CN110709951A - 聚合物单片式电容器 - Google Patents

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Abstract

一种棱柱形的聚合物单片式电容器结构，其包括多个交织的辐射固化聚合物介电层和金属层。用于制造该结构的方法。选择聚合物电介质的化学成分和电极电阻率参数以最大化电容器的自愈特性和能量密度，并确保在操作温度范围内电容的稳定性和耗散因子。聚合物电介质的玻璃转换温度经过特别选择，以避免在操作温度范围内发生机械松弛，这防止高水分渗透到结构中(这会导致较高的耗散因子和电极腐蚀)。电容器的几何形状和形状受到适当控制，以使电容器暴露于脉冲和交流电时的损耗最小。

Description

聚合物单片式电容器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月16日提交的美国专利申请No.15/625,282的优先权，并且是其后续申请。通过引用将上述申请的公开内容并入本文。
技术领域
本发明一般而言涉及聚合物单片式电容器，并且具体地涉及被配置为具有聚合物介电配方的电容器和被配置为最大化电容器自愈特性、最大化电容器能量密度以及最小化击穿故障、同时维持电容器的高脉冲和纹波电流承载能力最小化的金属电极。
背景技术
聚合物单片式电容器(PMC)具有聚合物电介质和金属化电极，并且其结构与金属化膜电容器(MFC)的结构大致相似，可关注的不同是，金属化膜电容器是通过缠绕或堆叠金属化膜来产生的。作为对应制造方法的结果，MFC不具有单片式结构，因为它是在大气条件下产生的并且在构成层之间包括空气填充的微间隙。此外，金属化膜具有最小厚度，该最小厚度由聚合物化学性质、制造过程以及这种膜必须足够结实以在制造过程、金属化、切成线轴和卷绕成电容器的过程中处理的事实确定。
与MFC形成鲜明对比的是，PMC电容器是在真空中通过在单个工艺步骤中形成数千个聚合物介电层和金属化电极层而制成的。层之间缺乏空气以及层间键合将所得结构转变为基本上单片式结构。这种结构的各个聚合物介电层无针孔，并且在制造过程中，直到已经形成成千上万的聚合物/金属层堆叠之后，整个结构才不会触摸或接触任何东西或暴露于空气(包括堆叠的底部和顶部表面的保护层)。因此，PMC结构的聚合物介电层可以形成为比普通聚合物膜电介质薄100倍之多。这种优势与PMC结构的广泛物理和介电性能相结合，可以产生体积高效的电容器，这些电容器可以用在传统上由其它电容器技术(诸如例如MFC、电解和陶瓷多层电容器(MLC))提供服务的应用中。
目前，涉及在高温、高纹波电流、高电压和电流脉冲以及高能量密度下操作的应用是通过用包括MFC、铝和钽电解电容器以及MLC在内的各种技术制造的电容器来提供服务的。例如，MFC广泛用在各种电气和电子装备中。为了减小MFC的维度(一项日益普遍的任务)，应当减小这种电容器的聚合物膜层的厚度。可以实现的聚合物膜(诸如例如聚丙烯(PP)膜)的厚度的减小程度受到膜制造工艺的限制，并且PP膜的最终厚度通常不小于约2微米。这将可以使用这种膜电容器的电压限制在大约300VDC。因此，对于需要具有PP膜高质量特性的电容器的低电压应用(例如需要25V的应用)，由于其大尺寸和高成本，禁止使用PPMFC。此类低电压应用通常在应用要求高电容时用铝电解电容器提供服务，而在应用要求较低的电容值时用MLC。具有亚微米聚合物电介质的PMC电容器小并且可以用于代替铝电解电容器和MLC，其另外的好处是具有稳定的聚合物电介质特性。
诸如采用DC链(DClink)的应用之类的应用(例如，用在用于混合动力和电动汽车的逆变器中)利用金属化PP膜电容器来最小化纹波电流、电压波动并抑制瞬态效应。用在电动驾驶车辆的电压源逆变器中的此类DC链电容器的关键特点包括自愈特性，以确保良性故障模式、抵挡高纹波电流、低损耗因数(DF)、高电容和高操作温度。这些要求的列表有效地排除了电解电容器和MLC的使用。金属化PP电容器几乎专用于此类DC链应用，其操作温度限制到105℃，电压、纹波电流和电容器寿命的额定值显著降低，并且这种电容器相对大且价格昂贵。因此，至少在汽车工业中，仍然需要减小DC链电容器的尺寸并将电容器的最高操作温度扩展到至少125℃，最好高达140℃。
电容器在最终产品中起关键作用的另一组应用是脉冲电源系统，该系统在短时间内递送能量脉冲。在这里，寻找更小和性能更好的电容器的工作仍在进行中。此类应用的示例包括植入式除纤颤器和大量国防应用，其中尺寸和重量是电容器的关键参数。例如，在植入式除纤颤器中，电容器约占除纤颤器体积的50％，当前在此应用中使用的铝和钽电解电容器的重量可以超过所有其它除纤颤器部件的总重量。在另一种极端情况下，用于发射可能会用在储罐中的轨道枪的金属化PP电容器组目前大于储罐本身。因此，需要开发新的电容器技术以最大化操作温度、处置更高的纹波和脉冲电流并减小电容器的重量和体积，同时改善电容器的寿命和可靠性。
发明内容
本发明的实施例提供了在真空中形成的聚合物单片式电容器，该电容器包括多个聚合物介电层和多个金属化的电极层，每个电极层具有重边缘(heavy edge)。至少一个聚合物介电层包括具有至少1.0的氢碳比和至少0.1的氧碳比的化学结构。在有源电容器区域中，至少一个金属化的电极层的薄层电阻(sheet resistance)值在大约10欧姆/方(ohm/square，方阻值)和100欧姆/方之间。此外，可选地，对于本实施例，可以至少满足以下条件之一：(i)电容器在大于100℃的温度下的耗散系数小于0.02；以及(ii)至少一种聚合物介电材料的玻璃转换温度(glass transition temperature)为至少100℃。
