CN110914939A - 薄膜电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄膜电容器(1)，其包括薄膜(2)，所述薄膜（2）包括聚丙烯和环烯烃共聚物的共混物。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜电容器。
金属化薄膜电容器是用于工业、汽车和脉冲功率电子器件中的许多应用的关键部件。电容器中的聚合物介电材料的物理特性是确定电容器性能的主要因素。
背景技术
包括由纯双轴定向聚丙烯(BOPP)组成的薄膜的电容器在高达105℃的温度下示出良好的性能。高于该温度，例如在125℃处时，介电击穿强度和寿命显著降低。无论是BOPP还是可商购的其他聚合物介电材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或者聚碳酸酯（PC），都不能在高于125℃的温度下操作。
满足高温能力的几种可商购的聚合物介电材料，如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚苯硫醚(PPS)，受到自愈能力不足的限制，所述自愈能力是用于使任何金属化薄膜电容器正常起作用的基本要求之一。
因此，需要金属化薄膜电容器能够在高于105℃的温度下操作，例如在大约125℃或者与125℃相比更高的温度下操作，理想地保持BOPP的有利特性，诸如良好的自愈能力或者相对低的耗散因数。本发明解决了提供有利的薄膜电容器的问题。金属化薄膜电容器可以在高于105℃的温度下工作，同时仍然提供基于BOPP的金属化薄膜电容器的有利特性。
该目的由所附权利要求1的主题来解决。
发明内容
提出了一种薄膜电容器，其包括具有聚丙烯和环烯烃共聚物(COC)的共混物的薄膜。
聚丙烯是一种热塑性聚合物。共混物中使用的聚丙烯可以是均聚物形式的。聚丙烯可以构成共混物的主要重量百分比。环烯烃共聚物是一种非晶态聚合物。术语“共混物”可以被定义为材料的混合物，即聚丙烯和环烯烃共聚物的混合物。
包括聚丙烯和环烯烃共聚物的共混物的薄膜的薄膜电容器示出有利的特性。特别地，相对于包括由纯聚丙烯组成的薄膜的参考电容器，该薄膜电容器在高达130℃的温度下的自愈能力显著增强。寿命测试已经示出，薄膜电容器的所估计的平均无故障时间(MTTF)可以是包括纯聚丙烯薄膜的参考电容器的平均无故障时间的三倍。此外，所述电容器可以具有与基于纯聚丙烯的参考电容器的耗散因数的二倍相比更低的耗散因数，即，也就是仅略高于参考电容器的耗散因数。所述耗散因数是在1kHz、23℃和50%相对湿度下测量的。
由于聚丙烯在薄膜电容器的薄膜中占了主要的一部分，所以共混物材料的成本适中。此外，所述薄膜可以使用最先进的制造处理来制造，例如在拉幅机线中双轴拉伸，使得其生产可以是成本有效的。
环烯烃共聚物可以包括乙烯和降冰片烯。优选地，环烯烃共聚物由乙烯和降冰片烯组成。优选地，环烯烃共聚物由乙烯和降冰片烯的非晶态无规共聚物组成。环烯烃共聚物在工业上被称为COC或者COP。
环烯烃共聚物可以包括在15重量%至35重量%的范围中的乙烯和在65重量%至85重量%的范围中的降冰片烯。优选地，环烯烃共聚物包括在23重量%至27重量%范围中的乙烯和在73重量%至77重量%范围中的降冰片烯。环烯烃共聚物的这种组成造成仅略高于参考电容器的耗散因数的相对低的耗散因数，并且造成包括薄膜的电容器的电容与参考电容器中的电容近似相同。此外，寿命测试已经示出的是，环烯烃共聚物的这种组成由于缺乏内部的不可逆的短路而造成电容器的长的寿命。如已经在上面讨论的，环烯烃共聚物优选地由乙烯和降冰片烯组成。
该共混物可以包括与环烯烃共聚物的重量相比重量的量更大的聚丙烯。优选地，共混物包括至少66.66重量%的量的聚丙烯。因此，聚丙烯在共混物中的比例可以等于或者大于共混物的三分之二。
优选地，共混物包括在70重量%至90重量%的范围中、更优选地在78重量%至82重量%的范围中的聚丙烯。
聚丙烯可以是电容器级聚丙烯。电容器级聚丙烯可以指代具有高纯度的聚丙烯，其特别适用于在薄膜电容器中使用。
薄膜可以被挤压和双轴拉伸。薄膜可以是金属化的。在下面，将关于各图更详细地讨论本发明。
附图说明
图1示出了一个薄膜电容器；
图2示出了表示用于制造薄膜电容器的薄膜的方法的流程图。
具体实施方式
