CN107305811B - 具有锆钛酸铅镧电介质的陶瓷卷绕电容器 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷卷绕电容器(10)包括第一导电层(20)、电介质层(30)、第二导电层(40)以及保护涂层(50)。一种用于制造陶瓷卷绕电容器(10)的方法(200)包括以下步骤：给送(75)承载带(80)；沉积(90)牺牲层(95)、沉积(100)第一导电层(20)、沉积(110)电介质层(30)并且沉积(120)第二导电层(40)，以形成通过牺牲层(95)耦合至承载带(80)上的安排(140)；将安排(140)与承载带(80)和牺牲层(95)分开(130)以创建第一导电层(20)的暴露表面(25)；向第一导电层(20)的暴露表面(25)施加(150)保护涂层(50)；用保护涂层(50)来卷绕(170)安排(140)以形成陶瓷卷绕电容器(10)。

Description

具有锆钛酸铅镧电介质的陶瓷卷绕电容器
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2016年4月18日提交的美 国临时专利申请号62/323,893的权益，所述申请的全部公开内容通过引用并入 本文。
政府许可权声明
这是由阿贡国家实验室(Argonne National Lab)和德尔福汽车系统 有限公司(Delphi Automotive System,LLC)共同开发的一项发明。美国政府 根据美国政府与代表阿贡国家实验室的UChicago Argonne,LLC之间的合同号 DE-AC02-06CH11357并且根据美国政府/能源部(阿贡国家实验室)与德尔福 汽车系统有限公司之间的子合同号4F-31041对本发明拥有一些权利。
技术领域
本公开总体上涉及一种陶瓷卷绕电容器、并且更具体地涉及一种具 有锆钛酸铅镧(PLZT)电介质材料的陶瓷卷绕电容器。
背景技术
众所周知，目前在电动汽车逆变器中使用的这类高压、薄膜卷绕电 容器需要较大的封装体积。驱动薄膜卷绕电容器的物理尺寸的主要特征是，在 其上施加电容性元件并随后卷绕的薄膜的厚度。在所述卷绕电容器的制造期 间，所述薄膜还起到衬底或承载带的作用。典型的承载带是具有大于50微米 (50μm)的厚度的聚合物材料、并且比构成或形成这些电容性元件的层厚许 多倍。当卷绕时，厚的承载带成为成品电容器的直径的最大贡献者。不利的是， 由于较薄的材料的成本增大，并且由于在制造过程中更容易发生薄膜破裂而导致设备的停用时间增加，所以使用较薄的承载带来制造薄膜卷绕电容器更昂 贵。当今的薄膜电容器的另一个缺点是，服务温度受到薄膜材料的限制，所述 温度可以低至85摄氏度(85℃)。
发明内容
在此描述了一种高压陶瓷卷绕电容器，所述高压陶瓷卷绕电容器可 以在最终组装中不包括承载带的情况下被卷绕、并且使用薄膜电容器制造方法 来制造。
根据一个实施例，提供了一种陶瓷卷绕电容器。所述陶瓷卷绕电容 器包括限定了暴露表面的第一导电层。所述陶瓷卷绕电容器还包括电介质层， 所述电介质层由锆钛酸铅镧(PLZT)形成，与所述第一导电层以同所述暴露 表面相反地直接接触。所述陶瓷卷绕电容器还包括第二导电层，所述第二导电 层与所述电介质层以同所述第一导电层相反地直接接触。所述陶瓷卷绕电容器 还包括与所述暴露表面直接接触的保护涂层。所述保护涂层的特征为小于10 微米的厚度，其中，所述第一导电层、电介质层、第二导电层、以及保护涂层形成电容性元件，并且所述电容性元件被卷绕以形成陶瓷卷绕电容器。
在另一个实施例中，提供了一种用于制造所述陶瓷卷绕电容器的方 法。所述方法包括给送承载带的步骤。所述方法还包括沉积牺牲层的步骤。所 述方法还包括沉积第一导电层的步骤。所述方法还包括沉积电介质层的步骤。 所述方法还包括沉积第二导电层以便形成由所述第一导电层、所述电介质层、 以及所述第二导电层形成的安排的步骤，其中，所述安排通过所述牺牲层耦合 至所述承载带上。所述方法还包括将所述安排与所述承载带和牺牲层分开从而 创建所述第一导电层的暴露表面的步骤。所述方法还包括向所述第一导电层的 暴露表面施加保护涂层的步骤。所述方法还包括用所述保护涂层来卷绕所述安排以形成陶瓷卷绕电容器的步骤，其中，所述保护涂层与所述陶瓷卷绕电容器 的第一导电层和第二导电层直接接触。