非排他地，并且在至少一个实施例中，至少一个聚合物介电层可以具有至少1.2的氢碳比的化学结构。在任何实施例中，金属化的电极层具有重边缘，其薄层电阻值小于10欧姆/方。可替代地或附加地，在有源电容器区域中，金属化的电极层具有重边缘，其薄层电阻值小于5欧姆/方，和/或金属化的电极层的薄层电阻值可以在约100欧姆/方到约500欧姆/方的范围内。在至少一个实施例中，电容器的特征在于在25℃下的损耗因子大于0.02，和/或在超过140℃的温度下小于0.02。可替代地或附加地，多个聚合物介电层中的每一层包括具有至少1.0的氢碳比和至少0.1的氧碳比的化学结构。在具体的实施例中，在超过140℃的温度下，电容器的耗散因子小于0.01。在至少一个实施例中，所述多个聚合物介电层中的聚合物介电层的玻璃转换温度大于140℃。可选地，电容器的实施例可以包括串联配置的两个或更多个内部电连接。在相关的非排他性实施方式中，电容器具有横向维度为L、W和H的棱柱形，其中L表示电容器的第一范围，电容器沿着该第一范围配备有电气端接，W表示电容器的第二范围，并且H表示电容器在聚合物介电层和金属化电极层堆叠的方向上的第三范围，并且其中第一范围与第二范围之比大于1(并且可选地，大于2)，以最小化为了给电容器充电而电流必须行进的电气路径(以便最小化当电容器暴露于脉冲和交流电流时的电气损耗)。实施例还提供了包括根据本发明的思想构造的聚合物单片式电容器的制造品。
附图说明
结合以下一般未按比例绘制的附图，将会更好地理解本申请的具体实施方式部分中所公开的内容：
图1A和1B提供了两个单体链的示意图。
图2示出了表示对于不同单片式聚合物电容器的损耗因子对温度的依赖性的图。
图3包含表示两个不同的单片式聚合物电容器的电容随时间的时间依赖百分比变化的图，该变化是在温度/湿度测试中测得。
图4包含表示两个不同的单片式聚合物电容器的电容随时间的时间百分比变化曲线的图，该变化是在带有DC偏置电压的温度/湿度测试中测得的。
图5A、5B、5C、5D提供了说明聚合物电容器的实施例的示意图。
图6A、6B、6C示出了使用SEM获得的图像并且图示了在施加端接涂层之前聚合物单片式电容器的电气端接边缘。
一般而言，可以将附图中的元件的尺寸和相对比例设置为与实际的不同，以适当地促进附图的简单、清晰和理解。出于相同的原因，不一定存在于一个附图中的所有元件都必须在另一个附图中示出。
具体实施方式
本发明是针对制造聚合物单片式电容器，其拥有防止电容器的灾难性故障并且仅导致良性失效模式的自愈特性、高温稳定性、耐高温和高湿度环境中的降解以及处置高纹波电流的能力，这表现出例如汽车逆变器应用对聚合物单片式电容器所要求的独特性能。
术语“聚合物单片式电容器”(PMC)用于描述一种电容器，该电容器起源于围绕具有数千个聚合物电介质和电极层的旋转工艺鼓筒生产的多层复合材料或“母电容器”材料。母电容器材料经由一系列工艺步骤和端接步骤从鼓筒上取下并加工成单个电容器，其中工艺步骤包括压母电容器材料、分段成单独的电容器、电极在切割边缘处的蚀刻以防止飞弧(flashover)，并且端接步骤包括在端接边缘处对聚合物进行等离子体灰化以露出铝电极以及在裸露的铝电极上电弧喷涂金属以连接数千个电极层并形成具有两个电极集合的电容器。
可以互换地使用术语“聚合物电介质”和“聚合物介电层”来描述聚合物层，该聚合物层是通过将可辐射固化的单体材料快速蒸发而产生的，该材料在旋转鼓筒上蒸发并冷凝，然后用电子束或UV辐射固化。
术语“固化”、“聚合”和“交联”可互换使用，是指将凝聚的单体材料转化为聚合物介电材料的过程。
术语“金属电极”和“铝电极”可以互换使用来限定聚合物单片式电容器电极，其中铝电极只是一个示例。
术语“电极钝化”是指金属电极(和铝金属电极)在沉积之后立即暴露于含氧等离子体以在其上形成氧化物层，诸如Al2O3氧化物层，这是最稳定且耐腐蚀的铝氧化物。如果没有以这种方式钝化，那么，当多层电容器暴露于湿度时，水合氧化铝形成(Al2O3(H2O))，其没有Al2O3保护性强，从而导致快速电极腐蚀。
术语“重边缘”和“重电极边缘”用于描述位于有源电容器区域外部的电容器电极的一部分，该部分被制成比电容器的有源电极更厚，以促进与将各个电极层连接在一起的涂层(例如，诸如电弧喷涂)的较低电阻接触。
术语“自愈”、“自愈事件”和“清除”可以互换使用，参考微MFC，表示电容的电介质的击穿期间发生的过程，其结果是这两个电极之间的电短路造成电流流动，使短路处附近的薄金属电极熔化(如熔断)，从而隔离故障的地点，保护电容器部件免受介电击穿的破坏，并允许电容器在电容损耗实际上量很小的情况下操作。
术语“等离子体灰化”和“等离子体蚀刻”是指这样的过程，其中，作为聚合物材料转换成低分子气体产物的结果，在氧化性等离子体存在的聚合物材料被“灰化”或烧掉。这种工艺用于去除单片式电容器边缘的聚合物，以露出金属电极，从而可将电极与适当的涂层一起短路以形成电容器终端。
术语“稳定的电容器操作”、“稳定的电容”和“稳定的耗散因子”用于限定电容器，其中在该电容器的操作温度范围内，尤其是在较高温度下，电容或耗散因子不会突然发生变化。例如，如果在最大操作温度下，电容从25℃处的电容下降不超过10％和/或增加不超过20％，那么被设计为在125℃或更高温度下操作的电容器被认为具有稳定的电容。类似地，在最高操作温度下，稳定的电容器的耗散因子(稳定的耗散因子)可以低于25℃时的耗散因子，但在最高操作温度下，其耗散因子的增加不超过约20％。
本发明的思想源于这样的认识，即，可以通过聚合物介电材料的化学结构、其物理特性、金属化电极的厚度和电阻率的约束、电极的处理以及选择可增强电性能的具体电容器形状的独特组合来实现对现有电容器结构的操作特性的缺点的具体解决方案。
特别地，通过选择其玻璃转换温度Tg高于最大操作温度的聚合物电介质，通过设计其特性确保电容器的DF在整个操作温度范围内保持稳定的聚合物电介质，提供了解决扩大PMC的操作温度范围并在至少高达125℃或更高(例如，140℃)的温度下实现稳定操作的问题的答案。已经发现，如果聚合物的的Tg在25℃和最高操作温度之间，那么在Tg下，大多数辐射固化的聚合物的耗散因子增加。此外，在Tg以上，聚合物吸收水分，这对耗散因子和电极腐蚀均具有有害作用。因而，通过本发明，通过配制具有显著高于最大操作温度的Tg的聚合物介电材料，解决了增大耗散因子保持稳定的操作温度范围的问题。
