CN101533711A - 超高功率多层复合膜电容器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层复合膜电容器，包括多个多层膜块体，每个多层膜块体由内电极和两个端电极构成，其中内电极由多个并联的正电极金属层以及多个并联的负电极金属层交替构成，正电极金属层和负电极金属层间均设置有介电层。本发明采用等静压成形工艺，解决了现有的片式多层陶瓷电容器采用烧结工艺制备时电气参数低、成本高、合格率低的技术问题，具有高压、高功率、低成本等优点，大大提高了陶瓷电容器的储能密度，降低了电容器的工艺成本。该电容器可以用在对电容器放电功率和电压要求高的各种领域。

Description

超高功率多层复合膜电容器

技术领域

本发明涉及一种电容器，具体涉及一种多层复合膜电容器。

背景技术

随着电子元器件小型化、低成本、高性能的需求，贱金属内电极片式多层陶瓷电容器也向大容量、超薄层方向发展。贱金属内电极片式多层陶瓷电容器由陶瓷介质、内电极金属层和端电极三层构成。但是，这种结构的陶瓷电容器需要采用烧结工艺制备，一般的烧结温度范围在1200-1300℃之间，低温烧结温度范围在800-1000℃之间。为此，不可避免地要解决不同收缩率的陶瓷介质和内电极金属如何在高温烧成后不会分层、开裂，即陶瓷粉料和金属电极共烧问题，而且导致电容器的介电常数低、耐电强度低、功率低。

发明内容

本发明的目的是提出一种超高功率多层复合膜电容器，其解决了现有的片式多层陶瓷电容器介电常数低、耐电强度低、功率低、采用烧结工艺制备时成本高、合格率低的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种超高功率多层复合膜电容器，其特殊之处是，所述超高功率多层复合膜电容器包括多个多层膜块体1，所述每个多层膜块体1由内电极2和两个端电极3构成，其中内电极2由多个并联的正电极金属层21以及多个并联的负电极金属层22交替构成，所述正电极金属层21和负电极金属层22间均设置有介电层4，所述多个正电极金属层21与其中一个端电极3相连，所述多个负电极金属层22与另一个端电极3相连；所述多个多层膜块体1的相同极性的端电极3并联在一起。

上述正电极金属层21和负电极金属层22采用低温碱金属导电浆材料镍或铜。

上述介电层4是经过锆、钇、锰掺杂的钛酸钡陶瓷粉体。

本发明的优点：该复合膜电容器具有高储能密度、高压、高功率、低成本等优点。这种多层复合膜电容器结合了高介电陶瓷粉体介电常数高和聚合物膜耐电强度高的优点，大大提高了陶瓷电容器的储能密度；并且成形温度低，不需要高温烧结的过程，大大降低了电容器的工艺成本。该电容器可以用在对电容器放电功率和电压要求高的各种领域。

附图说明

图1是本发明超高功率多层复合膜电容器的结构示意图，其中：1-多层膜块体，2-内电极，21-正电极金属层，22-负电极金属层，3-端电极，4-介电层。

具体实施方式

一种超高功率多层复合膜电容器，包括多个多层膜块体，每个多层膜块体由内电极和两个端电极构成，其中内电极由100个并联的正电极金属层以及100个并联的负电极金属层交替构成，正电极金属层和负电极金属层间均设置有介电层，该100个正电极金属层与其中一个端电极相连，该100个负电极金属层则与另一个端电极相连。多个多层膜块体的相同极性的端电极并联在一起构成一个超高功率多层复合膜电容器。正电极金属层和负电极金属层可采用低温碱金属导电浆材料镍或铜。介电层是经过锆、钇、锰掺杂的钛酸钡陶瓷粉体。

本发明制备过程：首先，混合陶瓷粉体及聚偏氟乙烯纳米粉体，由于聚偏氟乙烯含量很低，并加入一定的二甲基甲酰胺作为聚偏氟乙烯溶剂，使混合更加均匀。采用球磨工艺使粉体均匀混合，聚偏氟乙烯粉体均匀包覆于钛酸钡粉体表面，有利于形成均一致密的复合膜。复合粉体均匀混合后，加入松油醇等有机溶剂，配置介电质浆料，要求浆料具较好的稳定性和一定的流动性，并且混合溶剂中各种成分在160℃下均能完全挥发，不会对介质层产生不利的影响。

然后，制备多层膜。由于采用了陶瓷/有机复合材料作为介电材料，所以电容器的成形不需要高温烧结工艺，多层膜电容器的内电极及端电极都可以采用碱金属低温导电浆料，电极浆料要求在较低温(160℃)下固化成形。与普通钛酸钡陶瓷电容器相比，这种复合膜电容器不需要使用贵金属导电材料，并且对导电浆料的收缩匹配性能要求较低，大大降低了电容器的成本。采用丝网印刷工艺制备介电层/内电极层交替的多层膜，介电层厚度为20μm，耐电强度达到>2000V，介电层每层采用多次印刷，每次印刷厚度约为5μm，单层印刷四次，防止宏观孔隙的出现。电极层要求相对较低，每层采用单次印刷成形，内电极结构可采用一般高压陶瓷多层膜电容器设计方法。每印刷一层介电层/内电极后，在一定条件下烘干，然后继续印刷另一层，每个电容器印刷100层。该多层膜电容器可采用大面积设计，介质膜尺寸为选用10cm×10cm。

