林采用C型派瑞林或F型派瑞林。
优选的，对完成组装后的变压器或对完成绕制后的变压器均进行二次预处理后再进行二次气相沉积派瑞林膜层。
优选的，预处理采用等离子清洗技术，通过Ar等离子体对绕组或磁芯进行轰击；所述二次预处理采用等离子清洗技术，通过Ar等离子体对完成组装后的变压器或对完成绕制后的变压器进行轰击。
优选的，对气相沉积后的具有派瑞林膜层的绕组与磁罐进行组装得到变压器，具体方法为：将磁罐按照方位扣设在绕组的骨架上，将第一漆包线从磁罐的开口处引出。
优选的，磁罐之间采用环氧树脂固定连接。
优选的，第一漆包线与磁罐的开口边缘的距离不小于1mm。
优选的，第一漆包线的引出端采用环氧树脂固定。
优选的，对气相沉积后的磁芯进行变压器的绕制，具体方法为：将第二漆包线按照预设的匝比缠绕在磁芯上。
优选的，当多个绕组同时进行气相沉积时，相邻两个绕组之间的间隙不小于0.5mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，通过在变压器内绕组、磁芯及组装完成后的变压器表面沉积的双层结构派瑞林膜层，在保证变压器磁通量、电感量等特性不衰减的条件下显著提高变压器的绝缘耐压性能，利用高介电强度的派瑞林薄膜隔绝间距较小、电压差较大的漆包线与磁体、漆包线与金属管壳等部位，以解决混合集成电路时变压器初、次级之间击穿及变压器与管壳间放电等导致电路失效的问题。同时，通过本发明气相沉积派瑞林的方法，使得电路内变压器绝缘耐压可得到显著提高，隔离放大器、功率转换模块等混合电路的电性能将同时获得提升，电路在高电压下服役的可靠性也可随之改善，从而减少因产品失效带来的成本，且本专利所述的工艺方法适用于批量生产，具有极高的经济效益。
附图说明
图1为本发明磁罐与骨架结构的变压器的结构示意图；
图2为本发明磁芯结构的变压器的结构示意图；
图3为派瑞林气相沉积设备结构示意图；
图中：骨架1；第一漆包线2；磁罐3；环氧树脂4；磁芯5；第二漆包线6；升华炉7；裂解炉8；沉积腔室9；冷阱10；真空泵11。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所述变压器典型结构如附图1和图2所示，其中一种变压器由第一漆包线2按照电路所需匝比绕制在骨架1上形成的绕组及一对相扣的磁罐3组成，另一种变压器直接为第二漆包线6绕在磁芯5上而形成的，针对两种变压器制定不同的处理流程。
针对第一种变压器，发明一种通过派瑞林气相沉积提高混合电路用变压器绝缘耐压的方法，包括如下步骤：
(1)进行派瑞林膜层制备之前，需完成第一漆包线2在骨架1上的绕制，并对绕制完成的绕组进行预处理，即通过等离子清洗技术利用等离子清洗设备通过Ar等离子体轰击的作用，提高绕组的表面活性，有助于膜层在绕组表面附着力的加强。
(2)预处理完成后的绕组放置于派瑞林气相沉积设备(见附图3)中进行派瑞林膜层制备，对批量绕组进行处理时，被气相沉积的绕组放置于派瑞林气相沉积中时相互之间不宜接触，应存在0.5mm以上间隙，可防止形成的膜层粘连，避免取器件时膜层受到拉扯而破损。
(3)基于提高变压器绝缘性能的需求，通常选择介电常数较高的C型派瑞林；但由于混合集成电路的筛选温度较高，因此当电路有耐长期高温的需求时，应选择兼具高温稳定性及介电强度的F型派瑞林作为原料。
(4)单次气相沉积派瑞林添加的原料质量通常为60g～100g，以保证制备的膜层具有足够的厚度及绝缘性，但不至于过厚而影响绕组外表尺寸变化，造成变压器无法组装。
(5)利用气相沉积完成后的绕组进行变压器的组装，将两半磁罐3按照方位扣在绕组骨架上，如附图1所示，磁罐3之间表面应完全、紧密接触并利用环氧树脂4进行牢固粘接。
(6)第一漆包线2从磁罐3的开口处引出，应利用环氧树脂4将漆包线引出端进行固定，保证第一漆包线2始终保持距离磁罐3开口边缘1mm以上的位置，防止后续因二者相距太近而击穿。
(7)当对变压器的绝缘性能要求极高时，完成组装的变压器可根据需要进行二次沉积，沉积之前同样需进行预处理，预处理及二次沉积的要求与步骤(1) ～步骤(4)中相同。
针对第二种变压器，发明一种通过派瑞林气相沉积提高混合电路用变压器绝缘耐压的方法，包括如下步骤：
(1)需单独对磁芯5进行派瑞林气相沉积，并在气相沉积之前对磁芯5 进行预处理，即通过等离子清洗技术利用等离子清洗设备通过Ar等离子体轰击的作用，提高磁芯5的表面活性，有助于膜层在磁芯5表面附着力的加强。
(2)预处理完成后的磁芯5放置于派瑞林气相沉积设备中进行派瑞林膜层制备，对批量磁芯进行处理时，被沉积磁芯放置于设备中时相互之间不宜接触，应存在0.5mm以上间隙，可防止形成的膜层粘连，避免取磁芯时膜层受到拉扯而破损。