除了满足Tg条件外，选择的电容器还必须具有在发生击穿的情况下自愈的能力。通过设计聚合物介电材料的化学性质解决了最大化PMC自愈特性的问题，其中聚合物中的碳以气体形式有效地被去除(诸如CO、CO2、CH4和C2H6)。具体而言，如果用于生产聚合物电介质的单体材料具有超过1的平均氢碳比和超过0.1的氧碳比，显示出有效去除碳的工艺是可能的。
对于高温和高电流应用，需要满足的另一个条件是电容器电极的高耐腐蚀性，尤其是如果电极包括铝的话。一般而言，铝电极(当在潮湿环境下暴露于高温和DC电压时)会发生电化学腐蚀，从而减小电极面积并增加其电阻率。通过与这些层的沉积一致地钝化本发明的PMC结构的铝层，至少部分地解决了这个问题。发现除了通过暴露于等离子体的常规电极钝化之外，在将母电容器材料烘烤到200℃至280℃范围内的温度后，也导致电极钝化。通过在铝电极和聚合物电介质之间建立有机金属键，可以形成后一种钝化形式。通过辐射固化形成的丙烯酸酯聚合物在聚合物晶格中包含一定百分比的未固化单体，以及小百分比的丙烯酸和经历随机断裂的单体。已经发现，在高温下，这样的功能单体基团与铝电极反应，从而防止水分进入铝。
对于选择的电容器的高温操作还需要满足的另一个条件是减少电容器中的加热损耗。当高温操作与高纹波电流结合使用时，逆变器应用中使用的当前金属化膜电容器可能会失效，从而由于电极电阻中的功率耗散而导致发热。通过明智地构造电容器，使得其终端边缘在PMC的长边缘表面处限定，解决了PMC中的功率损耗最小化的问题。在这样做时，通过使用至少键合到PMC的(一个或多个)端接表面处的电极层的合适金属涂层将电极层的端接区域成形为重边缘，从而另外增加了根据本发明实施例构造的PMC的端接边缘的机械强度。
自愈
根据本发明的一个实施例，选择用于生产(一个或多个)聚合物介电层的单体材料的具体化学性质以促进电容器的自愈过程。在实现本发明的思想时，使用多种可辐射固化的材料生产PMC，所述可辐射固化的材料包括结合了碳-碳双键的单体，这些单体通过辐射制动，从而造成聚合物电介质交联。在一个示例中，此类化学物质包括使用电子束和UV辐射固化的丙烯酸酯单体。通过选择具有高H:C和O:C原子比的丙烯酸酯化学物质，通过辅助AI2O3、CO、CO2、CH3、C2H6和其它从碳-碳双键断裂的位点去除Al和C的烃类气体的形成，改善了自愈性能。当电极熔回(或熔断)时从聚合物层的表面消除Al和C会导致迅速快捷的熔断动作，在此期间，相对少量的电流会流到故障位点。这种过程使由电极之间的电短路造成的损坏最小化，从而允许电容器电极两端的电压以最小的漏电流或没有漏电流流过损坏的介电层的方式恢复。实际上，在替代方式中(当聚合物表面继续在其表面上保持高水平的碳(即，保持“碳化”状态)时)熔断作用将减慢，这导致在单位时间内大量能量被散布于发生故障的位点，从而造成相邻介电层的其它击穿。如果不中断，那么这个过程会导致电容器的热失控故障。虽然在大多数情况下，电容器不一定是由于这种故障而导致故障，但仍然损失了大量的电容。此外，如果不能从聚合物表面充分除去碳，那么会造成过多的漏电流，从而损害电容器的性能。
示例1：为了比较用具有不同化学组成的聚合物制得的PMC的自愈性能，执行了测试以确定在大量自愈事件之后至少通过电容器的漏电流。最初，使用不同的聚合物介电材料生产了包含2000个有源电容器层的母电容器材料(面积为10平方英尺)，但保持了相同的电介质厚度(0.65微米)和电极电阻率(25欧姆/方)。从母电容器材料中分段出单独的芯片(每个芯片的面积为500mm2)并加工成电容器。取决于介电常数，电容器的电容范围为30-35微法。每批中至少有50-80个电容器暴露于300V或更高的DC电压。将这种薄的聚合物电介质暴露在等于或超过300VDC的电压下使得清除电容器介电材料中的弱点或缺陷。在暴露于DC电压之后，测量了各种电容器参数，包括电容、耗散因子、等效串联电阻(ESR)和漏电流。具有可接受的自愈特性的聚合物电介质电容器的漏电流小于1微安。具有不可接受的自愈特性的聚合物电介质电容器的漏电流超过50微安。根据经验确定，可辐射固化单体的化学性质对自愈事件产生的漏电流以及最终对灾难性故障发生之前可施加到电容器的最大电压产生重大影响。例如，具有包含丙烯酸2-苯基-苯基酯的聚合物电介质的电容器(用于其的链在图1A中示意性示出)表明差的自愈特性，这与使用包括十二烷丙烯酸酯聚合物介电材料的单体构成的电容器形成鲜明对比，其在脂族链中也具有十二个碳(参见图IB)。
丙烯酸2-苯基-苯基酯的氢碳比为H:C＝0.8，氧碳比为O:C为0.13，而十二烷丙烯酸酯的特征是H:C＝1.86和O:C＝0.14。一般而言，我们发现，为了使被设计用于高温应用的PMC电容器能够承受最大的电压且降级程度最小，必须使用氢碳比H:C>1且氧碳比O:C>0.1并且优选地H:C>1.2且O:C>0.1的单体分子或单体混合物来形成这种电容器的聚合物介电材料。虽然已经认识到存在其它可以导致形成能够从聚合物表面去除碳的气态产物的原子(例如，诸如氮和氟)也是有益的，但没有许多单体的相关实施例被评估以开发标准。
对于最大化自愈特性同样重要的参数是金属化电容器电极的厚度(对于许多应用而言，其包括薄金属化铝层)。由于对纳米尺寸的金属层进行厚度测量非常困难，因此铝电极的厚度通过其电导率或表面电阻率(以欧姆每方为单位)进行量化。这种相关性适用于包括高导电性低熔点金属(诸如铝、铝合金)、两层电极(诸如铝/锌、铝/铜、锌/银和其它)。根据经验发现，除了选择具有适当的H:C和O:C比的聚合物之外，金属化电极的电阻率还必须在明智地限定的范围内，以便使自愈特性最大化。电阻率的这种选择在实践当中会转化为较低的电极厚度，并带有重电极边缘(铝层在有源电容器区域之外较厚)，以确保良好的电接触而不会影响电容器的自愈特性。