在阅读以下仅通过非限制性示例的方式并参照附图给出的优选实 施例的详细描述之后，可以清楚地了解另外的特征和优点。
附图说明
现在将通过举例并且参考以下附图来描述本发明，在附图中：
图1是根据一个实施例的陶瓷卷绕电容器的截面端视图；
图1A是图1中的虚线圆圈1A所指示的部分的放大视图；
图2是根据一个实施例的用于制造图1的陶瓷卷绕电容器的设备的 展示；并且
图2A是图2中的虚线圆圈2A所指示的部分的详细视图；
图2B是图2中的虚线圆圈2B所指示的部分的详细视图；
图2C是图2中的虚线圆圈2C所指示的部分的详细视图；
图2D是图2中的虚线圆圈2D所指示的部分的详细视图；
图2E是图2中的虚线圆圈2E所指示的部分的详细视图；并且
图3是根据一个实施例的用于制造图1的陶瓷卷绕电容器的方法的流程 图。
具体实施方式
图1展示了陶瓷卷绕电容器10的非限制性实例。所展示的这些层 的相对厚度不旨在推断与用于形成陶瓷卷绕电容器10的材料的实际层的相对 厚度有关的任何内容、而是仅用于使以下给出的描述更容易地可视。所考虑到 的但未展示出的陶瓷卷绕电容器10的其他特征、例如将陶瓷卷绕电容器10电 连接到其他电路的触点、导线或端子，是电容器制造领域的技术人员将了解的。
所述陶瓷卷绕电容器10包括第一导电层20。通过举例且非限制的 方式，所述第一导电层20可以通过已知的电子束蒸发工艺来沉积。优选地， 所述第一导电层20是铝，其厚度为100纳米(nm)至200nm、并且优选地为 120nm。替代地，所述第一导电层20可以由铂、铜或镍形成。所述第一导电 层20优选地允许氧分子透过其截面。
第一导电层20的第一侧限定了暴露表面25。所述第一导电层20 的、与所述暴露表面25相反的相反侧26与电介质层30直接接触。有利的是， 所述电介质层30是由锆钛酸铅镧(PLZT)形成的。PLZT是具有高介电常数 并且能够在高达150℃的温度下工作的陶瓷材料。PLZT一般被认为具有跨电 压、频率和温度的平坦的电容分布。经验测试表明，8μm的PLZT层厚度在介 电击穿与可靠性之间提供了良好的平衡。
第二导电层40在与所述第一导电层20相反的这侧上与所述电介质 层30直接接触。具有100纳米(nm)至200nm、并且优选地200nm的厚度 的铝可以形成所述第二导电层40。替代地，所述第二导电层40可以由铂、铜 或镍形成。
小于10μm的保护涂层50与所述第一导电层20的暴露表面25直 接接触。所述保护涂层50可以由聚对二甲苯形成，例如来自由美国新泽西州 萨默维尔市(Somerville,NewJersey,USA)的Specialty Coating Systems制造的
Figure BDA0001272621660000041
系列涂层中的一种。所述保护涂层50的厚度理想地小于十微米 (10μm)，以便将所述陶瓷卷绕电容器10的直径最小化。所述保护涂层50 优选地允许氧分子透过其截面。所述保护涂层50的最小厚度取决于所述陶瓷 卷绕电容器10上的设计最大施加电压以及所述保护涂层材料的介电特性、并 且可以由电容器设计领域的技术人员进行计算。
所述第一导电层20、电介质层30、第二导电层40、以及保护涂层 50形成了电容性元件60，并且将所述电容性元件60被卷绕形成陶瓷卷绕电容 器10。在卷绕所述电容性元件60时，所述保护涂层50与所述第二导电层40 被放置成直接接触。
通过举例，700微法(700μF)陶瓷卷绕电容器10的一个非限制 性实施例将对保护涂层50使用2.4μm厚的聚对二甲苯。与用50μm厚的承载 带80(留在原地的)制成的等效电容器的11.5cm直径相比，所得的电容器将 具有6.0厘米(cm)的直径。这导致所述电容器的直径减小了48％，这意味着 陶瓷卷绕电容器10的体积减少了73％、并且在所述部件的封装方面将具有显 着的益处。
