CN103797552B - 聚四氟乙烯薄膜电容器 - Google Patents
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Abstract
一种电容器，包括：第一电极(11)，第二电极(13)，被置于第一电极(11)和第二电极(13)之间的聚四氟乙烯薄膜的介电层(10)，聚四氟乙烯薄膜的介电强度大于约500v／um，拉伸强度大于约68.9MPa(10,000psi)(或者，可选的，是拉伸屈服强度大于约13.8MPa(2,000psi))，厚度小于约20微米。
Description
相关申请
本申请要求享有共有且未决的2011年6月3日提交的美国临时申请61/492,991的利益。
技术领域
本发明涉及聚合物薄膜电容器，尤其带有可以在高至约250℃的温度下应用的聚四氟乙烯(PTFE)聚合物薄膜的金属化薄膜电容器和金属箔薄膜电容器。
技术背景
通常，聚合物薄膜电容器包括两个由一层介电薄膜所隔开的金属电极。为了建立箔膜电容器，这两个电极的相对厚度大概在3到100微米之间。或者金属电极可以直接放置在聚合物薄膜上，厚度小于1um，从而建立金属化薄膜电容器。本领域技术人员也将这些电极方式相互结合，创造了混合薄膜电容器。
阻碍薄膜电容器更广泛应用的问题之一是其有限的温度范围。大多数聚合物薄膜电容器使用具有玻璃软化温度小于150℃的聚合物树脂。这使得连续使用操作温度一般被限制在120℃以下。具有较高玻璃软化温度的聚合物的电容器包括：PPS(聚苯硫醚)，PI(聚酰亚胺，例如，Kapton)，PC(聚碳酸酯)以及PTFE。然而，这些聚合物以及其他一些聚合物都缺乏制作薄膜电容器所需的其他性能。这些额外所需的性能中的部分是：低介电损耗、自愈的能力、高介电强度、以及高机械强度。
发明内容
本发明提供了一种具有高工作温度的薄膜电容器，这种电容器具有PTFE聚合物薄膜，克服了薄膜电容器的已知薄膜的局限性。
具体地，本发明提供一种电容器，具有第一电极，第二电极，被置于第一电极和第二电极之间的聚四氟乙烯薄膜介电层，聚四氟乙烯薄膜介电层的介电强度大于约500V/um，拉伸强度大于约10,000psi(或者，可选的，拉伸屈服强度大于约2,000psi)，其厚度小于约20微米。优选地，聚四氟乙烯薄膜是强化膨体聚四氟乙烯薄膜，并且上述的第一电极和第二电极中的至少一个的厚度是小于约100纳米的，其通过诸如蒸发或溅射之类的真空沉积过程的沉积而成。这样的电容器可以进行自愈。或者，上述第一电极和第二电极中至少一个是金属箔，其厚度大于约2微米。优选的，电介质膜的厚度小于约15微米，更优选的是小于约10微米，最优选的是约6微米。当温度从室温提高到250摄氏度时，本发明的电容器惊人地具有小于10％的电容量变化。这种出人意料的稳定的高温可操作性在电容器工艺上是一个巨大的进步。
附图说明
图1A和图1B示出了根据本发明的示例性实施例的电容器内部的介电层和电极的侧截面视图。
图1C示出了根据本发明的示例性实施例的电容器内金属化薄膜的俯视图。
图2是某发明和对比例子的损耗因数和温度曲线图。
图3是某些发明和对比例子的标准化电容量和温度曲线图。
图4是某些发明和对比例子的损耗因数和温度曲线图。
图5是某些发明和对比例子的标准化的电容量和温度曲线图。
图6是根据本发明的示例性实施例的一个金属化薄膜电容器中的自愈事件的俯视图。
图7是发明和对比例子中使用的薄膜的应力-应变曲线图。
图8是发明和对比例子中使用的薄膜的对比击穿强度图。
具体实施方式
本发明所包括的PTFE聚合物薄膜电容器可以是薄膜-箔式电容器，或是金属化的薄膜电容器，再或者是两者的混合体。PTFE薄膜是Knox等人在美国专利5,374,473(“Knox‘473”)以及Kennedy等人美国专利7,521,010的专利(“Kennedy‘010”)中所描述的一种新颖的工艺技术的产物。这种独特的聚四氟乙烯薄膜是通过Knox‘473和Kennedy‘010中所详述的过程来制作的，在克服其他聚合物在高操作温度薄膜电容器生产的局限性上，展现出了其进步的特性。