还应当注意的是，自愈特性越好，可以施加到电容器的电压(V)越高，而不会造成灾难性故障。因此，电容器能量密度越大，对于给定的电容C，电容器能量被确定为1/2*C*V2。实验表明，在常规的缠绕电容器中，充满空气的微间隙有助于AI2O3的形成以及去除CO和CO2形式的碳，这有助于自愈过程。PMC没有气隙，因此，为了最大化自愈特性，除了聚合物供应的氧气(如上所述)外，电极电阻值还需要大于常规缠绕膜电容器的电阻值。但是，随着电极电阻的增加，电容器等效串联电阻(ESR)增加，这以电极中散发的热量的形式(I2R，其中R＝ESR)也增加了电容器损耗。已确定，对于连续电流较高的高纹波电流应用，应当将薄层电阻的最大值限制为小于100欧姆/方，以最小化损耗并维持小于约0.02的耗散因子。但是，对于具有较低平均连续电流的低重复频率高脉冲电压/电流应用，则不是此范围。对于这些应用，根据本发明的实施例，我们发现PMC可以具有薄层电阻值高达500欧姆/方且耗散系数大于0.02的电极。为了避免可以导致高电容损耗的高ESR，通过并行使用数千个电极层(简称为电极)并选择限制(对于给定维度和/或体积，最小化)为了给电容器充电而电流必须行进的距离的电容器形状来抵消高电极电阻率。以这种方式，较高的电极电阻率使自愈过程最大化，这进而增加了PMC电容器的击穿电压和能量密度，从而导致较小的电容器体积和重量。
示例2：为大电流DC链应用设计的PMC电容器(具有带聚合物介电化学结构的60000层，其特征在于氢碳比大于1.0并且氧碳比大于0.1；玻璃转换温度Tg＞100℃；电介质厚度为0.6微米的铝基电极，其在有源电容器区域的薄层电阻为30-40欧姆/方，在重边缘区域的薄层电阻小于5欧姆/方)产生具有小于0.02的耗散因子和与小于250V的击穿电压对应的击穿强度的零件。使用了三个这样的串联(内部)电容器，以生产500微法/600V电容器系统，该电容器系统比现有技术的具有较低ESR的电容器(即，较低的I2R热损耗)的PP小约三倍。同时，这样生产的PMC电容器系统的操作温度为140℃，而常规使用的PP电容器的操作温度为105℃。这证明了根据本发明实施例配置的电容器的能量密度和可靠性对于苛刻的汽车应用有了显著提高，这进而转化为并产生更小的和更高效的和更低成本的逆变器。
示例3：在另一个示例中，具有与上面讨论的相同的介电材料和厚度并且包括相同层数的PMC电容器被设计用于高能量密度脉冲电压应用，并使用在有源电容器区域中薄层电阻约为200欧姆/方而在重边缘区域中小于10欧姆/方的电极来生产。这种设计产生的零件在25℃时的耗散因子>0.02并且击穿强度超过550V。考虑到电容器的能量密度随电压的平方而变化，如上所述，具有较高电阻率电极的PMC电容器的特征在于约为具有相同介电厚度但电阻率较低的PMC电容器的能量密度的四倍。实际上，这些样本中有源电容器区域的能量密度对于9.5J/cc的全尺寸聚合物电容器(假设最大电压为500V)具有创纪录的值。本领域技术人员将容易认识到的是，此类操作参数是出人预料的，确实是引人注目的，并且归因于聚合物电介质(具有有利于保持自密封特性的化学成分)、被设计为最大化电容器的自愈特性的金属化电极、以及允许可靠的大电流接触的重边缘电极。
示例4：在另一个示例中，使用与示例2和3中公开的相同的聚合物介电化学来制造18000层的电容器，但是其聚合物层厚度为0.2微米，被设计用于较低电压的应用。我们发现，在较低的电压下，通常在约12VDC至约48VDC的范围内，有源电容器区域中的电极电阻将成为更为关键的参数。这是因为当击穿发生时，需要大量能量来熔化和汽化电极材料，以使电容器自愈。当电容器放电到短路时，所需的能量由电容器本身提供，并且与电容器充电的电压的平方成正比。在较低的电压下，可以发现电容器被迫经受多次击穿事件而无法有效地自愈的情况，从而导致高电阻短路。虽然针对这种情况的明显解决方案是使电介质在给定的电压水平下足够厚，以避免发生多次自愈事件(从而避免短路)，但是这种解决方案导致具有较低能量密度的大型电容器。与这种否则明显的解决方案相反，并且为了最大化击穿电压和能量密度，根据本发明的实施例生产了18000层电容器，以在有源电容器区域中具有约60至约80欧姆/方的薄层电阻，而不是将0.6微米电介质用于更高电压应用的30-40欧姆/方。这种解决方案导致电容器可能遭受多次击穿而不会导致高电阻短路。
在上述示例2、3和4中，聚合物电介质的Tg＞100℃。对于较低温度的应用，只要满足聚合物H:C比、O:C比和电极电阻标准，就不需要高Tg。降低Tg打开了改变聚合物化学性质的可能性，增加了满足自愈要求的可用聚合物的数量(其中许多具有较高的介电常数k，例如高达k＝9)。在相关实施例中，在手头的(一个或多个)电容器结构中使用这种聚合物可以进一步增加电容器的能量密度。使用更高介电常数的聚合物并满足H:C和O:C标准且电极薄层电阻值在大约10欧姆/方至大约100欧姆/方(甚至更高，使得在100欧姆/方至500欧姆/方的范围内)的组合已经证明，可以产生具有最大能量密度的PMC，因为这样的组合导致在介电材料中实现更高的能量存储，并具有电容器结构的最大自愈特性。
与温度相关的参数
