CN112309610A - 用于可热成形电容电路的高k值电介质组合物 - Google Patents
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Abstract
用于可热成形电容电路的高K值电介质组合物。提供了一种聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物，其包含：(a)15重量％至50重量％的第一有机介质；以及(b)15重量％至50重量％的第二有机介质，所述第二有机介质包含溶解于50重量％至90重量％的第二有机溶剂中的10重量％至50重量％的热塑性苯氧基树脂，其中所述热塑性苯氧基树脂和所述第二有机溶剂的重量百分比是基于所述第二有机介质的总重量计的；以及(c)1重量％至70重量％的高K值材料粉末，所述高K值材料粉末的K值为至少40；其中所述第一有机介质、所述第二有机介质以及所述高K值材料粉末的重量百分比是基于所述电介质组合物的总重量计的。
Description
本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2015/036412，国际申请日为2015年6月18日，进入中国国家阶段的申请号为201580035908.9，名称为“用于可热成形电容电路的高K值电介质组合物”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及具有高介电常数(K)的聚合物厚膜可热成形电介质组合物。由组合物制成的电介质可用于多种电子应用中以保护电元件，并且尤其用于在电容式开关中提供高介电常数并由此改善电容。
背景技术
长久以来，电介质已被用于保护电元件。它们也已被用作隔离层。虽然它们已在这些类型的应用中使用多年，但在热成形程序期间将电介质用作高K值层并不常见。在使用高导电性银的可热成形电容电路中这一点特别重要，并且特别是在使电路热成形的严苛考验之后，能够增加电容的任何事物都是非常有利的性质。高K值(通常称为介电常数或相对电容率)可对电路的性能带来有益的影响，通常导致改善的信号/噪声。本发明的目的之一是改善可热成形电路的电容性质，并产生具有改善的电性能的可热成形电容构造。
发明内容
本发明涉及聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物，其包含：
(a)15重量％至50重量％的第一有机介质，该第一有机介质包含溶解于50重量％至90重量％的第一有机溶剂中的10重量％至50重量％的氨基甲酸酯树脂，其中该氨基甲酸酯树脂和该第一有机溶剂的重量百分比是基于该第一有机介质的总重量计的；以及
(b)15重量％至50重量％的第二有机介质，该第二有机介质包含溶解于50重量％至90重量％的第二有机溶剂中的10重量％至50重量％的热塑性苯氧基树脂，其中该热塑性苯氧基树脂和该第二有机溶剂的重量百分比是基于该第二有机介质的总重量计的；以及
(c)1重量％至70重量％的高K值材料粉末，该粉末的K值为至少40；其中该第一有机介质、第二有机介质以及高K值材料粉末的重量百分比是基于电介质组合物的总重量计的。
本发明还涉及使用聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物以在可热成形的电容电路中形成保护层和/或绝缘层。
具体实施方式
本发明涉及用于热成形电路中的聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物。
常用于聚合物厚膜可热成形电容电路中的基板是聚碳酸酯(PC)。PC通常为优选的，因为其可容易地热成形。然而，PC对沉积在其上的层中使用的溶剂非常敏感。不当的溶剂能够造成PC基板中的裂缝或裂纹。
聚合物厚膜(PTF)高K值可热成形电介质组合物由两种有机介质以及高K值材料粉末组成，这两种有机介质各自包含溶解在有机溶剂中的聚合物树脂。另外，可添加粉末和印刷助剂以改善组合物。本文中重量百分比将写作重量％。
有机介质
