CN105321710B - 薄膜电容器用复合金属板汇流排及含此的薄膜电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明的复合金属板汇流排包括复合金属板层，复合金属板层包含：铝层；所述铝层的一面层压的第一铜层；以及所述铝层的另一面上层压的第二铜层。

Description

薄膜电容器用复合金属板汇流排及含此的薄膜电容器
技术领域
本发明涉及薄膜电容器用复合金属板汇流排及含此的薄膜电容器，具体是，粘结强度优秀且、具备拧紧力矩性质、温度上升物理性质的同时可实现轻量化效果的薄膜电容器用复合金属板汇流排及含此的薄膜电容器。
背景技术
汇流排（bus bar）指可发挥电子部件的电气连接和电流通道作用的板状电气配件。一般汽车配件等受空间限制的配件可以使用汇流排在配件之间设计电气连接和支承结构。薄膜电容器作为混合动力汽车逆变器配件，一般都使用汇流排实施蒸镀薄膜的支承和电气连接。
混合动力汽车（HEV）提供普通发动机汽车或电动汽车没有的电气配件，而且增加了驱动电动机、发电机、蓄电池并需要从12V-42V电源系统到144V-400 V的高电压系统。尤其对电能量的需求大而需要开发之前没有考虑过的高电压/高电流设计和电力转换系统、适用DC-DC逆变器电路的高压/大电流用电容器。而且混合动力汽车需要驱动和起动时由电气电动机供应能量，制动时回收能量的辅助能量储存装置。
另一方面，薄膜电容器作为汽车用逆变器配件，使用板形的大面积汇流排来实施蒸镀薄膜元件的支承以及电气连接。一般汇流排材料广泛使用冲压加工性和导电性较高的Cu，主要使用电解铜（C1100）材料。铜的熔点高可达1084度，导电性也良好，可达98-100IACS%，冲压加工性也良好。但，用铜制作的汇流排是因铜本身材料价格高，比重大可达8.94g/㎤，用纯铜制作汇流排，因其重量较重而容易加大操作上的难度。
所述薄膜电容器包含的电容器元件可以将聚对苯二甲酸乙二酯（PET）树脂、聚炳烯（PP）树脂、聚萘二甲酸乙二酯（PEN）树脂、聚碳酸酯（PC）树脂、聚苯硫醚（PPS）树脂等塑胶薄膜作为绝缘体使用，在所述塑胶薄膜的一面或两面卷绕蒸镀金属的蒸镀薄膜，卷绕的蒸镀薄膜两面喷镀锌、锌合金、锡或锌-锡，形成喷镀面而制造出电容器元件（或元件）。而且根据电容器的用途，在极性不同的N极汇流排和P极汇流排上连接多个电容器元件之后，插入塑胶或金属等材料的壳体内部，然后为电容器内部的保护和绝缘，内部填充环氧树脂或聚氨酯等封装剂，或者将环氧树脂和聚氨酯等异种封装剂填充多层制造。
薄膜电容器的材料在使用电压高或流动电流多时容易发热。薄膜电容器发热，容易降低电气特性，寿命缩短，可靠性也降低。而且目前汽车等领域的配件轻量化需求不断增大，汽车使用的薄膜电容器用汇流排也需要使用既能满足现有的用铜制作的汇流排的物理性质，也可以能实现轻量化效果的汇流排。
本发明的背景技术已在韩国公开专利第2006-0035057号 (2006.04.26.公开，发明名称：添加银涂层的铜-铝复合金属板汇流排及其制造方法)中公开。
发明内容
本发明一方面涉及薄膜电容器用复合金属板汇流排。在一个实施例中，所述复合金属板汇流排包括复合金属板层，复合金属板层包含：铝层；在所述铝层的一面上层压的第一铜层；以及所述铝层的另一面上层压的第二铜层。在所述复合金属板层的整体厚度中，所述第一铜层和第二铜层的厚度分别占10%至25%，所述铝层的厚度占50%至70%，所述复合金属板层的压下率小于10%，延伸率达25%以上，根据ISO 11339标准测定的粘结强度以试样宽度25mm为标准达到10kdf以上。
一个实施例中其特征在于，所述第一铜层和第二铜层的各个厚度比达到1:0.5至1:1.5。
一个实施例中其特征在于，所述复合金属板的整体厚度中，所述第一铜层和第二铜层的厚度分别占15%至25%，所述铝层的剖面厚度占50%至65%。