为了解决能够在升高的温度(高达125℃和更高，例如140度)下可靠地操作的聚合物单片式电容器的生产，考虑聚合物介电材料的介电损耗的行为。为了使PMC稳定操作，重要的是，在整个期望的操作温度范围内，损耗因子是稳定的。图2的曲线210、220和230示出了用于生产根据本发明实施例的聚合物单片式电容器的三种辐射固化的聚合物电介质的耗散因子。这些曲线表明，基于特定聚合物介电材料的化学性质，电容器的DF可以在各种温度下增加。由曲线210所示的带有聚合物电介质的包括丙烯酸4-叔丁基环己酯的电容器的DF在约30℃时急剧增加，而由曲线220所示的带有聚合物电介质的包括丙烯酸二环戊酯的电容器的DF在120℃时开始增加。如果电容器在DF趋势上升的温度下操作，那么损耗将增加电容器的温度，这进而将以甚至更高的DF将电容器驱动到更高的温度，这又将进一步增加热损耗。这个过程最终会导致PMC的热失控故障。如本领域技术人员将容易认识到的，对于大多数辐射固化的聚合物，关于耗散因子作为温度的函数的数据是未知的或未公开的。因而，为了实现本发明的思想，将数十种具有不同单体配方的单体转化为电容器电介质，并测量DF随温度变化直至160℃或更高。出乎意料地确定，对于大多数辐射固化聚合物，DF的增加与玻璃转换温度(Tg)一致。与DF不同，许多可辐射固化的聚合物的Tg通常由单体生产商报告，因此，通过这种经验确定，认识到Tg可以用于选择单体，当用于形成聚合物介电材料时，PMC的制造过程会导致电容器的耗散因子在升高的温度下基本相同。例如，如图2的曲线230所示，使用包含三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯和三烯丙基异氰脲酸酯(两者的Tg>200℃)的混合物的聚合物介电材料会导致电容器的DF在高达200℃的温度下稳定。
除了DF稳定性外，Tg的值还对PMC聚合物介电质的选择提出了另一个限制。具体而言，已确定使用具有较低Tg值的聚合物导致电容器吸收水分。即，如果电容器在湿度和温度低于Tg的环境条件下操作，那么介电层将吸收环境湿气，这进而影响PMC的电容的稳定性。虽然诸如聚丙烯之类的聚合物膜的Tg低于室温，但由于聚丙烯化学物质的极性低，因此它们不吸收水。相比之下，丙烯酸酯和其它可辐射固化的化学试剂结合了较高极性的键(例如，诸如CO、CN、CF)，这可以是有利的，因为它们导致较高极性的化学反应，其导致较高的介电常数，并且因此，通过由此产生的PMC而增加能量存储。但是，相同的高极性化学性质也导致水分吸收的增加。在达到Tg之前，水分吸收极小。超过Tg温度之后，在Tg处发生的分子弛豫可以显著增加水分吸收。
水分的吸收造成电容器性能的短期和长期可靠性问题。短期而言，由于水的高介电常数，电容值增加，而长期而言，水腐蚀薄的电容器电极，从而导致永久性电容损耗。这在图3和4中表明。图3描绘了两种类型的PMC电容器的电容随时间的变化百分率的图。这些PMC分别具有2000个电容器层，但由具有相同介电常数k＝3.2的两种不同的聚合物介电材料构成。图3的曲线310表示Tg1为43℃的第一聚合物电介质，而曲线320表示Tg2为100℃的第二聚合物电介质。电容器在60℃和90％相对湿度(RH)的环境下暴露500小时而无电压偏置，并且故意拆开包装以使水分对电容器电介质产生最大影响。此外，使用小的电容器芯片(具有大约12mm2的面积)，使得任何渗透到电容器边缘处的介电层中的水分将对电容具有更明显的影响。水的介电常数在k＝75到80的范围内，当被k为3.2的聚合物电介质吸收时，水会增加聚合物电介质的介电常数，从而导致电容增加。如从图3可以看出的，在60℃(高于Tg1)的测试温度下，使用第一聚合物电介质构建的PMC的电容值显著增加，并且比使用第二聚合物电介质构建的PMC的电容值更大。
作为测试的一部分，使用第一和第二聚合物电介质制造的电容器要经受相同的温度和湿度条件，但是要加上DC偏压。图4的图示示出了在曝光开始之后的相对短的时间之后第一PMC电容器(采用具有较低Tg1的电介质，由曲线410表示)开始失去电容，而第二PMC的电容(利用具有较高Tg2的第二聚合物电介质，曲线420)保持相对不变。DC电压的施加触发了铝金属电容器电极中的腐蚀机理，从而减小了电极表面积。因此，为了设计一种在极端温度下能够可靠地执行(与采用诸如聚丙烯之类的介电材料的常规电容器相反)的PMC，用于生产本发明一个实施例的PMC的辐射固化的介电材料应当既具有在整个操作温度范围内基本不变的DF，又具有等于或大于期望操作温度的Tg值。
发现极少的可辐射固化单体会产生结合低DF和高于125℃(这是用于汽车应用的DC链电容器的目标温度)的Tg的聚合物。大多数此类高Tg单体或者具有脂环族化学性质或者具有两个以上的双键。三官能单体，诸如三(2-羟乙基)异氰脲酸酯三丙烯酸酯和三烯丙基异氰脲酸酯(其行为由图2的曲线230表示)，直到这个温度还具有基本不变的Tg>125℃和DF<0.01。环脂族单体，其包括类似于钻石的金刚烷(金刚烷基)结构(诸如丙烯酸2-甲基-2-金刚烷基丙烯酸酯1,3-金刚烷二醇二丙烯酸酯和三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯)，也具有Tg>125℃。由于存在较高的纹波电流和相关的热损耗，给定在125℃下操作的PMC可以达到140℃或者甚至更高的温度，被设计为最大化介电常数、自愈特性和较低DF的各种聚合物配方可以包括Tg<125℃的某些材料，只要所配制的聚合物电介质的Tg大于125℃并且优选地大于140℃即可。
同时发现，导致高交联的聚合物电介质(至少两个丙烯酸酯基团)的某些单体，诸如例如具有Tg＝41℃的己二醇二丙烯酸酯、具有Tg＝62℃的三甲基丙烷三丙烯酸酯和具有Tg＝96℃的四甲基二甲基丙烷四丙烯酸酯，由于单体的分子量和交联性质而在超过125℃的温度下也具有稳定的DF。当使用这种聚合物材料生产PMC电容器时，我们发现，当此类电容器在施加DC电压的情况下在125℃下进行寿命测试时，存在高水分吸收，这会迅速降低电容器的性能。因此，仅对DF的依赖温度的行为进行的测量不足以确定聚合物是否具有使其可以用于本发明的Tg。为了确定聚合物绝缘材料的Tg，使用与用于生产PMC的条件相同的辐射固化条件，生产仅2000层的聚合物堆叠。然后使用动态力学分析(DMA)方法测量聚合物电介质的复数模量与温度的关系，以确定Tg。因此，选择导致高性能高温聚合物电介质的单体配方的过程是复杂的，并且对于本领域技术人员而言不是显而易见的。
电容器几何形状