(3)基于提高变压器绝缘性能的需求，通常选择介电常数较高的C型派瑞林；但由于混合集成电路的筛选温度较高，因此当电路同时有耐长期高温的需求时，应选择兼具高温稳定性及介电强度的F型派瑞林作为原料。
(4)单次沉积添加的原料质量通常为60g～100g，以保证制备的膜层具有足够的厚度及绝缘性，但不至于过厚而影响磁芯外表尺寸变化，影响后续线圈绕制及电路组装。
(5)利用沉积完成后的磁芯进行变压器的绕制，即将第二漆包线6按照预先设计的匝比要求绕在磁芯5上。
(6)由于仅在磁芯5表面制备了派瑞林膜层，第二漆包线6表面没有膜层，因此需对完成绕制的变压器进行二次沉积，沉积之前同样需进行预处理，预处理及二次沉积的要求与步骤(1)～步骤(4)中相同。
以下详细说明均是实施例的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
派瑞林系列是一个十分庞大的家族体系，其中的基础类型为仅由C、H、O 元素组成的N型派瑞林。当N型派瑞林被不同取代基取代后，会表现出不同的物理和化学性质。研究表明，经卤素取代后所得的C型、D型、F型产品性能尤为突出。不同类型派瑞林材料真空气相沉积形成的薄膜性能也有所不同。例如N型派瑞林分子渗透能力强，能有效的在各种细缝或针孔表面形成薄膜；C 型派瑞林具有优良的介电性能和物料机械性能，具有极低的水分子及腐蚀性气体穿透率，形成的薄膜材料能够承受大部分有机溶剂的侵蚀，但是其高温性能不佳，在空气中只能承受130℃以下温度；D型派瑞林热稳定性好；F型派瑞林材料作为新开发的一种材料，兼顾了C型和D型派瑞林的众多优点，例如高热稳定性(耐高温450℃)、高化学稳定性及低吸湿性。针对变压器、磁体、线圈、漆包线等尺寸较小、形状复杂、存在大量缝隙的器件，派瑞林气相沉积可实现批量处理，形成一致性、完整性高且能够渗入缝隙的膜层，具有很高的生产效率。
1、实施例一：
变压器为磁罐加骨架的结构，使用Φ0.08mm线径的漆包线，按照电路所需匝比绕制在骨架上；变压器绝缘耐压要求为初、次级之间在AC 2500V下漏电流不超过0.050mA，且在DC 3500V下漏电流不超过1mA；电路在筛选时有在 150℃下高温条件进行考核的需求。派瑞林气相沉积设备如图3所示，包括升华炉7；裂解炉8；沉积腔室9；冷阱10；真空泵11。具体的工艺步骤为：派瑞林通过在升华炉7加热气化后，再经裂解炉8高温裂解成游离的气相分子，进入沉积腔室9中，并通过真空泵11和冷阱10的作用下使温度降至室温，在真空条件下瞬间吸附在变压器上聚合成膜，形成气密性很好的保护膜。
(1)绕组首先进行预处理，即利用等离子清洗设备通过Ar等离子体轰击的作用，提高绕组的表面活性，有助于膜层在绕组表面附着力的加强。
(2)预处理完成后的绕组置于派瑞林气相沉积设备中进行膜层制备，对批量绕组进行处理，放置于设备中时绕组之间存在0.5mm以上间隙。
(3)由于电路的筛选温度较高，因此选择兼具高温稳定性及介电强度的F 型派瑞林作为原料。
(4)单次沉积添加80g质量的原料，以保证制备的膜层具有足够的厚度及绝缘性，但不至于过厚而影响绕组外表尺寸变化，造成变压器无法组装。
(5)利用沉积完成后的绕组进行变压器的组装，将两半磁罐按照方位扣在绕组骨架上，磁罐之间表面完全、紧密接触并利用环氧树脂进行牢固粘接。
(6)漆包线从磁罐的开口处引出，利用环氧树脂将漆包线引出端进行固定，保证漆包线距磁罐开口边缘有1mm以上的距离。
(7)由于对变压器的绝缘性能要求极高，远远超过Φ0.08mm漆包线的额定耐压，完成组装的变压器需进行二次沉积，沉积之前同样进行预处理，沉积时选择F型派瑞林作为原料，单次沉积添加80g质量的原料。
2、实施例二：
变压器为磁罐加骨架的结构，使用Φ0.08mm线径的漆包线，按照电路所需匝比绕制在骨架上；变压器绝缘耐压要求为初、次级之间在AC 1500V下漏电流不超过1mA，且在DC2000V下漏电流不超过1mA；电路在筛选考核时及后续服役过程中温度不超过125℃。
(1)绕组首先进行预处理，即利用等离子清洗设备通过Ar等离子体轰击的作用，提高绕组的表面活性，有助于膜层在绕组表面附着力的加强。
(2)预处理完成后的绕组置于派瑞林气相沉积设备中进行膜层制备，对批量绕组进行处理，放置于设备中时绕组之间存在0.5mm以上间隙。
(3)由于电路的筛选及工作温度不超过125℃，因此选择介电常数较高、在130℃以下具有良好耐温性能的C型派瑞林作为原料。
(4)单次沉积添加80g质量的原料，以保证制备的膜层具有足够的厚度及绝缘性，但不至于过厚而影响绕组外表尺寸变化，造成变压器无法组装。
(5)利用沉积完成后的绕组进行变压器的组装，将两半磁罐按照方位扣在绕组骨架上，磁罐之间表面完全、紧密接触并利用环氧树脂进行牢固粘接。
