CN111430151A - 一种耐高温绝缘聚合物薄膜材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种耐高温绝缘电介质薄膜材料及其制备方法，本发明的聚合物电介质薄膜材料，包括金属箔材料以及附着于金属箔材料表面的聚四氟乙烯薄膜。制备方法包括以下步骤：1)将聚四氟乙烯分散液涂膜于金属箔材料表面；2)烘干、烧结制成表面具有聚四氟乙烯薄膜的金属箔。本发明的聚合物电介质薄膜材料具有与金属基底结合力强、工作温度高、耐高电压能力强、介电常数低、介电损耗低、高频稳定性好等优点。从而能够保证具有该聚合物基薄膜材料的覆铜板材料可广泛应用于电子封装基板领域。
Description
技术领域
本发明属于聚合物电介质材料技术领域，具体来讲，涉及一种耐高温绝缘聚合物电介质薄膜材料及其制备方法。
背景技术
随着生产生活的发展，人类对能源的需求越来越大，对能源的存储和释放的要求也越加苛刻；尤其是电子电力器件的高度集成化、小型化的发展，尤其是在电动汽车领域，对薄膜电容器在高温、高压等极端条件下的工作能力，以及能量存储效率提出了更高的要求。相关储能技术受到了广泛关注和应用。相比于其他电子储能器件，薄膜电容器具有充放电速率快和功率密度高等特点，但是传统的PP薄膜电容器难以应对过高的使用温度，并且储能效率不高。而本发明涉及的聚四氟乙烯PTFE薄膜具有耐高温、耐电压、充放电效率高等优点，很好地弥补了传统薄膜电容器的不足。
除此之外，在现代电子封装基板领域PTFE薄膜展现出巨大的应用潜力和市场需求。尤其是在日趋成熟的5G领域，PTFE由于介电常数低、介电损耗低、耐高压、耐高温、优异的高频稳定性等优点，可以更好地适应5G通讯领域高度集成化、高频化等特点。因此，PTFE覆铜板薄膜在现代电子封装基板领域引起了广泛的关注。但是，常见的热压工艺面临PTFE与铜基体结合力差、超薄耐高压薄膜难以获得、需要胶黏剂进行粘合以及PTFE薄膜的耐电压能力低等问题。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种涂膜-烧结的聚四氟乙烯薄膜制备方法，该方法直接将聚四氟乙烯分散液涂于金属基底上，再进行烧结，实现了聚四氟乙烯薄膜厚度的可控制备。从而使该聚合物电介质薄膜材料具有更高的击穿强度和储能密度、更低的介电损耗，与金属基底间更大的结合力以及更大的厚度范围。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明提供了一种聚合物电介质薄膜材料，其包括金属箔材料以及附着于金属箔材料表面的聚四氟乙烯薄膜。
优选地，所述聚四氟乙烯薄膜与金属箔之间不存粘合剂或粘合层。
进一步地，所述的聚四氟乙烯薄膜的厚度为0.1μm～50μm，优选为1μm-30μm。
本发明另一个方面提供了一种制备聚合物电介质薄膜材料的方法，其包括以下步骤：
1)将聚四氟乙烯(PTFE)分散液涂膜于金属箔材料表面；
2)烘干、烧结制成表面具有聚四氟乙烯薄膜的金属箔。
在本发明的技术方案中，所述的聚四氟乙烯薄膜与金属箔之间不存粘合剂或粘合层。
进一步地，所述聚四氟乙烯分散液的溶剂为水或有机溶剂。
进一步地，所述聚四氟乙烯分散液中聚四氟乙烯浓度为10％～90％，优选为50％～70％，更优选为55％-65％。
进一步地，所述聚四氟乙烯分散液中聚四氟乙烯的颗粒粒径为10nm～10μm。
进一步地，所述聚四氟乙烯分散液pH值为4～11。
进一步地，金属箔材料为铜箔、铝箔、银箔、镍箔、金箔、铅箔、锌箔、锡箔、钴箔、钛箔中的任意一种或至少两种形成的合金箔。
进一步地，金属箔的厚度为0.5μm～10cm。
进一步地，涂膜方法选自旋涂、喷涂或涂布的方法，将聚四氟乙烯分散液涂于金属箔材料表面。
进一步地，所采用的旋涂法，转速为10rad/min～10000rad/min，旋涂时间为10秒～10分钟；优选地，转速为100rad/min～5000rad/min，旋涂时间为10秒～60秒。
进一步地，所采用的喷涂法，喷涂速率为1ml/min～10000ml/min，喷涂时间为1秒～100分钟；优选地，喷涂速率为10ml/min～1000ml/min，喷涂时间为1秒～60秒。
进一步地，所采用的涂布方式，涂膜速率为0.1m/min～50m/min，优选地，涂膜速率为0.2m/min～20m/min。