根据本公开的教导，设计了聚合物单片式电容器的几何形状以，诸如为了可靠地服务于结合了高纹波电流和高环境温度的开关应用。相关技术教导，为了增加聚合物单片式电容器的电容器能量密度，重要的是使电容器电极的电阻率与薄层电阻值在10欧姆/方至500欧姆/方的范围内对应。电容器的等效串联电阻(ESR)取决于薄层电阻，这会导致电容器损耗。虽然可以通过增加电极的电导率轻松地获得较低的ESR值(例如，可以通过增加电极的厚度来实现)，但较厚的电极会导致较差的自愈特性。为了本公开的目的而选择的方法至少部分地基于对电容器的几何形状的明智选择，并且没有跨电容器的电极厚度的整体增加。
我们发现，在涉及AC电流(例如，开关电路中的高频纹波电流)的应用中，高电阻率会增加电容器的等效串联电阻(ESR)，这会导致经由I2R导致功率损耗(其中R表示ESR，I表示AC电流)。功率损耗所导致的结果是电容器发热增加、电容器本身发热或与高环境温度结合使用会导致电容器故障。我们确定，为了最大程度地降低电流的热效应，同时还要使电极保持较高的薄层电阻水平(这有助于自愈过程)，必须选择电容器的几何形状以尽可能减小电容器的ESR。通过使电容器的主体成形为细长的形状，在一个方向上的延伸程度大于在另一方向上的横向延伸的程度，并在如此形状的电容器的长边建立端接结构，可以实现这个目的。电极的薄层电阻的目标值越高，端接边缘的范围与另一个边缘的范围的比例必须越高。例如，2000层电容器的形状为正方形(当垂直于电容器各层看时)，且其电极的薄层电阻为50欧姆/方，其处于共振频率的ESR约为25mΩ。但是，如果电容器沿着端接侧的长度是宽度的五倍，那么ESR值将下降至大约五倍至5mΩ，热损耗也会下降。图5A、5B和5C提供了对应的图示，其中图5A、5B图示了两个PMC510、550的示例，并且图5C图示了电容器510、550中任何一个的未按比例的横截面。例如，如图5A所示，电容器一般被成形为棱柱(或者换句话说，具有棱柱形)。棱镜被限定为具有两个全等底面的多面体，并具有平行四边形作为横向于该底面的附加边。如图所示，维度为LxW的两个相对的刻面表示棱柱形电容器510的底面。在一个具体的实施方式中，电容器可以被构造为直角棱镜，即，具有垂直于底面的边缘的棱镜。电容器510、550中的每一个包括图5C所示的数千个电容器电极层512。多层512通过端接涂层520(例如由电弧喷涂形成)在电容器结构的端接刻面514处连接，整体而言，该端接涂层520使电极层512电短路在一起并建立接触点以对电容器进行充电和放电。为了提高机械强度并降低PMC结构的接触电阻，电极512被构造为在有源电容器区域之外且靠近端接涂层520处具有重边缘530，因此单个电极层的较厚边缘部分不影响电容器的自愈特性。已经发现，为了最大化电容器的自愈过程(这需要使用具有较高薄层电阻值的电极，同时也要最小化较高薄层电阻对ESR的影响)，根据本发明的实施例设计的PMC的一般的几何形状和比率L/V应当遵循电容器510的L/V，其中L/V＞1并且优选地L/V＞2。
在一个实施方式中，通过在内部将电极串联连接到PMC结构，实现了这种几何形状，在增加电容器电压的同时，不诉诸不实用的电容器形状。这在图5D的示例中示意性地示出，其中PMC560被示为包含串联的电极的三个内部部分540，与图5C所示的情况相比，这有效地将三个子电容器结构中的每一个的L/V比增加了三倍。图5C没有这种串行连接。还应当注意的是，为了保护PMC在操作过程中不受损坏，在母电容器材料的两侧都沉积了附加的保护介电层。
为了实践本发明并产生可以在高达至少125℃的温度下可靠地工作的PMC，电容器电极必须被钝化。导致所有金属化膜电容器潜在故障的机制包括在高温高湿环境下电容器寿命期间的过多电容损耗。一般而言，在大多数应用中，如果电容损失超过大约5％至10％，那么认为电容器发生了故障。
根据本发明的实施例，已经设计出两种最小化这种腐蚀机理的方法。一种这样的方法源于以下发现：当将PMC加热到某个温度以上(具体而言，温度在200℃至280℃之间)时，金属电极的表面与聚合物电介质之间会形成有机金属键，从而导致阻止水进入电极的金属。因为金属电极是在不存在氧化气体的情况下在真空中形成的，所以电极(由铝、锌或其它金属制成)的高反应性表面可以被迫与PMC的聚合物介电材料中已形成的聚合物或残留单体反应。电极表面上的有机金属键阻止水分子到达表面，从而增加电极的耐腐蚀性。例如，使用两千层己二醇二丙烯酸二甲酯辐射固化单体生产的PMC电容器，当在125℃的加速腐蚀测试室中和30psi的蒸汽中放置1小时，会表现出对电极的完全腐蚀，其结果是，大多数最初的金属电极表面变为透明的氧化铝。
有利的是，当将根据本发明实施例制造的PMC的电极在同一室中在260℃下烘烤六小时时，电容器电极没有表现出明显的降级。对于采用不同介电材料的电容器，所需的钝化温度可以随聚合物化学性质以及电容器暴露于高温下的时间而变化。根据经验表明，对于大多数可以用于本发明实施例的辐射固化的聚合物介电材料，在160℃下进行钝化至少需要烘烤六至七天，而在200℃下进行钝化则将这个过程的持续时间减少到24小时，并且在240℃下钝化仅需烘烤12小时即可达到所需的结果。
根据本发明的另一个实施方式，通过在沉积过程中将电容器电极暴露于氧化等离子体来钝化电容器电极。等离子体可以包含氧气或除与电极表面反应之外的其它气体。当沉积在真空腔室中的金属电极(诸如铝电极)暴露于真空室中的含氧气体时，在其表面上会形成高质量的A2O3氧化物，该氧化物优于水合氧化物(A2O3(H2O))，这是在金属表面暴露于空气(包含氧气和水分)时形成的。在相关的实施例中，已经成功地将不同的等离子体气体用于这个过程，包括O2、Ar、CO2、N2和N2O及其混合物。
通过在电容器上的电极层上沉积之前，将电容器的聚合物介电层暴露于含有氧化气体的等离子体中，发现了另一种增强电极钝化的方法。氧化气体被示为在聚合物的表面上产生与电极层的金属反应并有助于钝化过程的官能团(诸如羧基和羟基)。