(6)漆包线从磁罐的开口处引出，利用环氧树脂将漆包线引出端进行固定，保证漆包线距磁罐开口边缘有1mm以上的距离。
(7)该变压器的绝缘特性要求略微超出漆包线的额定绝缘耐压，因此仅进行一次沉积、形成单层派瑞林膜层即可满足要求，不再进行二次沉积处理。
3、实施例三：
变压器为磁芯加漆包线绕组的结构，使用Φ0.15mm线径的漆包线，按照电路所需匝比绕制在磁芯上；变压器绝缘耐压要求为初、次级之间在AC 2000V 下漏电流不超过1mA，且在DC 2800V下漏电流不超过1mA；电路在筛选考核时及后续服役过程中温度为150℃。
(1)磁芯首先进行预处理，即利用等离子清洗设备通过Ar等离子体轰击的作用，提高磁芯的表面活性，有助于膜层在磁芯表面附着力的加强。
(2)预处理完成后的磁芯置于派瑞林气相沉积设备中进行膜层制备，对批量磁芯进行处理，放置于设备中时磁芯之间存在0.5mm以上间隙。
(3)由于电路的筛选温度较高，因此选择兼具高温稳定性及介电强度的F 型派瑞林作为原料。
(4)单次沉积添加60g质量的原料，以保证制备的膜层具有足够的厚度及绝缘性，但不至于过厚而影响磁芯外表尺寸变化。
(5)利用沉积完成后的磁芯进行变压器的绕制，即将漆包线按照预先设计的匝比要求绕在磁芯上。
(6)对完成绕制的变压器需进行二次沉积，沉积之前同样进行预处理，沉积时选择F型派瑞林作为原料，单次沉积添加60g质量的原料。

Claims (10)

1.一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，其特征在于，所述变压器包括磁罐与骨架结构的变压器或磁芯结构的变压器；包括，
当采用磁罐与骨架结构的变压器时，通过将第一漆包线绕制在骨架上得到绕组，对预处理后的绕组表面进行气相沉积派瑞林制备得到具有派瑞林膜层的绕组，对气相沉积后的具有派瑞林膜层的绕组与磁罐进行组装得到变压器，对完成组装后的变压器进行二次气相沉积派瑞林膜层；
或，
当采用磁芯结构的变压器时，通过将预处理后的磁芯表面进行气相沉积派瑞林制备得到具有派瑞林膜层的磁芯，对气相沉积后的具有派瑞林膜层的磁芯进行变压器的绕制，对完成绕制后的变压器进行二次气相沉积派瑞林膜层。
2.根据权利要求1所述一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，其特征在于，所述派瑞林采用C型派瑞林或F型派瑞林。
3.根据权利要求1所述一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，其特征在于，所述对完成组装后的变压器或对完成绕制后的变压器均进行二次预处理后，再进行二次气相沉积派瑞林膜层。
4.根据权利要求3所述一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，其特征在于，所述预处理采用等离子清洗技术，通过Ar等离子体对绕组或磁芯进行轰击；所述二次预处理采用等离子清洗技术，通过Ar等离子体对完成组装后的变压器或对完成绕制后的变压器进行轰击。
5.根据权利要求1所述一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，其特征在于，所述对气相沉积后的具有派瑞林膜层的绕组与磁罐进行组装得到变压器，具体方法为：将磁罐按照方位扣设在绕组的骨架上，将第一漆包线从磁罐的开口处引出。
6.根据权利要求5所述一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，其特征在于，所述磁罐之间采用环氧树脂固定连接。
7.根据权利要求5所述一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，其特征在于，所述第一漆包线与磁罐的开口边缘的距离不小于1mm。
8.根据权利要求1所述一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，其特征在于，所述第一漆包线的引出端采用环氧树脂固定。
9.根据权利要求1所述一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，其特征在于，所述对气相沉积后的磁芯进行变压器的绕制，具体方法为：将第二漆包线按照预设的匝比缠绕在磁芯上。
10.根据权利要求1所述一种通过派瑞林气相沉积提高变压器绝缘耐压的方法，其特征在于，当多个绕组同时进行气相沉积时，相邻两个绕组之间的间隙不小于0.5mm。
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