一个实施例中其特征在于，所述第一铜层和第二铜层的厚度和铝层的各个厚度比为3至8。
一个实施例中，所述第一铜层和第二铜层的厚度分别占0.05mm至0.5mm，所述铝层的厚度是0.3mm至2.0mm。
一个实施例中，所述复合金属板汇流排的厚度是0.5mm至2.5mm。
一个实施例中其特征在于，所述复合金属板层的压下率和延伸率之比是1:2至1:15。
一个实施例中其特征在于，所述复合金属板汇流排的导电性达到60 IACS%以上。
一个实施例中其特征在于，所述复合金属板层的延伸率是25%至35%。
附图说明
图1是本发明一个实施例的复合金属板汇流排示意图；
图2是本发明一个实施例的薄膜电容器的分解透视图；
图3是本发明的所述复合金属板汇流排A-A′方向的剖面图；
图4（a）至（d）是实施例和比较例中制造的汇流排的内侧曲率半径(R=0.5)弯曲试验结果图。
图5（a）和（b）是各实施例的汇流排进行热冲击试验以前和热冲击试验以后的剖面图；
图5（c）和（d）是各比较例的汇流排进行热冲击试验以前和热冲击试验以后的剖面图；
图6（a）至（d）是显示对实施例和比较例中制造的汇流排进行热处理以后汇流排铜层/铝层界面的图片。
具体实施方式
说明本发明时，若对有关的公知功能或者结构的具体说明使本发明宗旨变得模糊则省略该说明。下述用语是根据本发明中的功能进行定义，与使用者、运用者的意图或使用惯例有些差异，因此须以本说明书的整体内容为基础对这些用语进行定义。
本发明一方面涉及薄膜电容器用复合金属板汇流排。图1是本发明一个实施例的复合金属板汇流排示意图。图3是所述复合金属板汇流排A-A′方向的剖面图。根据所述图1和图3，所述复合金属板汇流排100可以包括复合金属板层50，它包括：有一定厚度的铝层10；在所述铝层的一面上以一定厚度层压的第一铜层20；以及所述铝层的另一面上以一定厚度层压的第二铜层22。如上所述，复合金属板汇流排100中第一铜层20和第二铜层22之间包含铝层10即可实现轻量化效果。
一个实施例中，所述复合金属板层50以10%以下的压下率（percentage reductionin thickness）轧制。本说明书中将轧制前和后的所述复合金属板层的厚度之差用比率显示的叫做“压下率”。按照所述压下率制造时，本发明的成型性和硬度以及粘结强度等机械强度好，压下率超过10%以上时本发明的成型性、机械强度和粘结强度会降低。
例如，可以按照0%至10%的压下率制造。例如，可以按照0%至8%的压下率制造。一个实施例中可以按照0%的压下率制造。其它实施例中可以用0%以上至8%的压下率制造。本说明书中所述的“0%的压下率”是指使用0材（退火材料）。具体实施例中所述压下率是可以以0、0.01、0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、9.5和9.9%的压下率制造。
一个实施例中，复合金属板层50的延伸率达25%以上。在所述范围内可确保本发明的成型性，同时硬度和粘结强度等机械性强度好，但延伸率小于25%，则本发明的成型性、机械性强度和粘结强度会降低。本发明中所述延伸率可以根据ISO 6892测定。例如，可以具有25%至35%的延伸率。例如，可以达到25% 至30%。实施例中，所述延伸率可以达到25、26、27、28、29、30、31、32、33、34和35%。
一个实施例中，所述复合金属板层50的压下率和延伸率之比达到1:2至1:15。所述范围内，本发明的成型性和粘合强度均良好，弯曲加工时可以防止界面剥离和发生裂缝，本发明的薄膜电容器的等效串联电阻(ESR)值优秀。例如，可以达到1:2.5 至1:5。例如，可以达到1:3至1:4.5。