由于金属具有自愈能力，金属化薄膜电容器是高可靠性应用的首选。自愈是在电场击穿事件发生时，由薄金属电极气化引起的一个过程，这个过程导致电极的一个很不重要的区域丢失，但是电容器仍然能够继续发挥其作用。不管是对于关键任务型应用，还是对于诸如驱动电机的开关调节电压这样的必须承受瞬间电压升高的应用，这种现象通常都被称为“适度的失败”，也是一个理想的属性。不是所有的介电聚合物都能有效地自愈。
制作聚合物薄膜电容器的过程包括将介电薄膜和电极的交替层卷绕成一个卷(或可选的，把一个放到另一个上面)，在交替的电极之间具有间隔以使阳极电极在卷的一头，阴极在另一头。然后端部用金属(典型的是锌)进行电弧喷涂，并添加电极引线，并且装置以适合的方式被封装。一些常用的电极是铝、铜、银和锌。一些常用的塑料薄膜是聚丙烯(PP)和聚酯(PET)。这些设备被广泛引用在电力电子行业。
图1A展示出了本发明的示例性实施例的介电薄膜和电极交叠的横截面视图。薄膜10的位置贴近阳极电极11。薄膜12的位置贴近阴极电极13。电极11和13窄于介电薄膜10和12，因此在存在边缘14。通常，介电薄膜10和12的材质是相同的，电极11和13的材质也是相同的。电极可以是金属箔，通常大于2微米，这样薄膜能够卷绕在其上。或者电极可以直接真空沉积到介电薄膜上，从而形成一个金属化薄膜。薄膜上的金属层的厚度通常小于100纳米。
如图1B所示，关于本发明中金属薄膜实施例的自愈方面，当阳极电极11(例如)经历电场击穿事件时，它产生气化区域15，在其中的电极会丢失。但是，由图1C的电极11的俯视图所示，气化区域15是自备的，以至于阳极电极11可以继续工作。
传统的聚四氟乙烯薄膜没有在工作温度要求较高的电容器中得到广泛的应用主要是因为传统的聚四氟乙烯薄膜的质量很差。聚四氟乙烯薄膜通常是通过流延膜制程来制造的，聚四氟乙烯树脂被“浇”在衬垫上，然后熔化形成薄膜。另外一种常用的制作聚四氟乙烯薄膜的工艺是削薄，由此可以将较厚的预制品切割或削成较薄的聚四氟乙烯薄膜。这两种方法制作的聚四氟乙烯薄膜，不足以承受电容器制作过程所需的机械强度，电容器的制作过程需要将薄膜卷绕到芯轴上。被铸造或切削的聚四氟乙烯薄膜在卷绕芯轴时会拉伸并颈缩断开，它们没有足够高的机械拉伸强度。根据专利Kenndy‘010中详述的工艺来制作的薄膜在机器方向上的拉伸强度大于10,000psi，这使得薄膜可以在不被拉伸的情况下就卷绕到芯轴上。最令人惊讶的是，在本发明中，即使是在高达约250摄氏度的高温下，使用这种薄膜的电容器仍然具有适当的性能。如下所述，不同的薄膜被获得并对其用于电容器进行测试：
薄膜A:强化膨体的聚四氟乙烯薄膜，厚度18um,从W.L.Gore&Associates有限公司获得；
薄膜B:强化膨体的聚四氟乙烯薄膜，厚度6um，从W.L.Gore&Associates有限公司获得；
薄膜C:浇铸聚四氟乙烯薄膜，厚度7um,从Saint-Gobain Performance Plastics公司获得；
薄膜D:切削的聚四氟乙烯薄膜，厚度14um，从DeWAL工业公司获得；
薄膜E:聚酰亚胺(Kapton)，厚度12μm，从美国杜邦公司获得；
薄膜F:聚碳酸酯(PC),厚度6μm，从Arizona电容器有限公司获得；
薄膜G:金属化(Al,～2Ω/sq.)聚苯硫醚(PPS)，厚度6μm，从Arizona有限电容器公司获得；
薄膜H:金属化(Al,～2Ω/sq.)聚丙烯(PP)，厚度4μm，从Arizona有限电容器公司获得；
薄膜I:金属化(Al,～2Ω/sq.)聚酯(PET)，厚度6μm，从Arizona有限电容器公司获得；
实施例
样品电容器是通过用于金属化薄膜电容器和金属箔电容器的常见的“果冻卷”制作过程制作的。卷绕薄膜的端部被电弧喷涂以铜或是巴氏合金。之后，导线连接引线被焊接到喷涂的端部以使其能连接测试线夹。使用Instek LCR-819测试仪或是Keithley 3330精密LCZ测试仪对电容器的电容量和损耗因子随着温度的变化进行测量。