薄膜电容器是利用绝缘塑料薄膜作为电介质的电容器。图1示出了电容器1，其在一侧上包括已经被金属化的电介质薄膜2。所述金属化形成电容器1的电极3。可以通过在薄膜的表面上施加金属或者金属合金来金属化薄膜电容器1的电极3。特别地，电极3可以包括铝、锌、金、银、镁或者这些材料的任何适当的合金。
在图1中示出的薄膜电容器1中，薄膜2彼此堆叠。替换地，薄膜2中的两个可以被缠绕成圆柱形的绕组以形成电容器1。通过施加机械压力，绕组可以进一步变平成椭圆形。
电极3被接触层4接触，接触层4也被称为金属喷镀层。此外，薄膜电容器1包括用于电接触电容器1的端子。
薄膜2由聚丙烯和环烯烃共聚物的共混物组成，其中环烯烃共聚物由乙烯和降冰片烯组成。在共混物的重量中，聚丙烯与环烯烃共聚物相比具有更大的百分比。特别地，聚丙烯在重量中具有三分之二或者更多的百分比。
在下面，描述了用于制造包括聚丙烯和环烯烃共聚物的共混物的薄膜2的制造方法。图2示出了表示用于制造薄膜的方法的流程图。所述制造方法使用最先进的常规处理。
在第一步骤A中，聚丙烯和环烯烃共聚物被共混在一起以形成共混物。在随后的步骤B中，共混物被熔化并且混合以形成熔融聚合物。在下一步骤C中，熔融聚合物被过滤以形成经过滤的熔融聚合物。在下一步骤D中，通过平模挤压经过滤的熔融聚合物，以形成挤压的电容器薄膜。在下一步骤E中，挤压的电容器薄膜被双轴拉伸以形成双轴拉伸的电容器薄膜。
然后，使用常规处理来金属化双轴拉伸的电容器薄膜。在进行金属化之前，可以借助于电晕或者火焰对薄膜进行表面处理。优选地通过在真空中的物理气相沉积(PVD)来执行金属化处理。金属层被施加在薄膜的至少一个表面上。金属层由任何合适的金属组成，优选地为铝、锌、金、银或者镁，或者前面提到的材料的适当合金。金属层的厚度通常在从10nm至100 nm的范围中。
该电容器在高达130℃的温度下具有良好的自愈能力。该电容器在1 kHz、23℃和50%相对湿度下的耗散因数是包括纯聚丙烯的薄膜的参考电容器的耗散因数的至多两倍。由于环烯烃共聚物的贡献，用于薄膜的基础材料的成本与参考电容器的成本相比更高。但是由于聚丙烯占了主要的重量，所以基础材料的成本适中。如在上面讨论的，制造处理基于最先进的制造步骤。因此，可以以成本有效的方式执行生产。
在下面，描述了将根据本发明的电容器与参考电容器进行比较的寿命测试测量。电容和损耗因数的值是由Keysight E4980AL精密LCR表在成品电容器上测量的。
表1提供了在本测试中使用的电容器的列表。
样本1指代包括仅由聚丙烯组成的薄膜的参考电容器。样本2、样本3和样本4指代根据本发明的电容器，其包括包含不同百分比的可商购的高结晶度电容器级聚丙烯树脂和互补百分比的可商购的两种环烯烃共聚物（乙烯和降冰片烯）的薄膜。特别地，根据样本2的共混物包括80重量%的聚丙烯和20重量%的环烯烃共聚物，其中环烯烃共聚物由75重量%的降冰片烯和25重量%的乙烯组成。根据样本3的共混物包括70重量%的聚丙烯和30重量%的环烯烃共聚物，其中环烯烃共聚物由75重量%的降冰片烯和25重量%的乙烯组成。根据样本4的共混物包括80重量%的聚丙烯和20重量%的环烯烃共聚物，其中环烯烃共聚物由80重量%的降冰片烯和20重量%的乙烯组成。
样本1至样本4的共混物已被通过常规处理双轴拉伸成了厚度为8µm的电容器薄膜。所述薄膜已被真空金属化以获得20 Ohm/sq的薄层电阻。然后，所述薄膜已被转化成金属化薄膜电容器，其包括在塑料盒内的轧制的、平压的元件，所述塑料盒是通过对于所有样本而言相同的常规处理利用封装的环氧树脂来密封的。
表1示出了来自每个样本的至少20个电容器的电容和损耗角正切的平均值。电容是在1 kHz下测量的。根据样本2至样本4的电容器示出与样本1的电容器相似的电容，样本1包括纯BOPP的薄膜。此外，根据样本2至样本4的电容器示出与根据样本1的参考电容器相比更高的损耗角正切。样本2和样本4在20 Hz下的损耗角正切是BOPP薄膜参考的损耗角正切的1.33倍，并且样本3的损耗角正切是BOPP薄膜的损耗角正切的3倍。增加的损耗是由于共混物中的环烯烃共聚物。然而，另一方面，如将在寿命测试中所示出的，与根据样本1的参考电容器相比，根据样本2至样本4的电容器具有提高的寿命，因为在样本2至样本4中更少发生内部的不可逆的短路。