一个实施例中，根据ISO 11339测定标准测定的复合金属板层50的粘结强度以试样宽度25mm为准达到10kgf以上。在所述范围内，为制造薄膜电容器用汇流排而弯曲加工时，既能防止界面剥离和发生裂缝的现象，而且导电性和热冲击性也良好。如上所述，弯曲加工时，表面剥离和防裂缝效果优秀而本发明的薄膜电容器会具有较低的等效串联电阻(ESR)值。所述复合金属板层50的粘结强度小于10kgf时，所述弯曲加工时会发生界面剥离和发生裂缝的现象。例如，复合金属板层50的粘结强度可以达到15kgf以上。例如，可以达到10 kgf至20 kgf。实施例中，复合金属板层50的粘结强度可以达到10、11、12、13kgf、14、15、16、17、18、19和20kgf。
一个实施例中，复合金属板层50的整体厚度中第一铜层20和第二铜层22的剖面厚度分别占10%至25%，铝层10剖面厚度占50%占70%。在所述范围的厚度结构中，本发明的轻量性良好，可以确保电气电阻性和拧紧力矩等物理性质。
复合金属板层50的整体厚度中第一铜层20的厚度小于10%时，本发明的导电性和成型性降低，第一铜层20的厚度超过25%时，本发明的轻量性会降低。
复合金属板层50的整个厚度中第二铜层22的厚度小于10%时，本发明的导电性和成型性降低，第二铜层22的厚度超过25%时，本发明的轻量性会降低。
复合金属板层50的整体厚度中，铝层10的厚度小于50%时，本发明的轻量性和成型性降低，所述铝层10的厚度超过70%时，本发明的导电性会降低。
例如，复合金属板层50的整体厚度中，第一铜层20和第二铜层22的剖面厚度分别达到15%至25%，铝层10的剖面厚度是50%至65%。
例如，复合金属板层50的整体厚度中，第一铜层20和第二铜层22的剖面厚度分别达到22%至25%，铝层10的剖面厚度达到53%至56%。
例如，金属复合板层50的整体厚度中，第一铜层20的剖面厚度是10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24和25%。第二铜层22的剖面厚度是10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24和25%。铝层10的剖面厚度是50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69和70%。
本发明中，组成铝层10的铝不受特别限制。例如，可以使用纯铝系列的A1050和A1100系列等，或者使用铜和镁、 锰、硅等合金即A3003、A3004和A5005 系列等。例如，考虑冲压作业性，可以使用纯铝系列的A1050系列。
本发明中组成第一铜层20和第二铜层22的铜不受特别限制，但可以使用纯铜系列的C1100系列或包含铜和异种金属的合金等。实施例中，第一铜层20和第二铜层22可以采用相同或不同的材料制造。
一个实施例中，第一铜层20和第二铜层22可以以1:0.5至1.5的厚度比形成。在所述范围内，电气电阻、拧紧力矩等可以达到良好水平。例如，可以按1:0.8至1.2的厚度比形成。例如，可以按1:1至1.2的厚度比形成。
所述复合金属板汇流排中，第一铜层20和第二铜层22的厚度与铝层10厚度比可以超过1。所述范围内可以确保本发明的电阻、拧紧力矩等物理性质。例如，所述厚度比可以达到3至8。例如，可以达到1、2、3、4、5、6、7和8。
本发明的复合金属板汇流排100可以利用挤压法、引伸法或轧制法或者将这些方法组合制造。例如，可以考虑前述的铝材、铜材和这些粘结性，用轧制法制造。
轧制法可以用普通的热处理方法实施。其热处理温度可以采用常温乃至低于铝和铜熔点的温度。例如，可以达到200℃至400℃。
具体是，在铝本体的两表面层压铜制成结合体。然后，将所述结合体放入保持还原性、惰性或真空气氛的电炉内，以适当温度实施热轧制造出包含铝和铜完全紧贴成一体的包含第一铜层-铝层-第二铜层的复合金属板层50的汇流排。
此时可以再实施一些热处理，将轧制的汇流排放入保持还原性、惰性或真空气氛的电炉内，在适当温度下加热一定时间，加大铝和铜之间的界面结合力而提升机械特性。利用轧制法制造由第一铜层-铝层-第二铜层组成的复合金属板汇流排时，在常温下也可以实施轧制，但是在200℃至400℃的温度范围内实施轧制，会更加容易粘结。