发明实施例1
金属箔膜电容器是通过薄膜A卷绕有厚度为12μm的金属箔制成的。铜喷涂端部被用作电极终端。
发明实施例2
金属箔膜电容器是通过薄膜B卷绕有厚度为12μm的铜箔制成的。铜喷涂端部被用作电极终端。
对比实施例A
金属箔膜电容器是通过薄膜E卷绕有厚度为12μm的铜箔制成的。铜喷涂端部被用作电极终端。
对比实施例B
金属箔膜电容器是通过薄膜F卷绕有厚度为5μm的铝箔制成的。巴氏合金喷涂端部被用作电极终端。
图2出示了对比实施例A和B与发明实施例1和2的箔膜电容器结构的损耗因数随着温度的变化的对比图。使用在1kHz时带有1V测试信号的Keithley3330精密LCR测试仪来对损耗因数进行测量。对比实施例A，包括Kapton薄膜，当温度从室温升高到大约200摄氏度时，其显示出了0.1％的损失，超过200摄氏度之后损失因子开始急剧增加。对比的实施例B，包括聚碳酸酯薄膜，在150摄氏度以上显示出损耗因数的增加。这两种薄膜都不适合制作在200摄氏度以上的温度下使用的电容器。相反，在从室温升高到300摄氏度的温度范围内，本发明的实施例1一直停留在测量尺度的最低点。本发明的实施例2同样也只有极其小的损耗因数，但是在大约250摄氏度可以看到有损耗增加。这两种实施例都适用于制造在高达约250摄氏度下工作的金属箔膜电容器。
图3显示了对比实施例A和B与发明实例1和2的箔膜电容器结构的电容量随着温度变化的对比图。使用在1kHz时带有1V测试信号的Keithley 3330精密LCR测试仪来对电容量进行测量。对比实施例A，含有Kapton薄膜，在温度从室温上升到大约250摄氏度时只显示出了很小的变化。对比实施例B，含有聚碳酸酯薄膜，在150摄氏度以上显示出了电容损失的增加。这两种薄膜都不适用于制作高温下工作的电容器。相反，在温度从室温一路上升到大约250摄氏度时，本发明的实施例1和实施例2的室温电容量一直保持在5％以内。这两种实施例都适用于制造在高达约250摄氏度下工作的金属箔膜电容器。
本发明的实施例1和实施例2都具有令人惊讶的结果。试图卷绕对比组聚四氟乙烯薄膜的先前尝试导致了薄膜拉伸，因为薄膜的机械拉伸不能适应薄膜卷绕的强度。正是因为这个原因，电容器制造商更愿意使用厚一些的聚四氟乙烯薄膜。另外，电容器制造商更经常使用多层的聚四氟乙烯薄膜，以确保薄膜上会引起介电击穿的任何针孔或是缺陷不重叠。本发明所提供的单层聚四氟乙烯薄膜已经被用来制作金属箔膜电容器。此外，如果考虑到本发明的实施例2中的薄膜只有6微米厚，这一结果会更加令人印象深刻。
接下来，使用常见的“果冻卷”制作工艺用金属化薄膜来制造原型电容器。
本发明的实施例3
薄膜A由蒸镀铝(～6Ω/□)金属化，宽度大约为0.875",边距为0.125"，然后使切成大约1"的条。使用传统的金属化薄膜电容器制作工艺将左边缘条和右边缘条卷绕到一起来。一种铜端部喷涂被使用，并且导线引线被环氧连接到喷涂端部。
本发明的实施例4
薄膜B由蒸镀铝(～6Ω/□)金属化，宽度大约为0.875",边距为0.125"，然后使切成大约1"的条。使用传统的金属化薄膜电容器制作工艺将左边缘条和右边缘条卷绕到一起来。一种铜端部喷涂被使用，并且导线引线被环氧连接到喷涂端部。
对比实施例C
如上所述，薄膜G(金属化PPS)的1"宽的狭缝对(左右两边缘)被卷进上述电容器中。巴氏合金端部喷涂被应用到薄膜的两端，并且引线也被焊接到两端。
对比实施例D
如上所述，薄膜H(金属化PP)的1"宽的狭缝对(左右两边缘)被卷进上述电容器中。巴氏合金端部喷涂被应用到薄膜的两端，并且引线也被焊接到两端。
对比实施例E
如上所述，薄膜I(金属化PET)的1"宽的狭缝对(左右两边缘)被卷进上述电容器中。巴氏合金端部喷涂被应用到薄膜的两端，并且引线也被焊接到两端。