进一步地，烘干的温度为10℃～180℃，烧结温度为200℃～500℃，烧结时间为1分钟～10小时。
进一步地，所述的聚四氟乙烯薄膜的厚度为0.1μm～50μm，优选为1μm-30μm。
进一步地，烘干温度为10℃-180℃，优选为50℃～150℃。
进一步地，烧结温度为200℃～600℃，优选为300℃～500℃。
进一步地，烧结时间为1分钟～10小时。
本发明的另一目的还在于提供一种薄膜电容器，包括相对设置的两层电极层、以及夹设于其间的电介质层；其中，所述电介质层的材料如为上任一所述的聚合物电介质薄膜材料。
进一步地，聚合物电介质薄膜材料与两层电极层之间还分别设置有导电层，导电层为铝、银、铜、金、镍、钛中的任意一种或至少两种形成的合金或导电聚合物，厚度为10nm～50μm，采用溅射或高温压合或化学合成化学沉积的方式形成。
进一步地，在150℃～200℃温度范围内击穿强度大于350kV/mm，电介质充放电效率高于90％，储能密度高于3.0J/cm3。
本发明通过涂膜-烧结的制备方法，制备了一种超薄的且厚度可控的耐高温、耐电压、低损耗、低介电、高频稳定、与金属基底结合力强的聚合物薄膜材料；该聚合物薄膜材料应用于电介质材料时，相比现有技术中的一般聚合物电介质薄膜材料，具有更高的使用温度、更高的高温电场击穿强度和储能密度、更高的频率稳定性以及更低的介电损耗。具有本发明的聚合物电介质薄膜材料的薄膜电容器，在150℃～200℃温度范围内击穿强度大于350kV/mm，电介质充放电效率高于90％，储能密度高于2.0J/cm3。从而能够保证具有该电介质填料的聚合物基电介质材料广泛应用于电子电气领域。
有益效果
本发明的聚合物薄膜材料应用于覆铜板材料时，相比现有技术中的一般覆铜板材料，具有与金属基底结合力强、工作温度高、耐高电压能力强、介电常数低、介电损耗低、高频稳定性好等优点。从而能够保证具有该聚合物基薄膜材料的覆铜板材料可广泛应用于电子封装基板领域。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明聚合物电介质薄膜材料的制备工艺流程图。
图2是根据本发明聚合物电介质薄膜材料电子显微镜照片；
图3是根据本发明的实施例1中的聚合物电介质薄膜材料在不同温度条件下(150℃～200℃)的击穿强度对比图。
图4是根据本发明的实施例1的聚合物电介质薄膜材料在不同温度条件下(150℃和200℃)的不同电场强度下的储能密度及效率。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种物质，但是这些物质不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个物质与另一个物质区分开来。
基于现有技术中的一般聚合物电介质薄膜材料所具有的工作温度低、高温击穿强度和能量密度低或超薄PTFE薄膜难以获得、PTFE薄膜与金属基底结合力弱的生产技术问题，本申请提供了一种全新的高温聚合物薄膜材料制备方法，该方法实现了与金属基底结合力高、高温耐电压能力强、超薄且厚度可控PTFE薄膜的制备。以及在150℃～200℃温度范围内击穿强度大于350kV/mm，电介质充放电效率高于90％，储能密度高于2.0J/cm3的聚合物电介质薄膜材料的薄膜电容器。
该聚聚合物薄膜由PTFE分散液涂于金属箔材料表面，后进行烘干烧结制备而成。
具体来讲，所使用的PTFE分散液，溶剂为水或其他有机溶剂，固含量为10％～100％，PTFE颗粒粒径为10nm～10μm，pH值4～11；导电金属箔材料为铜箔、铝箔、银箔、镍箔、金箔、铅箔、锌箔、锡箔、钴箔、钛箔等中的任意一种或至少两种形成的合金，厚度为0.5μm～10cm。
优选地，固含量为50％～70％，更优选为55％-65％。
优选地，其他有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、四氢呋喃。
将上述的PTFE悬浮液采用旋涂、喷涂或涂布的方法涂于上述导电金属箔表面后，再进行烘干、烧结。
更为具体地，所采用的旋涂法，转速为10rad/min～10000rad/min，旋涂时间为10秒～10分钟；所采用的喷涂法，喷涂速率为1ml/min～10000ml/min，喷涂时间为1秒～100分钟；所采用的涂布方式，涂膜速率为0.2m/min～20m/min。
进一步地，上述喷涂或旋涂或涂布后的膜层溶剂烘干温度为10℃～150℃，烧结温度为200℃～500℃，烧结时间为1分钟～10小时。