另一个非限制性实施例将利用PLZT层作为保护涂层50。与之前 描述的聚对二甲苯涂层材料一样，用于保护涂层50的PLZT的最小厚度取决 于陶瓷卷绕电容器10上的设计最大施加电压以及PLZT的介电特性。
图2展示了用于制造所述陶瓷卷绕电容器10的设备70的非限制性 实例。在步骤75处(图3)，承载带给送卷轴72通过沉积工艺给送承载带80， 其中在步骤90处，在所述承载带80顶部上沉积牺牲层95。在步骤100处，在 所述牺牲层95顶部上沉积第一导电层20。在步骤110处，在所述第一导电层 20顶部上沉积电介质层30。在步骤120处，在所述电介质层30顶部上沉积第 二导电层40，由此形成了安排140。为清晰起见，所述安排140是由第一导电 层20、电介质层30、以及第二导电层40形成的并且通过牺牲层95耦合至所 述承载带80上。在步骤130处，将所述安排140与牺牲层95和承载带80分 开，其中所述第一导电层20的第一表面被暴露出从而创建暴露表面25。在步 骤150处，在所述暴露表面25上沉积保护涂层50，并且在步骤170处，将具 有所述保护涂层50的安排140卷绕在电容器卷起卷轴175上。在卷绕时，保 护涂层50被放置成与第二导电层40直接接触从而形成所述陶瓷卷绕电容器 10。承载带80在与安排140分开之后现在没有了牺牲层95、并且在步骤135 处被收集在承载带卷起卷轴180上，在这里所述承载带可以被再循环到所述工 艺的开始。
图3展示了用于制造所述陶瓷卷绕电容器10的方法200的非限制 性实例。具体而言，方法200与设备70结合使用以便通过沉积工艺来给送承 载带80。
步骤75“给送承载体”可以包括由聚合化合物、例如聚酰亚胺或聚 酯形成的、具有50μm厚度的承载带80。作为一个实例，所述承载带80的厚 度可以从所述陶瓷卷绕电容器10、或几个卷绕电容器的设计宽度变化以允许随 后的分切操作。
步骤90“沉积牺牲层”可以包括光刻胶材料，例如来自美国新泽西 州萨默维尔市的AZ Electronic Materials Corporation的
Figure BDA0001272621660000051
可以使用制 造商的喷雾、软性烘烤和紫外(UV)光暴露建议来施加光刻胶。具有5μm至 15μm、并且优选地10μm的厚度的牺牲层95适合于稳定且挠性的衬底以便在 其上沉积后续的层。
步骤100“沉积第一导电层”可以是利用例如电子束蒸发等蒸发沉积 工艺来沉积铂、镍、铜以及铝之一。优选地，所述第一导电层20是铝，其厚 度在100nm至200nm、并且优选地为120nm，所述厚度提供了适当的导电性 和挠性。所述第一导电层20优选地允许氧分子透过其截面。
步骤110“沉积电介质层”是在10摄氏度和38摄氏度之间的温度下 通过气溶胶喷射工艺进行的。有利的是，所述电介质层30是由PLZT形成的。PLZT是具有高介电常数并且能够在高达150℃的温度下工作的陶瓷材料。 PLZT具有跨电压、频率和温度的平坦的电容分布。经验测试表明，8μm的PLZT 层厚度在介电击穿与可靠性之间提供了良好的平衡。这种沉积工艺是希望的， 因为PLZT材料是典型地需要超过650℃的烧制工艺来将颗粒烧结成固体整体 结构的陶瓷。所述气溶胶喷射工艺在携带空气的陶瓷PLZT颗粒之间产生摩擦， 从而产生所需的热量来在颗粒沉积到第一导电层20上时将其烧结在一起。使 用常规的陶瓷加工方法，烧结PLZT颗粒所需的烧制温度将熔化由聚合物形成 的承载带80。有利的是，就是在低于由聚合物形成的承载带80的熔点的温度 下沉积PLZT的能力实现了在此所描述的薄膜加工方法200。
步骤120“沉积第二导电层”可以是利用例如电子束蒸发的蒸发沉积 工艺来沉积铂、镍、铜以及铝之一。具有100纳米(nm)至200nm、并且优 选地为200nm的厚度的铝可以形成所述第二导电层40、并且提供了适当的导 电性和挠性。