本发明的实施例3和4以及对比实施例C、D、E都是用与前述金属箔膜电容器相同的方法来进行测试的。图4示出当温度从室温上升到超过250摄氏度时，本发明的实施例3和4的损耗因数的增加低都于1％，然而在温度高于大约200摄氏度时，对比实施例C、D、E的损耗因子都大于1％。图5可以示出了金属箔膜电容器电容量的相对变化。当温度从室温升高到250摄氏度时，只有本发明的实施例3和4的电容量的改变小于10％。
迄今为止，能在超过约200摄氏度的温度下工作的金属化薄膜电容器还不存在。对比实施例C，D，E证明了这一结论。然而，本发明的实施例3和4表明，制作一个可以在超过约200摄氏度的高温下工作的金属化薄膜电容器确实是可以实现的。
除了对金属箔膜电容器的介电材料的上述需求，金属化薄膜电容器还需要它的介电材料可以自愈。一些聚合物，如Kapton，在击穿事件发生时会形成阻抗沟道，因此会降低电容器的绝缘电阻。通过提高实验电压直到介电击穿事件发生，可以对本发明的实施例3和4进行自愈测试。然后，将电容器取消卷绕，在击穿区域中检测金属箔膜。图6示出了自愈事件的图像。聚合物中的孔61的直径大约是25μm，金属清洁区域62的直径大约是1.6mm。本发明的实施例3和4的高压测试表明，介电薄膜的自愈能力是适当的。
本发明提供了一种已经应用到电容器的单层金属化聚四氟乙烯薄膜。此外，如果考虑到本发明的实施例4中的薄膜只有6微米厚，这一结果会更加令人印象深刻。以前在制作聚四氟乙烯电容器上所做的尝试都需要使用多层的聚四氟乙烯薄膜，以避免可用的聚四氟乙烯薄膜的糟糕的介电强度和机械强度。
电容器对于高工作温度的需求要求：薄膜在卷绕成卷时不发生拉伸，具有高的介电击穿强度以实现更高的工作电压，薄膜还需要是薄的以使得它的封装体积可以更小，可以进行金属化，可以进行自愈。为了理解本发明实施例使用的薄膜的独特性，被引用的对比实施例聚四氟乙烯薄膜(薄膜C和D)被进行了测试并与薄膜B进行对比。
聚四氟乙烯薄膜的拉伸强度是通过TA.xt Plus纹理分析仪来检测的，依据ASTMD882-10中所列的步骤并使用了狗骨型样本。薄膜B，也就是Gore聚四氟乙烯薄膜，的可被检测到的最大拉伸强度是20,780PSI，然而，薄膜C(浇铸聚四氟乙烯)为4,571PSI，薄膜D(切削的聚四氟乙烯)为5,050PSI。检测到薄膜A的拉伸屈服强度是4,267PSI，而薄膜C为711PSI，薄膜D为1,422PSI。图7以曲线图的形式显示了不同聚四氟乙烯薄膜的拉伸强度。
图8比较了各种聚四氟乙烯薄膜的击穿强度。检测步骤是按照ASTMD3755-97(2004)进行的。在这个过程中，大于25个个体测试点被带入直接连接由金属化双轴导向聚丙烯所组成的电极之间。一个带有限定圆形孔(窗口)的3milKapton薄膜，其直径为0.25英寸，被放置在聚四氟乙烯薄膜的顶端以约束其连接区域的位置和大小。在金属化聚丙烯薄膜底部和顶部之间发生的与聚四氟乙烯薄膜的连接仅仅存在于Kapton薄膜的孔之中。一个联合研究理论模型介电分析仪7720被用来使电压以500V/s的速度增加，直到击穿事件发生，此时记录下电压值。
为了获得准确的击穿电压的测量值，需要一个精确的测量薄膜厚度的方法。要做到这一点，测量装置MeasureItAll LE 1000-2配备了一个缓慢下降的气动执行器，并被放置在震动和气流隔离罩之间，以确保能够将精确度和可重复度提高到小于0.1μm。
图8显示了薄膜B、C、D的介电击穿区域强度(标准化厚度)的威布尔分布图。薄膜B，Gore聚四氟乙烯薄膜，具有一个典型的击穿强度，定义为一个失败概率为63.2％的击穿强度，电压为756V/um，与之相比较，薄膜C为403V/um，薄膜D为180V/um。
本发明的特定实施例已经使用行业共通的卷绕薄膜结构进行制造。本发明还可以体现为同样应用在工业领域的层叠膜或是平面结构。尽管在这里已经展示和描述了本发明的特定实施例，但是本发明并不局限于附图和说明书。在以下权利要求的范围内，改变和修改可以并入和包含为本发明的一部分是显而易见的。
Claims (28)