进一步地，所述的聚合物物薄膜厚度为1μm～50μm。
本发明的上述聚合物基电介质材料的主要效果即体现在应用于薄膜电容器中和电子封装基板领域。具体来讲，该薄膜电容器包括相对设置的两层电极层、以及夹设于二者之间的电介质层；其中，该电介质层的材料即为本发明的上述聚合物电介质薄膜材料。
进一步地，电极层的材料选择为铝、银、铜、金、镍、钛中的至少一种或其合金。
在该薄膜电容器中，控制电介质层的厚度为1μm～50μm；如此，即可保证该薄膜电容器在150℃～200℃条件下的电击穿强度不低于350kV/mm，能量密度不低于1.5J/cm3，充放电效率不低于90％。
以下，将通过具体的实施例及其表征来体现本发明的上述聚合物电介质薄膜材料，但本领域技术人员将理解的是，下述实施例仅是本发明的上述聚合物电介质薄膜材料的具体示例，并非限制其全部。
实施例1
本实施例提供的聚合物电介质薄膜材料包括聚四氟乙烯(以下简称PTFE)薄膜以及导电金属箔基底；PTFE分散液旋涂与金属箔上形成膜层，再通过烧结以薄膜的形式附于金属箔表面。
具体来讲，本实施例的固含量为60％的PTFE分散液的用量为3ml、10ml、20ml、30ml；其分别对应面积为20cm2、50cm2、100cm2、150cm2的金属箔基底。
本实施例的聚合物电介质薄膜材料的具体制备方法如下：(1)根据对应的金属箔基底的面积20cm2、50cm2、100cm2、150cm2，分别量取3ml、10ml、20ml、30ml的上述PTFE分散液。(2)将金属箔基底吸附于旋涂仪托盘上，按照金属箔的面积滴入对应量的PTFE分散液。(3)将滴入PTFE分散液的金属箔以100rad/min～5000rad/min的转速，旋涂10分钟～10秒，使分散液均匀的分布于金属箔表面。(4)将涂有PTFE分散液的金属箔在50℃～150℃的环境下直至溶剂完全挥发。(5)将干燥好的样品放入烘箱，在300℃～500℃下烧结1分钟至10小时，自然冷却至室温，获得具有膜厚为1μm～30μm PTFE薄膜的金属箔。
如在面积为20cm2，厚度35微米的金属箔上，旋涂仪转速为100rad/min、200rad/min、400rad/min、1000rad/min、2000rad/min、5000rad/min，旋涂时间为20s，用30ml上述PTFE分散液，按照上述方法制备的PTFE薄膜对应厚度分别为30μm、25μm、20μm、10μm、5μm、1μm。由此可知通过调节旋涂仪转速可以调节PTFE薄膜对应厚度，旋涂仪转速越慢PTFE薄膜的厚度越厚。
为验证击穿强度，将样品在不同温度下进行测试，结果见图3。市面上PTFE薄膜复合材料击穿强度通常小于200kV/mm，而本发明的制备方法带来的性能的提升，在200℃，175℃和150℃工作条件下，击穿强度分别为350kV/mm，380kV/mm和400kV/mm。
针对储能密度和放电效率进行测试，结果见图4。电介质充放电效率大于90％，储能密度高于2.0J/cm3。较高的的充放电效率一方面与PTFE本身的对称结构有关，另一方面本发明涉及的制备方法，使得薄膜更加致密表面光滑，增加了PTFE薄膜的击穿强度，进而提升了其储能密度。
实施例2
在实施例2的描述中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。实施例2与实施例1的不同之处在于，在实施例2中采用的涂膜方法是喷涂法。具体来讲，本实施例的固含量为60％的PTFE分散液的用量为5ml、20ml、40ml、60ml；其分别对应面积为30cm2、70cm2、150cm2、250cm2的金属箔基底。
本实施例的聚合物电介质薄膜材料的具体制备方法如下：(1)根据对应的金属箔基底的面积30cm2、70cm2、150cm2、250cm2，分别量取5ml、20ml、40ml、60ml的上述PTFE分散液装入喷枪内。(2)将不同面积的金属箔基底定于托盘内。(3)将喷枪出速设置为10ml/min～1000ml/min，通过一次或多次喷涂1秒～100分钟，使分散液均匀的分布于金属箔表面。(4)将涂有PTFE分散液的金属箔在50℃～100℃的环境下直至溶剂完全挥发。(5)将干燥好的样品放入烘箱，在200℃～500℃下烧结10小时～1分钟，自然冷却至室温，获得具有膜厚为1μm～30μm PTFE薄膜金属箔。