接着，进行预处理、等静压成形工艺。介电层/内电极多层膜制备好后，进行适当的边角处理，缓慢加热，使介电浆料中的溶剂完全挥发。合理控制预处理工艺，防止多层膜形成裂纹；预处理温度要求较低，防止聚偏氟乙烯材料会发或分解。把预处理的多层膜块体置于特制的磨具中，在160℃下进行等静压处理，使多层膜完全致密化，大大提高其耐电强度；并且在等压条件下，聚偏氟乙烯固化，使多层膜块体形成较高的强度。

最后，制作端电极，并联多个多层膜块体单元。经过等静压处理后形成全致密、无缺陷的多层膜块体单元，具有较高的介电常数(5000)和耐电强度(2000V/20μm)。采用传统工艺制作端电极，并把多个多层膜块体单元并联，形成超高功率多层复合膜电容器。

本发明原理：

本发明以高介电高压电容器掺杂钛酸钡陶瓷粉体为主要介质材料，以少量的聚偏氟乙烯为介质层粘结剂和填隙材料，用低温碱金属导电浆材料作为电极材料，通过丝网印刷工艺制备多层复合膜电容器坯体，在低温(160℃)下进行等静压处理，形成全致密的复合膜电容器。

这种钛酸钡陶瓷粉体经过锆、钇、锰掺杂，具有很高的相对介电常数，达到20000。该粉体采用液相沉淀法(草酸盐沉淀法及水热法)制备，制备过程中采用超高纯原料及电子级纯水作溶剂，确保制备出的陶瓷粉体中碱金属含量极低(含量<10^-8)，碱金属是陶瓷粉体中的主要导电离子，其含量对陶瓷粉体的耐电强度具有决定性影响，经过严格的工艺控制，制备出来的掺杂钛酸钡陶瓷粉具有极高的耐电强度，>100V/μm。

聚偏氟乙烯主要起粘结和填隙作用，由于该复合膜电容器不采用普通陶瓷电容器的高温烧结工艺，陶瓷粉体之间主要靠聚偏氟乙烯的粘结为电容器提供强度；另外，用聚偏氟乙烯填充陶瓷粉体间的空隙，形成全致密的介电层，介电层中的空隙容易被电离击穿，会大大降低电容器的耐电强度。

陶瓷粉体和聚偏氟乙烯的含量对电容器的性能具有重要的影响，聚偏氟乙烯的含量过高，会使电容器的介电常数剧烈下降，例如，当聚偏氟乙烯含量为10wt.％时，复合膜的相对介电常数下降为300(纯粉体时为2000)；聚偏氟乙烯含量含量过低时，不能起到有效的粘结作用，并且无法填满粉体堆积间的空隙，会使复合膜的耐电强度大大降低，研究表明聚偏氟乙烯的含量为2~3wt.％，电容器的综合性能较好，介电常数>5000，耐电强度>2000V/20μm。

陶瓷粉体要进行合理的级配优化，以降低陶瓷粉体密堆积的总孔隙率，假设采用均一的球形粉体，密堆积后孔隙率为26％，也就是说聚偏氟乙烯所占体积最少为26％，即重量百分比约为5％。主要采用直径1μm左右的陶瓷粉体，及部分纳米级陶瓷粉体，经过合理的级配优化后，聚偏氟乙烯的含量最低可降低到2wt.％。

本发明所解决的关键问题是：

1、在保证陶瓷粉体间空隙被充分填充的条件下，尽可能降低聚合物的含量，否则聚合物含量过大会使复合膜介电常数急剧下降；

2、对多层膜坯体进行等静压处理，形成全致密无孔隙的多层膜，否则孔隙的存在会使介质层耐电强度大大降低。

Claims (3)

1、一种超高功率多层复合膜电容器，其特征在于：所述超高功率多层复合膜电容器包括多个多层膜块体(1)，所述每个多层膜块体(1)由内电极(2)和两个端电极(3)构成，其中内电极(2)由多个并联的正电极金属层(21)以及多个并联的负电极金属层(22)交替构成，所述正电极金属层(21)和负电极金属层(22)间均设置有介电层(4)，所述多个正电极金属层(21)与其中一个端电极(3)相连，所述多个负电极金属层(22)与另一个端电极(3)相连；所述多个多层膜块体(1)的相同极性的端电极(3)并联在一起。

2、根据权利要求1所述的超高功率多层复合膜电容器，其特征在于：所述正电极金属层(21)和负电极金属层(22)采用低温碱金属导电浆材料镍或铜。

3、根据权利要求1或2所述的超高功率多层复合膜电容器，其特征在于：所述介电层(4)是经过锆、钇、锰掺杂的钛酸钡陶瓷粉体。