1.一种电容器，包括：第一电极，第二电极，第一介电层，以及第二介电层，其中该第一介电层和第二介电层中的每一个包括聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜的介电强度大于500V/μm，在至少一个方向上的拉伸强度大于10,000psi，厚度小于20微米，其中所述第一介电层置于所述第一电极和第二电极之间，其中所述第二介电层置于所述第二电极上与所述第一介电层相对的表面上，其中所述第一电极具有与所述第一介电层相对的暴露的表面。
2.如权利要求1所定义的电容器，其中所述聚四氟乙烯薄膜是强化膨体聚四氟乙烯薄膜。
3.如权利要求1所定义的电容器，其中所述第一电极和第二电极中至少一个厚度小于100nm。
4.如权利要求3所定义的电容器，其中所述第一电极和第二电极至少一个是由真空沉积工艺沉积的。
5.如权利要求1所定义的电容器，所述第一电极和第二电极中至少一个是金属箔，其厚度大于2微米。
6.如权利要求1所定义的电容器，所述电容器是自愈的。
7.如权利要求1所定义的电容器，所述第一介电层和第二介电层中的每一个在室温下具有超过700伏/微米的介电击穿强度。
8.如权利要求1所定义的电容器，当温度从室温升高到250摄氏度时，电容器的电容量的变化小于10％。
9.如权利要求1所定义的电容器，所述第一介电层和第二介电层中的每一个的厚度小于15微米。
10.如权利要求1所定义的电容器，所述第一介电层和第二介电层中的每一个的厚度小于10微米。
11.如权利要求1所定义的电容器，所述第一介电层和第二介电层中的每一个的厚度为6微米。
12.一种电容器，包括：第一电极，第二电极，第一介电层，以及第二介电层，其中该第一介电层和第二介电层中的每一个包括聚四氟乙烯薄膜，所述聚四氟乙烯薄膜的介电强度大于500V/μm，在至少一个方向上的拉伸屈服强度大于2,000psi，厚度小于20微米，其中所述第一介电层置于所述第一电极和第二电极之间，其中所述第二介电层置于所述第二电极上与所述第一介电层相对的表面上，其中所述第一电极具有与所述第一介电层相对的暴露的表面。
13.如权利要求12所定义的电容器，所述聚四氟乙烯薄膜是强化膨体聚四氟乙烯薄膜。
14.如权利要求12所定义的电容器，所述第一电极和第二电极中至少一个厚度小于100nm。
15.如权利要求13所定义的电容器，所述第一电极和第二电极中至少一个是通过真空沉积工艺沉积的。
16.如权利要求12所定义的电容器，所述第一电极和第二电极中至少一个是金属箔，其厚度大于2微米。
17.如权利要求12所定义的电容器，所述电容器是自愈的。
18.如权利要求12所定义的电容器，所述第一介电层和第二介电层中的每一个在室温下具有超过700伏/微米的介电击穿强度。
19.如权利要求12所定义的电容器，当温度从室温升高到250摄氏度时，电容器的电容量的变化小于10％。
20.如权利要求12所定义的电容器，所述第一介电层和第二介电层中的每一个的厚度小于15微米。
21.如权利要求12所定义的电容器，所述第一介电层和第二介电层中的每一个的厚度小于10微米。
22.如权利要求12所定义的电容器，所述第一介电层和第二介电层中的每一个的厚度为6微米。
23.如权利要求1所定义的电容器，其中所述第一电极、所述第二电极以及所述第一介电层和第二介电层具有定义交替层的配置，在所述交替层之间具有间隔以使得所述第一电极在所述电容器的第一头且所述第二电极在所述电容器的第二头。
24.如权利要求12所定义的电容器，其中所述第一电极、所述第二电极以及所述第一介电层和第二介电层具有定义交替层的配置，在所述交替层之间具有间隔以使得所述第一电极在所述电容器的第一头且所述第二电极在所述电容器的第二头。
25.如权利要求23所定义的电容器，其中所述配置是卷式电容器。
26.如权利要求23所定义的电容器，其中所述配置是层叠电容器。
27.如权利要求24所定义的电容器，其中所述配置是卷式电容器。
28.如权利要求24所定义的电容器，其中所述配置是层叠电容器。
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