第一有机介质由溶解于第一有机溶剂中的氨基甲酸酯树脂构成。氨基甲酸酯树脂必须实现对电元件(例如沉积在其上的银层)以及下面的基板两者的良好粘附性。氨基甲酸酯树脂还必须提供用于热成形的弹性。其必须与电元件的性能相容并且不会不利地影响电元件的性能。在一个实施方案中，氨基甲酸酯树脂占该第一有机介质总重量的10重量％至50重量％并且第一有机溶剂占该第一有机介质总重量的50重量％至90重量％。在另一个实施方案中，氨基甲酸酯树脂占该第一有机介质总重量的15重量％至35重量％并且第一有机溶剂占该第一有机介质总重量的65重量％至85重量％。在另一个实施方案中，氨基甲酸酯树脂占该第一有机介质总重量的15重量％至25重量％并且第一有机溶剂占该第一有机介质总重量的75重量％至85重量％。在一个实施方案中，氨基甲酸酯树脂为氨基甲酸酯弹性体。在另一个实施方案中，氨基甲酸酯树脂为基于聚酯的共聚物。
第二有机介质由溶解于第二有机溶剂中的苯氧基树脂构成。第二有机溶剂可以与第一有机溶剂相同，或者可以使用不同的溶剂。苯氧基树脂使组合物增加了高温性能并改善了透湿性，即有助于阻止水分进入组合物。在一个实施方案中，热塑性苯氧基树脂占该第二有机介质总重量的10重量％至50重量％并且第二有机溶剂占该第二有机介质总重量的50重量％至90重量％。在另一个实施方案中，热塑性苯氧基树脂占该第二有机介质总重量的15重量％至45重量％并且第二有机溶剂占该第二有机介质总重量的55重量％至85重量％。在另一个实施方案中，热塑性苯氧基树脂占该第二有机介质总重量的15重量％至35重量％并且第二有机溶剂占该第二有机介质总重量的65重量％至85重量％。
通常通过机械混合向有机溶剂中加入聚合物树脂以形成介质。适用于聚合物厚膜组合物的溶剂是本领域技术人员已知的，并且包括乙酸酯和萜烯，诸如卡必醇乙酸酯和α-或β-萜品醇，或它们与其它溶剂的混合物，其它溶剂如煤油、邻苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二醇和高沸点醇以及醇酯。此外，可以包含挥发性液体，以促进在施用于基板上之后快速硬化。在本发明的许多实施方案中，可以使用溶剂诸如乙二醇醚、酮、酯和相似沸点(在180℃至250℃的范围内)的其它溶剂、以及它们的混合物。配制这些溶剂和其它溶剂的各种组合，以达到所需的粘度和挥发性要求。所用溶剂必须使树脂溶解。如果沉积在聚碳酸酯上，则溶剂双丙酮醇在防止裂纹方面特别有效。
在一个实施方案中，聚合物厚膜(PTF)高K值可热成形电介质组合物由15重量％至50重量％的第一有机介质和15重量％至50重量％的第二有机介质构成。在另一个实施方案中，聚合物厚膜(PTF)高K值可热成形电介质组合物由20重量％至45重量％的第一有机介质和20重量％至45重量％的第二有机介质组成。
高K值粉末
聚合物厚膜(PTF)高K值可热成形电介质组合物由K值为至少40的高K值材料粉末组成。在一个实施方案中，所述高K值材料的K值为至少100。在另一个实施方案中，所述高K值材料的K值为至少500。一些高K值材料的示例是钛酸钡、钛酸铅锆、钛酸锶钡、钛酸铅镧锆、二氧化钛和某些玻璃料。在一个实施方案中，高K值材料粉末的量为组合物的1％至70％。在另一个实施方案中，高K值材料粉末占整体组合物总重量的20重量％至60重量％，而在另一个实施方案中，高K值材料粉末占整体组合物总重量的35重量％至50重量％。优选将高K值材料粉末的粒度保持在0.5微米至10微米的范围内以便避免任何裂纹问题。
附加粉末
可将各种粉末添加到PTF高K值可热成形电介质组合物中以改善粘附性、改变流变特性并增加低剪切粘度从而改善印刷适性。一种此类粉末是热解法二氧化硅，其中已发现其显著改善抗透湿性。
PTF高K值可热成形电介质组合物的施用
通常将又称为“浆料”的PTF高K值可热成形电介质组合物沉积在一定程度上对气体和水分不可渗透的基板诸如聚碳酸酯上。基板也可为由塑性片材与沉积在其上的任选的金属或电介质层的组合构成的复合材料片材。在其它构造中，PTF高K值可热成形电介质组合物可沉积在现有的银/电介质构造之上。
通常通过丝网印刷进行PTF高K值可热成形电介质组合物的沉积，但也可使用其它沉积技术，诸如孔版印刷、注射式滴涂或涂覆技术。在使用丝网印刷的情况下，筛网的目尺寸控制沉积的厚膜的厚度。