已经通过在不同温度下的两次寿命测试对样本1至样本4在由温度和由DC电压引起的操作应力下的性能进行了评估。也就是说，已经在120℃的温度下执行了第一次测试，并且已经在130℃的温度下执行了第二次测试。已经在每次寿命测试中每个样本测试了五个电容器。在测试期间，通过每160小时的定期测量来监测电容器在1 kHz下的电容和在1kHz下的损耗角正切。当电容器示出不可逆的短路时，它被认为未通过测试。因此，这样的电容器在故障后已经被从测试中移除。故障指示电容器在该时间点处无法自我修复。
表2示出了执行第一次寿命测试的条件。
如在表2中所描述的，测试包括两个增加电压的步骤。在进行1000小时的测试的第一步骤期间，施加了2080 V的DC电压，造成了260 V/µm的场。在进行随后的1000小时测试的第二步骤期间，施加了2240 V的DC电压，造成了280 V/µm的场。
表3列出了在其处不可逆的击穿影响来自每个样本的电容器时测试所经过的时间，并且给出了所估计的平均无故障时间(MTTF)。
从表3可以得知，根据样本2和样本3的电容器在2000小时的测试之后没有示出任何故障。根据样本4的电容器示出了288小时的平均MTTF。根据样本1的参考电容器示出549小时的平均MTTF。因此，样本2和样本3的平均无故障时间是参考样本的平均无故障时间的至少三倍。它甚至可能比三倍更高得多，因为样本1中的故障发生在测试的第一个1000小时，并且电压应力在测试的随后的第二个1000小时中增加。
第二寿命测试在130℃的温度下执行，并且包括如表4中所描述的四个增加电压的步骤。
如从表4中可以看到的，电压应力在测试的每个阶段中都增加了，如在第一阶段中施加655 V的DC电压，然后在第二阶段中电压增加到1000 V，然后在第三阶段中电压增加到1400 V，在第四阶段中增加到1665 V，并且最后在第五阶段中增加到1960 V。
表5列出了在其处不可逆的击穿影响样本1至样本4的电容器时测试所经过的时间。
再一次地，根据样本2的电容器没有示出任何故障。样本3的电容器中只有两个示出故障。样本3的故障中的每个都发生在测试的最后阶段。根据样本4的电容器与根据参考样本1的电容器相比示出故障更晚。
总的来说，寿命测试示出，基于分别包含20重量%和30重量%的环烯烃共聚物（其具有75重量%降冰片烯和25重量%乙烯）的共混物的样本2和样本3明显优于基于纯BOPP、不包含任何环烯烃共聚物的参考样本1。此外，样本2和样本3也优于基于包含20%环烯烃共聚物（其具有80%重量的降冰片烯和20%重量的乙烯）的共混物的样本4。优异的表现是通过没有内部的不可逆的短路来实现的，其允许样本2和样本3在测试条件下继续。因此，样本2和样本3是优选的实施例。样本2和样本3的共同之处在于它们中的每个都包括由75%重量的降冰片烯和25%重量的乙烯组成的环烯烃共聚物。样本2是更优选的样本，因为从表1中可以得知在20 Hz下样本2造成的损耗角正切更低，并且样本2在第二次寿命测试中也优于样本3。
参考标号列表
1 电容器
2 薄膜
3 电极
4 接触层
5 端子
Claims (11)
1.一种薄膜电容器(1)，其包括薄膜(2)，所述薄膜（2）包括聚丙烯和环烯烃共聚物的共混物。
2.根据前述权利要求所述的电容器(1)，其中环烯烃共聚物包括乙烯和降冰片烯。
3.根据前述权利要求中的一个所述的电容器(1)，
其中环烯烃共聚物包括在15重量%至35重量%的范围中的乙烯以及在65重量%至85重量%范围中的降冰片烯。
4.根据前述权利要求中的一个所述的电容器(1)，
其中环烯烃共聚物包括在23重量%至27重量%的范围中的乙烯以及在73重量%至77重量%的范围中的降冰片烯。
5.根据前述权利要求中的一个所述的电容器(1)，
其中共混物包括与环烯烃共聚物相比重量的量更大的聚丙烯。
6.根据前述权利要求中的一个所述的电容器(1)，
其中共混物包括至少三分之二重量的聚丙烯。
7.根据前述权利要求中的一个所述的电容器(1)，
其中共混物包括在70重量%至90重量%的范围中的聚丙烯。
8.根据前述权利要求中的一个所述的电容器(1)，
其中共混物包括在78重量%至82重量%的范围中的聚丙烯。
9.根据前述权利要求中的一个所述的电容器(1)，
其中聚丙烯是电容器级聚丙烯。
10.根据前述权利要求中的一个所述的电容器(1)，
其中薄膜(2)被金属化。
11.根据前述权利要求中的一个所述的电容器(1)，
其中薄膜(2)被挤压和双轴拉伸。
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