在本发明的一个实施例中，复合金属板汇流排100的厚度可以达到0.5mm至2.5mm。以所述复合金属板汇流排100的整体厚度为准，铝层10的厚度达到0.3mm 至2.0mm，第一铜层20的厚度达到0.05mm至0.5mm，第二铜层22的厚度可以达到0.05mm至0.5mm。
一个实施例中，所述复合金属板汇流排100的导电性可以达到60 IACS%以上。所述IACS(International Annealed Copper Standard)是“国际退火铜标准”，是将纯铜的导电性在20℃下作为100%IACS表示的导电性单位。在所述范围内，可以确保良好的轻量性和经济性，同时可以确保导电性、拧紧力矩等。例如，可以达到60IACS%至85 IACS%。例如，可以达到65至85 IACS%。实施例中，可以达到60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84以及85 IACS%。
本发明的薄膜电容器用复合金属板汇流排与现有铜材料汇流排相比，其轻量化效果可以达到40%以上，成本节省效果可以达到15%以上。
本发明另一方面涉及包含所述复合金属板汇流排的薄膜电容器。图2是本发明一个实施例的包含所述复合金属汇流条的薄膜电容器。图2是本发明一个实施例的薄膜电容器的分解透视图。根据所述图2，所述薄膜电容器1000包括壳体300；所述壳体300内收纳的多个电容器元件200；以及P极汇流排（100a或100b）和N极汇流排（100b或100a）。所述P极汇流排和N级汇流排中一个以上可以是本发明的复合金属板汇流排。
所述薄膜电容器100可以用普通方法制造。实施例中，极性不同的所述N极汇流排（100a或100b）和P极汇流排（100b或100a）上连接多个薄膜电容器元件200以后，插入壳体300内部，作为电容器内部的保护和绝缘，在内部填充环氧树脂或聚氨酯等封装剂制造。
一个实施例中，所述电容器元件200用普通方法制造。例如，在绝缘体塑胶薄膜的一面或两面蒸镀金属制造蒸镀薄膜后，将所述蒸镀薄膜层压或卷绕，在所述层压或卷绕的蒸镀薄膜两面形成金属层制造。实施例中，可以将聚对苯二甲酸乙二酯（PET）树脂、聚炳烯（PP）树脂、聚萘二甲酸乙二酯（PEN）树脂、聚碳酸酯（PC）树脂、聚苯硫醚（PPS）树脂中包含一种以上的薄膜作为所述绝缘体塑胶薄膜使用。
然后，作为薄膜电容器1000内部的保护和绝缘，内部填充环氧树脂或聚氨酯等封装剂，或者将环氧树脂和聚氨酯等异种封装剂填充多层制造出薄膜电容器1000。
所述薄膜电容器1000是使用自动电流调整器（LCR测试仪）在10kHz条件下测定的等效串联电阻（ESR）为0.1mΩ至3.5mΩ。在所述范围内，所述薄膜电容器1000的电气特性良好。例如可以达到0.5mΩ至2.0mΩ。实施例中，可以达到0.1、0.2、0.3、 0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.5、 2.0、2.5、3.0和3.5mΩ。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。对于未说明的内容，此领域的普通技术人员可以充分实施技术上的推理，故不再说明。
实施例与比较例
实施例1-4
在A1050系列的纯铝板材上下层压C1100系列的纯铜板材。然后放入空气气氛下保持200℃至400℃温度的电炉内加热一小时，然后以0%（退火材料）至8%的压下率热轧制作出铝层两面有第一铜层和第二铜层分别以下表1的厚度比形成、包含整体厚度达1mm的复合金属层的材料，并用此制造出薄膜电容器用汇流排。
比较例1
使用以普通的铜形成的汇流排（C1100系列铜形成的材料，厚度1mm）。
比较例2-6