一般来讲，厚膜组合物包含向组合物赋予适当电功能性质的功能相。功能相包含分散于有机介质中的电功能粉末，所述有机介质充当功能相的载体。在本发明中，功能相是高K值材料。一般来讲，焙烧组合物以烧尽有机介质的聚合物和溶剂二者并赋予电功能性质。然而，就聚合物厚膜诸如本发明的聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物而言，有机介质的聚合物部分在干燥后作为组合物的整体部分保留。
可在除去所有溶剂所必需的时间和温度下加工PTF高K值可热成形电介质组合物。例如，通常通过暴露于130℃的热持续一般10-15分钟来干燥沉积的厚膜，以形成高K值电介质层。高K值电介质层的K值取决于在PTF高K值可热成形电介质组合物中使用的高K值材料的K值。
电容电路构造
所用的底部基板通常为10密耳厚的聚碳酸酯。根据上述条件印刷并干燥可热成形的导电银组合物，诸如杜邦5043(特拉华州威明顿市的杜邦公司(DuPont Co.,Wilmington,DE))。然后将PTF高K值可热成形电介质组合物在与用于银层的条件相同的条件下印刷并干燥。然后也可以在银导体上方印刷第二高K值电介质层。最后，印刷并干燥顶层杜邦5043银，从而形成电容器。可包括热成形整个单元的后续步骤在3D电路的生产中是典型的。如果不使用高K值电介质，则电容电路将经受减弱的电性能，并且功能电路将受损，从而往往导致灵敏度和响应降低。
在制备三维电容电路的过程中，在热成形步骤之后，最终步骤将常常是模塑步骤，其中使用树脂诸如聚碳酸酯通过注塑形成成品电路。该过程被称为模内成形并且涉及较高的温度。根据所选的树脂，这些温度通常可超过250℃并持续10-30秒。因此，用于PTF组合物的树脂的选择是至关重要的。已经示出，用于即用PTF组合物中的树脂的组合耐受模内成形过程，并且产生全功能电路，然而通常用于PTF组合物中的大多数树脂将不耐受。
实施例和比较实验
实施例1
按以下方式制备PTF高K值可热成形电介质组合物。通过将20.0重量％的Desmocoll 540聚氨酯(宾夕法尼亚州匹兹堡的拜耳材料科技有限公司(Bayer MaterialScience LLC,Pittsburgh,PA))与80.0重量％二元酯(特拉华州威明顿市的杜邦公司(DuPont Co.,Wilmington,DE))有机溶剂混合来制备第一有机介质。树脂的分子量为大约40,000。将该混合物在90℃下加热1-2小时以使所有树脂溶解。通过将27.0％PKHH树脂(南卡罗来纳州石山的InChem公司(InChem Corp.,Rock Hill,SC))加入73.0％二元酯中来制备第二有机介质，并如上加热。然后加入40.0重量％的钛酸钡粉末(Fuji株式会社(FujiCorp))作为高K值材料并将整个组合物混合。然后使组合物经受三辊磨以150psi研磨两个循环。
基于该组合物的总重量计，组成为：
30.0重量％ 第一有机介质
30.0重量％ 第二有机介质
40.0重量％ 钛酸钡粉末
然后如下制造电路：
使用280目不锈钢丝网将杜邦银浆5043(特拉华州威明顿市的杜邦公司(DuPontCo.,Wilmington,DE))的图案印刷到10密耳厚的聚碳酸酯基板上。将该银图案在130℃下干燥10分钟。然后用200目不锈钢丝网印刷上述制备的PTF高K值可热成形电介质组合物的印刷品并在130℃下干燥10分钟。然后印刷PTF高K值可热成形电介质组合物的第二种印刷品并在130℃下干燥10分钟。这两种经干燥的印刷品形成了高K值电介质层。用280目不锈钢丝网印刷另一层杜邦银浆5043，并在130℃下干燥10分钟。检查所得到的电路，没有发现下面基板有裂纹或变形的迹象。根据所测量的电容和电介质层厚度计算K值。
比较实验A
如实施例1中所述制备电路。唯一的区别是，使用PTF防潮层电介质组合物代替PTF高K值可热成形电介质组合物。