值得注意的是，伴随可靠的PMC的制造的问题之一是如何与PMC结构的各个电极层(诸如图5C和5D的实施例的电极512)建立可靠且机械牢固的电接触，其中薄电容器电极512有意地配备有由层520短接在一起的“重边缘”530。为了将重边缘530有效地短接在一起，通过等离子体灰化去除电容器边缘处的聚合物，如图6A中的端接边缘表面的SEM得出的视图所示。各个电极的暴露部分612的长度随着电容器设计和电极之间的介电材料614的厚度而变化。在暴露电极的部分612之后，可以例如通过用多层金属(例如，铝、锌、黄铜、焊料或它们的组合，仅举几例)之一的电弧喷涂暴露部分612来实现将电极连接在一起，这取决于特定的应用以及将引线附接到喷涂端接的方式。最终的端接对大多数应用足够，但对于表面安装应用，可将电弧喷涂的端接附加地涂以导电环氧树脂，然后再次进行电弧喷涂并镀上可焊涂层。导电环氧树脂充当热机械减震器，以促进结构在印刷电路板上的热膨胀和收缩，而不会损坏电容器端接。
在相关的实施例中，已经开发了一种替代的端接方法，根据该方法进行等离子体灰化以暴露出重边缘530的受控长度618，如图6B中的SEM捕获的横截面所示。然后，用图6C所示的多层溅射涂层624涂覆电极的如此暴露的部分618。多层溅射涂层624用于将其自身键合到(铝)电极的暴露部分618和将部分618分开的聚合物介电材料的暴露表面630，以及键合到在随后的处理步骤中使用的材料。这个步骤取决于应用而变化，并且可以包括被溅射电极的焊接(例如，当溅射涂层包括铜时)，或者用电弧喷涂然后喷涂金属的导电环氧树脂涂覆溅射电极。
在根据本发明实施例的电容器的制造中，可以可选地执行附加的处理步骤。这些工艺中的一些已被相关技术引用(例如，参见US5,018,048、US5,716,532和US6,092,269，其每一个的公开内容都通过引用并入本文)，包括在电容器堆叠的底部和顶部创建脱金属区(诸如使用阴影掩膜或油蒸气掩膜；切割母电容器材料；蚀刻单个电容器的裸露边缘以防止较高电压下的飞弧；包括保护层(例如，可以包括金属化和仅聚合物层)的用于内部串联连接的区)，进行引线附接和最终结构的包装，仅举几例。
本申请针对包含聚合物介电材料的PMC，该聚合物介电材料具有优于常规PMC的自愈特性。本发明的实施例被配置为在125℃或更高的温度下操作，同时在整个操作温度范围内保持稳定的耗散因子，并且拥有耐腐蚀电极。这些聚合物单片式电容器的聚合物介电材料的特征在于玻璃转换温度高于所选择的操作温度，从而有助于稳定的耗散因子并减少水分吸收。这种玻璃转换温度的选择与棱柱形电容器形状(具有具体的长宽比)相结合，将使PMC具有独特的资格可服务于将DC电压与高频纹波电流结合在一起的高温开关应用。
当在典型的引擎盖下汽车应用条件下使用时，与现有技术的金属化聚丙烯电容器相比，使用上述解决方案制造单个PMC产生的电容器具有优异的性能和耐用性。
附图标记列表
210-丙烯酸4-叔丁基环己酯聚合物电介质的电容器的损耗因子(DF)曲线
220-丙烯酸二环戊酯聚合物电介质电容器的DF曲线
230-三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯和三烯丙基异氰脲酸酯聚合物介电电容器的DF曲线
310-玻璃转换温度为43℃的PMC电容器的电容变化曲线
320-玻璃转换温度为100℃的PMC电容器的电容变化曲线
410-玻璃转换温度为43℃的DC电压偏置的具有PMC电容器的电容变化曲线
420-玻璃转换温度为43℃的DC电压偏置的具有PMC电容器的电容变化曲线
510-聚合物单片式电容器(PMC)
512-电极
514-端接刻面
520-端接涂层
530-重边缘
540-串联的电极的三个内部部分
550，560-PMC
612-各个电极的裸露部分
614-介电材料
618-重边缘的暴露部分
624-多层溅射涂层
630-聚合物介电材料的裸露表面
为了本公开和所附权利要求书的目的，术语“基本上”、“大约”、“约”及类似术语的使用是指手头的值、元素、特性或特点的描述符。所指的值、元素、特性或特点虽然不一定完全如前所述，但出于本领域技术人员所陈述的实际目的，仍将被考虑。这些术语应用于指定的特点或质量描述符时，意指“大部分”、“主要”、“相当”、“大体上”、“基本上”、“很大或很大程度”、“大部分但不一定完全相同”，诸如为了合理地表示近似语言并描述指定的特点或描述符，以便本领域普通技术人员可以理解其范围。在一种具体情况下，术语“大约”、“基本上”和“约”在参考数值使用时，表示相对于指定值的加减20％，更优选地相对于指定值加减10％，甚至更优选地加减5％，最优选地加减2％。作为非限制性示例，两个值彼此“基本相等”意味着两个值之间的差可以在值本身的+/-20％的范围内，优选地在值本身的+/-10％的范围内，更优选地在值本身的+/-5％的范围内，甚至更优选在值本身的+/-2％或更少的范围内。
在描述所选择的特点或概念时使用这些术语既不暗示也不为不确定性提供任何依据，也不为指定特点或描述符增加数值限制。如本领域技术人员所理解的，确切值或这种值、元素或特性的特点与所述值的实际偏差落在由实验测量误差限定的数值范围内并且可以在其中变化，该误差是在本领域中使用为此目的公认的测量方法时的典型误差。应用于不同实际情况的术语“基本上”、“约”和/或“大约”的含义的其它具体示例可能已在本公开的其它地方提供。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“相关实施例”或类似语言的引用意味着结合所涉及的“实施例”描述的特定特征、结构或特性至少包括在本发明的一个实施例中。因此，这些短语和术语的出现可以但不一定是指相同的实施方式。应该理解的是，本公开内容的任何部分，其本身并可能不与附图结合，都意图提供对本发明所有特征的完整描述。