除了如上表1适用压下率，在铝层两面形成将第一铜层和第二铜层以上表1的厚度比包含的复合金属层之外，均与实施例1同样的方法制造出复合金属板汇流条。
实验例
对于所述实施例1-4和比较例1-6的汇流排，对以下物理性质进行了测评。
(1) 延伸率(%):以ISO 6892为测定标准，测定实施例1-4和比较例1-6汇流排的延伸率，并将其结果在下表1中显示。
(2) 粘结强度(kgf/25mm):以ISO 11339为测定标准，以试样宽度25mm为准，测定实施例1-4和比较例1-6的汇流排粘结强度，并将其结果在下表1中显示。
(3) 抗拉强度(MPa):根据ISO 6892测定实施例1-4和比较例1-6汇流排的抗拉强度，并将其结果在下表1中显示。
(4) 硬度(Hv):使用维氏硬度计测定实施例1-4和比较例1-6的汇流排硬度，并将其结果在下表1中显示。
(5)汇流排重量（1 set, g）：用普通方法测定实施例1-4和比较例1-6的汇流排重量，并将其结果在下表1中显示。
(6) 导电性(IACS%):测定实施例1-4和比较1-6汇流排的导电性，在下表1中显示其结果。所述IACS(International Annealed Copper Standard)为“国际退火铜的标准”，是将纯铜的导电性在20℃下定为100% IACS显示的导电性单位。
(7) 电阻(μΩ):对于实施例1-4和比较1-6的汇流排，使用自动电流调整器（LCR），在交流电流10KHz下测定实施例1-4和比较例1-6的汇流排两端之间的电阻，并将其结果在下表1上显示。
(8) 拧紧力矩:对于实施例1-4和比较例1-6的汇流排，使用力矩测量仪观察以10N·m的力量拧紧螺栓时发生裂缝或损伤状况，如果拧紧时没有发生裂缝或损伤，则评为○，否则评为×，并在下表1中显示其结果。
(9) 温度上升试验:制造包含实施例1-4和比较例1-6的汇流排的薄膜电容器，在运行条件下测评汇流排的温度上升程度（℃），并在下表1中显示其结果。
(10) 弯曲试验:对于实施例1-4和比较例1-6的汇流排，分别以R=0.5、1.0、1.5和2.0作为L形弯曲、Z形弯曲及内侧曲率半径（R）实施弯曲后测评是否发生裂缝，没有发生裂缝则评为○，发生裂缝则评为×，并在下表1和图4中显示其结果。
(11) 热冲击试验前、后的铜层和铝层界面分析:对于实施例1-4和比较例1-6的汇流排，在-40℃的温度下放置一小时以后，在105℃下放置一小时为一个循环，反复实施750个循环之后，观察了所述汇流排界面剥离状况以及裂缝是否扩散到他金属界面。金属界面未剥离，裂缝未扩散到他金属界面时评为○，界面剥离或裂缝扩散到他金属界面时评为X，并在下表1和图5中显示其结果。
(12) 热处理后铜层/铝层界面分析:对于实施例1-4和比较例1-6的汇流排，在200℃的温度进行一小时的热处理之后，观察了铜层和铝层界面上新生成的化合物层，然后测定界面层剖面的厚度，在下表1和图6中显示其结果。
(13)测定等效串联电阻(EquivalentSeriesResistance，ESR):制造分别包含实施例1-4和比较例1-6的汇流排的薄膜电容器之后，实施750个循环的热冲击试验，然后使用自动电流调整器（LCR测量仪）测定10kHz下的等效串联电阻（ESR），将其结果在下表1中显示。
【表1】
如上表1所示，本发明实施例1-4的汇流排的等效串联电阻（ESR）低于比较例2-6，电阻、拧紧力矩、温度上升程度与现有铜材料的汇流排显示出同等水平，同时达到轻量化效果。
超出本发明的铝层、第一铜层和第二铜层厚度比率的比较例2至比较例4的轻量化效果不足，或者电阻、拧紧力矩、温度上升程度没有达到现有铜材料的汇流排水平，因此没有达到本发明的效果。现使用的用铜制造的比较例1是，其轻量性低于实施例1-4，压下率超出本发明数值范围的比较例2和3的延伸率和粘结强度降低，弯曲时发生裂缝。