步骤130“将安排分开”可以包括使用溶剂来溶解牺牲层95，例如由 美国新泽西州萨默维尔市的AZ Electronic Materials Corporation制造的AZ Kwik
Figure BDA0001272621660000061
所述溶剂可以通过喷射施加、或者通过将耦合至承载带80上的 安排140浸入溶剂浴中来施加、并且不会有害地影响电容性元件60。在与安排 140分开之后，承载带80现在没有牺牲层95。
步骤135“卷绕承载带”，在承载带卷起卷轴180上收集承载带80， 在所述卷轴处所述承载带可以被再循环到所述工艺的开始。
步骤150“施加聚合物涂层”可以利用聚对二甲苯喷射工艺，例如来 自由美国新泽西州萨默维尔市的Specialty Coating Systems制造的
Figure BDA0001272621660000062
系列涂层。所述保护涂层50的厚度理想地小于十微米(10μm)， 以便将所述陶瓷卷绕电容器10的直径最小化。所述保护涂层50优选地允许氧 分子透过其截面。所述保护涂层50的最小厚度取决于跨所述陶瓷卷绕电容器 10的设计最大施加电压以及所述保护涂层材料的介电特性、并且可以由电容器 设计领域的技术人员进行计算。
步骤170“卷绕安排”是通过电容器卷起卷轴175进行。基于陶瓷卷 绕电容器10的所希望电容，将所述陶瓷卷绕电容器10卷绕成预定直径。替代 地，可以将安排140卷绕到线轴上以便稍后处理成多个单独的电容器。在卷绕 所述电容性元件60时，所述保护涂层50与所述第二导电层40被放置成直接 接触。
相应地，提供了陶瓷卷绕电容器10、用于卷绕陶瓷卷绕电容器10 的设备70、以及用于卷绕陶瓷卷绕电容器10的方法200。通过从最终电容器 组件中消除所述承载带80，可以使用聚合物薄膜制造工艺制造更小直径的陶瓷 电容器。
虽然是根据本发明的优选实施例描述了本发明，但是本发明并不局 限于此，而是仅在以下权利要求书所阐述的范围内。

Claims (7)

1.一种用于制造陶瓷卷绕电容器(10)的方法(200)，所述方法(200)包括：
提供设备(70)，所述设备被配置成用于通过沉积工艺来给送(75)承载带(80)，其中，所述沉积工艺包括：
在所述承载带(80)顶部上沉积(90)牺牲层(95)；
在所述牺牲层(95)顶部上沉积(100)第一导电层(20)；
在所述第一导电层(20)顶部上沉积(110)锆钛酸铅镧(PLZT)的电介质层(30)；
在所述电介质层(30)顶部上沉积(120)第二导电层(40)，从而形成由所述第一导电层(20)、所述电介质层(30)、以及所述第二导电层(40)形成的安排(140)，所述安排(140)通过所述牺牲层(95)耦合至所述承载带(80)上；然后
将所述安排(140)与所述承载带(80)和所述牺牲层(95)分开(130)以限定与所述电介质层(30)相反的所述第一导电层(20)的暴露表面(25)；
向所述暴露表面(25)施加(150)保护涂层(50)；以及
用所述保护涂层(50)来卷绕(170)所述安排(140)以形成陶瓷卷绕电容器(10)。
2.如权利要求1所述的方法(200)，其中，沉积(110)所述锆钛酸铅镧(PLZT)是在10摄氏度与38摄氏度之间的温度下执行的。
3.如权利要求1所述的方法(200)，其中，所述承载带(80)是聚合化合物。
4.如权利要求3所述的方法(200)，其中，所述聚合化合物是聚酰亚胺和聚酯中的一者。
5.如权利要求1所述的方法(200)，其中在将所述承载带(80)与所述安排(140)分开(130)之后由所述设备(70)收集(135)所述承载带(80)。
6.如权利要求1所述的方法(200)，其中卷绕(170)所述安排(140)将所述保护涂层(50)放置成与所述第二导电层(40)直接接触。
7.如权利要求1所述的方法(200)，其中沉积(110)所述电介质层(30)包括喷射所述锆钛酸铅镧(PLZT)。
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