按以下方式制备PTF防潮层电介质组合物。通过将20.0重量％的Desmocoll 540聚氨酯(宾夕法尼亚州匹兹堡的拜耳材料科技有限公司(Bayer Material Science LLC,Pittsburgh,PA))与80.0重量％二元酯(特拉华州威明顿市的杜邦公司(DuPont Co.,Wilmington,DE))有机溶剂混合来制备第一有机介质。树脂的分子量为大约40,000。将该混合物在90℃下加热1-2小时以使所有树脂溶解。通过将27.0重量％的PKHH树脂(南卡罗来纳州石山的InChem公司(InChem Corp.,Rock Hill,SC))加入73.0重量％的二元酯(特拉华州威明顿市的杜邦公司(DuPont Co.,Wilmington,DE))有机溶剂中来制备第二有机介质，并如上加热。然后加入0.5％热解法二氧化硅(卡博特公司(Cabot Corp))。加入5％双丙酮醇(田纳西州金斯波特的伊士曼化学公司(Eastman Chemical,Kingsport,TN))并将整个组合物混合。然后使组合物经受三辊磨以150psi研磨一个循环。
基于该组合物的总重量计，组成为：
如实施例1中所述计算K值。
比较实验B
如实施例1中所述制备电路。唯一的区别是，使用可紫外线固化电介质组合物代替PTF高K值可热成形电介质组合物。
按以下方式制备PTF可紫外线固化可热成形电介质组合物。首先加入有机组分，然后加入无机粉末。将该组合物在中速下混合45分钟。然后使组合物经受三辊磨以150psi研磨一个循环。
基于该组合物的总重量计，组成为：
作为使用PTF可紫外线固化可热成形电介质组合物的结果，将印刷的电介质印刷层使用Hg蒸气灯泡以750mJ/cm2进行紫外线固化，而不是干燥。
如实施例1中所述计算K值。
从表1中所示结果看，由使用PTF高K值可热成形电介质组合物引起的性能改善是显而易见的。
表1
Claims (10)
1.一种聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物，其包含：
(a)15重量％至50重量％的第一有机介质，所述第一有机介质包含溶解于50重量％至90重量％的第一有机溶剂中的10重量％至50重量％的氨基甲酸酯树脂，其中所述氨基甲酸酯树脂和所述第一有机溶剂的重量百分比是基于所述第一有机介质的总重量计的；以及
(b)15重量％至50重量％的第二有机介质，所述第二有机介质包含溶解于50重量％至90重量％的第二有机溶剂中的10重量％至50重量％的热塑性苯氧基树脂，其中所述热塑性苯氧基树脂和所述第二有机溶剂的重量百分比是基于所述第二有机介质的总重量计的；以及
(c)1重量％至70重量％的高K值材料粉末，所述高K值材料粉末的K值为至少40；
其中所述第一有机介质、所述第二有机介质以及所述高K值材料粉末的重量百分比是基于所述电介质组合物的总重量计的。
2.根据权利要求1所述的聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物，其中所述氨基甲酸酯树脂为氨基甲酸酯弹性体或基于聚酯的共聚物。
3.根据权利要求1所述的聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物，其中所述高K值材料的K值为至少500。
4.根据权利要求1所述的聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物，其中所述高K值材料选自钛酸钡、钛酸铅锆、钛酸锶钡和钛酸铅镧锆。
5.一种电容式开关电路，其包括由根据权利要求1所述的聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物形成的高K值电介质层。
6.根据权利要求5所述的电容式开关电路，其还包括：
(a)基板；
(b)第一电导体，所述第一电导体沉积在所述基板上；以及
(c)第二电导体；
其中所述高K值电介质层沉积在所述第一电导体和所述第二电导体之间，从而形成电容器。
7.根据权利要求6所述的电容式开关电路，其中根据权利要求1所述的聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物中所用的所述高K值材料的K值为至少500。
8.根据权利要求5所述的电容式开关电路，其中所述电容式开关电路是热成形的。
9.根据权利要求8所述的电容式开关电路，其中所述电容式开关电路是注塑成形的。
10.一种电容器，其包括两个电导体，所述两个电导体由根据权利要求1所述的聚合物厚膜高K值可热成形电介质组合物形成的高K值电介质层分隔。
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