图4（a）至（d）分别显示本发明实施例1、实施例2、比较例2和比较例3的内侧曲率半径（R=0.5）弯曲试验结果。根据上述表1和图4（a）至图4（d），本发明实施例的汇流排在进行弯曲试验时没有发生裂缝，但本发明的超出本发明的第一铜层、第二铜层和铝层厚度范围或者超出压下率制造的比较例2-6的汇流排发生了裂缝。
图5（a）和（b）是分别显示本发明实施例的实施汇流排热冲击试验以前和热冲试验以后的剖面图，图5（c）和（d）是分别显示针对本发明的比较例的汇流排热冲击试验以前和热冲击试验以后的剖面图。根据上述表1、图5（a）至图5（d），制造时压下率超出本发明的压下率，或者超出本发明的第一铜层、第二铜层和铝层厚度范围的比较例2-6的汇流排经过热冲击处理以后发生了铜层和铝层界面剥离现象，裂缝扩散到他金属层界面。
图6（a）是显示热处理以后实施例1汇流排的铜层和铝层界面的图片，图6（a）是显示热处理以后实施例2的汇流排铜层/铝层界面的图片，图6（c）是显示热处理以后实施例3汇流排的铜层和铝层界面的图片，图6（d）是显示热处理以后比较例3汇流排的铜层和铝层界面的图片。根据上述表1和图6（a）至图6（d），在本发明的实施例1-4中，界面上没有形成化合物层，但制造时超出本发明的压下率或者超出本发明的第一铜层、第二铜层和铝层厚度范围的比较例2-6的汇流排其界面形成了化合物层。
铜和铝的化学反应特性强，被阻抗热加热或者在高温环境下使用时，在界面上形成由脆性强的铜和铝形成的金属化合物而降低导电性和机械特性的可靠性以及使用寿命。
以上实施例和特定用语仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所述的技术方案进行修改或者变更；而这些修改或者变更，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例所述技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种薄膜电容器用复合金属板汇流排，其特征在于，
包括：包含铝层、所述铝层的一面层压的第一铜层、以及所述铝层的另一面上层压的第二铜层的复合金属板层；
所述复合金属板层的整体厚度中所述第一铜层和第二铜层的厚度分别占10％至25％，所述铝层的厚度占50％至70％；
所述复合金属板层的压下率小于10％，延伸率在25％以上，根据ISO 11339标准测定的粘结强度以试样宽度25mm为准达到10kgf以上。
2.根据权利要求1所述的薄膜电容器用复合金属板汇流排，其特征在于，
所述第一铜层和第二铜层的厚度比为1:0.5至1:1.5。
3.根据权利要求1所述的薄膜电容器用复合金属板汇流排，其特征在于，
所述复合金属板层整体厚度中所述第一铜层和第二铜层的厚度分别占15％至25％，所述铝层的剖面厚度占50％至65％。
4.根据权利要求1所述的薄膜电容器用复合金属板汇流排，其特征在于，
所述第一铜层或第二铜层厚度与铝层的厚度比为1:3至1:8。
5.根据权利要求1所述的薄膜电容器用复合金属板汇流排，其特征在于，
所述第一铜层和第二铜层的厚度分别为0.05mm至0.5mm，所述铝层的厚度为0.3mm至2.0mm。
6.根据权利要求1所述的薄膜电容器用复合金属板汇流排，其特征在于，
所述复合金属板汇流排的厚度为0.5mm至2.5mm。
7.根据权利要求1所述的薄膜电容器用复合金属板汇流排，其特征在于，
所述复合金属板层的压下率和延伸率之比为1:2至1:15。
8.根据权利要求1所述的薄膜电容器用复合金属板汇流排，其特征在于，
所述复合金属板汇流排的导电性达到60IACS％以上。
9.根据权利要求1所述的薄膜电容器用复合金属板汇流排，其特征在于，
所述复合金属板层的延伸率为25％至35％。
10.一种薄膜电容器，其特征在于，包含权利要求1的复合金属板汇流排。
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