总体而言，本领域技术人员将容易认识到，影响电容器技术的实际实施的问题之一包括电极厚度和所涉及的介电材料的化学性质的问题。这个问题的解决很大程度上避开了相关技术的关注，因为解决这个问题对于电容器技术的低电压应用而言并不重要。例如，在本领域中已知的常规的，额定为50V、0.1微法拉至1微法拉容量的PMC电容器利用1微米厚的聚合物介电层。因而，例如，具有在500微法拉-1000微法拉和500V-1000V范围内的额定值的用于电动车辆逆变器应用的电容器将需要更厚的电介质，因此将会过大。相反，本发明的PMC电容器具有额定厚度为0.6微米的三个内部串联的聚合物电介质可以被额定为高达600V(即，介电材料的每1微米厚度为333V)。考虑到电容器的能量密度与电压的平方(V2)成正比，根据本发明的思想实现的PMC电容器的能量密度大约是相关技术的常规实现的电容器的能量密度的44倍。当将如此实现的电容器用于移动平台(诸如，例如电动和混合动力汽车的逆变器)中时，这种提高的能量密度特点提供了显著的操作优势，其中能量密度甚至提高约2倍通常已经被认为是重要的。
值得注意的是，本发明的PMC电容器的另一个应用是在用于混合动力和电动车辆逆变器的DC链路应用中的用途。在电动汽车逆变器中，电容器必须经常处置100安培的纹波电流。电流使电极散热(由I2R决定，其中I是电流并且R是电容器等效串联电阻ESR，该ESR主要取决于数千个电容器电极的薄层电阻并联以形成一个PMC电容器)。虽然具有高薄层电阻值的电极改善了自愈特性，如其它地方所述，但可以理解的是，这种电极也会散发更多的热量，这会对电容器的性能产生不利影响。被称为耗散因子的电容器特性(其导致给定电容器的发热，并且还会在采用这种电容器的逆变器中造成电路损耗)直接受到聚合物材料配方(聚合物配方)的影响。例如，对于电极薄层电阻在10-100欧姆/方范围内的PMC，可以将耗散因子实际限制为小于0.02的值，以便管理电容器发热的影响(例如，以减少电容器发热并避免逆变器应用中的电路损耗)。
为了生产具有低耗散因子的高度自愈的PMC电容器，PMC电容器可以包括高电极薄层电阻，这将导致此类PMC电容器在其操作期间发热更多(例如，与具有较低的薄层电阻值的PMC电容器相比)。给定本发明的一些实施例可以被配置为在高于100℃的温度下操作，那么重要的是防止这样的实施例的结构的(一个或多个)介电层在操作温度以下经历机械松弛(由Tg确定)。(本领域技术人员会认识到，如果介电层在操作温度以下经受机械松弛，那么会对电容器性能产生不利影响。)因此，如果将PMC电容器的电极薄层电阻选择为高(例如，10-100欧姆/方)，那么PMC电容器的对应的(一个或多个)介电层的Tg也应当选择为高(例如，大于100℃)。值得注意的是，对于具有高电极薄层电阻的PMC电容器的Tg，这个条件可以是可选的，而对于那些打算用于不需要电容器处置大电流的应用的PMC实施例，则不是必需的。
对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以做出明显性质的各种改变和修改，并且所有这样的改变和修改都被认为落入本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种在真空中形成的聚合物单片式电容器，该电容器包括：
多个聚合物介电层，以及
多个金属化的电极层，每个电极层具有重边缘，
其中至少一个聚合物介电层包括具有至少1.0的氢碳比和至少0.1的氧碳比的化学结构，
其中在有源电容器区域中，至少一个金属化的电极层的薄层电阻值在约10欧姆/方和100欧姆/方之间。
2.如权利要求1所述的聚合物单片式电容器，其中
至少满足以下条件之一：
(i)所述电容器在大于100℃的温度下的耗散系数小于0.02；以及
(ii)所述至少一个聚合物介电材料的玻璃转换温度为至少100℃。
3.权利要求1或2中任一项所述的聚合物单片式电容器，其中所述至少一个聚合物介电层具有至少1.2的氢碳比的化学结构。
4.如权利要求1、2或3中任一项所述的聚合物单片式电容器，其中所述金属化的电极层具有重边缘，该重边缘的薄层电阻值小于10欧姆/方。
5.如权利要求1、2、3或4中任一项所述的聚合物单片式电容器，其中所述金属化的电极层具有重边缘，该重边缘的薄层电阻值小于5欧姆/方。
6.如权利要求1、2、3、4或5中任一项所述的聚合物单片式电容器，其中金属化的电极层在有源电容器区域中的薄层电阻值在从约100欧姆/方到约500欧姆/方的范围内。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6中任一项所述的聚合物单片式电容器，其特征在于，在25℃下的损耗因子大于0.02。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7中任一项所述的聚合物单片式电容器，其中所述多个聚合物介电层中的每一层包括具有至少1.0的氢碳比和至少0.1的氧碳比的化学结构。
9.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8中任一项所述的聚合物单片式电容器，其中，在超过140℃的温度下，耗散因子小于0.02。
10.如权利要求9所述的聚合物单片式电容器，其中，在超过140℃的温度下，耗散因子小于0.01。
11.如权利要求1至10中的任一项所述的聚合物单片式电容器，其中所述多个聚合物介电层中的聚合物介电层具有大于140℃的玻璃转换温度。
12.如权利要求1至11中的任一项所述的聚合物单片式电容器，包括串联构造的两个或更多个内部电连接。
13.如权利要求1至12中的任一项所述的聚合物单片式电容器，其中所述电容器具有横向维度为L、W和H的棱柱形，其中L表示电容器的第一范围，电容器沿着该第一范围配备有电气端接，W表示电容器的第二范围，并且H表示电容器在所述聚合物介电层和金属化的电极层堆叠的方向上的第三范围，并且其中所述第一范围与所述第二范围的比大于1。
14.如权利要求13所述的聚合物单片式电容器，其中所述比大于2。
15.一种制造品，其包括如权利要求1或2中的任一项所述的聚合物单片式电容器。
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