如在面积为30cm2，厚度40μm的金属箔上，喷枪出速分别为1000ml/min、800ml/min、200ml/min、100ml/min、50ml/min、10ml/min，喷涂20s，
用30ml上述PTFE分散液，按照上述方法制备的PTFE薄膜对应厚度分别为30μm、25μm、20μm、10μm、5μm、1μm。由此可知通过调节喷枪出速可以调节PTFE薄膜对应厚度，出速速度越快PTFE薄膜的厚度越厚。
实施例3
在实施例3的描述中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。实施例3与实施例1的不同之处在于，在实施例2中采用的涂膜方法是涂布法，具体来讲，本实施例的固含量为60％的PTFE分散液的用量为5ml、20ml、40ml、60ml；其分别对应面积为30cm2、70cm2、150cm2、250cm2的金属箔基底。
本实施例的聚合物电介质薄膜材料的具体制备方法如下：(1)根据对应的金属箔基底的面积30cm2、70cm2、150cm2、250cm2，分别量取5ml、20ml、40ml、60ml的上述PTFE分散液。(2)将相应面积的金属箔基底定于涂布器上。(3)将相应的PTFE分散液滴于涂布棒边缘，将涂布速率设置为0.2m/min～20m/min开始涂膜，使分散液均匀的分布于金属箔表面。(4)将涂有PTFE分散液的金属箔在50℃～100℃的环境下直至溶剂完全挥发。(5)将干燥好的样品放入烘箱，在200℃～500℃下烧结10小时～1分钟，自然冷却至室温，获得具有膜厚为1μm～30μm PTFE薄膜的金属箔。
如在面积为30cm2，厚度40微米的金属箔上，用20ml的固含量为60％的PTFE分散液，以涂布速率分别为0.2m/min、0.6m/min、1m/min、5m/min、15m/min、20m/min，按照上述方法制备的PTFE薄膜对应厚度分别为30μm、25μm、20μm、10μm、5μm、1μm。由此可知通过调节涂布速率可以调节PTFE薄膜对应厚度，涂布速度越慢厚度越厚。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (10)
1.一种聚合物电介质薄膜材料，其包括金属箔材料以及附着于金属箔材料表面的聚四氟乙烯薄膜。
2.根据权利要求1所述的聚合物电介质薄膜材料，其特征在于，所述的聚四氟乙烯薄膜的厚度为0.1μm～50μm，优选为1μm-30μm。
3.一种聚合物电介质薄膜材料的制备方法，其包括以下步骤：
1)将聚四氟乙烯分散液涂膜于金属箔材料表面；
2)烘干、烧结制成表面具有聚四氟乙烯薄膜的金属箔。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，涂膜方法选自旋涂、喷涂或涂布的方法，将聚四氟乙烯分散液涂于金属箔材料表面。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯分散液中聚四氟乙烯浓度为10％～90％，优选为50％～70％，更优选为55％-65％。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯分散液中聚四氟乙烯的颗粒粒径为10nm～10μm。
7.根据权利要求1所述的聚合物电介质薄膜材料或权利要求2-6任一项制备方法，其特征在于，金属箔材料为铜箔、铝箔、银箔、镍箔、金箔、铅箔、锌箔、锡箔、钴箔、钛箔中的任意一种或至少两种形成的合金箔。
8.根据权利要求4所述的制备方法，所述旋涂法，转速为10rad/min～10000rad/min，旋涂时间为10秒～10分钟；所述喷涂法，喷涂速率为1ml/min～10000ml/min，喷涂时间为1秒～100min；所述涂布方式，涂膜速率为0.2m/min～20m/min。
9.根据权利要求3-8任一所述的制备方法制备获得的聚合物电介质薄膜材料。
10.一种薄膜电容器，包括相对设置的两层电极层、以及夹设于其间的电介质层；其中，所述电介质层的材料如权利要求1，2或9任一项所述的聚合物电介质薄膜材料；
优选地，聚合物电介质薄膜材料与两层电极层之间还分别设置有导电层，更优选地，导电层为铝、银、铜、金、镍、钛中的任意一种或至少两种形成的合金或导电聚合物。
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