CN1967751A - 具有改进的电介特性的薄膜电容器 - Google Patents
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Abstract
提供一种包括第一电极(12)的薄膜电容器(10)。薄膜电容器(10)还包括具有第一介电常数的设置在第一电极(12)上的第一介电层(14)和具有第二介电常数的设置在第一介电层(14)上的第二介电层(16)，其中第二介电常数比第一介电常数至少大50％。还包括设置在第二介电层(16)上的第二电极。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容器，更具体地涉及一种具有改进的电介特性的薄膜电容器。
背景技术
在过去十年，通过先进的制造技术与新材料的结合已经完成了电容器性能的显著增加。基于制造技术，可以将薄膜电容器分类为三种类型，即薄膜和金属箔电容器、金属化膜电容器和混合技术薄膜电容器。
通常，薄膜和金属箔电容器包括由一层塑料膜分开的两个金属箔电极。通常使用的塑料膜之一是聚丙烯。一般地，薄膜和金属箔电容器由交替的两片铝箔和两层塑料膜制成。这些交错的层以防止金属层彼此接触的方式围绕主轴缠绕。薄膜和金属箔电容器广泛地适用于功率电子工业中。金属化膜电容器与薄膜和金属箔电容器不同，其中铝箔被真空淀积在塑料膜层上的金属膜层替代。金属膜层通常非常薄，大约为200-500埃的数量级且通常为铝或锌。金属化电容器具有尺寸、简单性和制造成本的优势。混合技术电容器是薄膜和金属箔电容器与金属化膜电容器的结合。通常，它们为高压电容器。
尽管过去几十年中电容器进行了显著改进，某些问题持续存在，例如可导致薄膜电容器寿命降低的表面缺陷和电应力。表面缺陷可引起电介质击穿电压的扩散，导致电容器中各个位置处的击穿电压变化，由此造成电容器的整个击穿电压的降低。由于电容器阳极处的电应力，限制了薄膜电容器的寿命。这导致了电容器的时间周期上发生的相关退化。
因此，期望设计一种薄膜电容器，其能够解决上述问题并满足现代工业应用的需要。
发明内容
依照发明的一个方面，提供一种层叠的薄膜电容器。该薄膜电容器包括第一电极和设置在第一电极上的第一介电层。它还包括设置在第一介电层上的第二介电层，其中第二介电层的介电常数比第一介电层的介电常数至少大50％。该薄膜电容器还包括设置在第二介电层上的第二电极。
附图说明
参考附图，阅读下述详细说明，本发明的这些和其它特征、方面和优点将更容易理解，其中相同的符号代表整个图中相同的部件，其中：
图1是依照本发明的一个实施例的叠层薄膜电容器的截面图，其具有设置在第一介电层上的第二介电层的涂层；
图2是依照本发明的一个实施例的叠层薄膜电容器的截面图，其具有插在第二介电层的涂层和第三介电层之间的第一介电层；
图3是依照本发明的一个实施例的叠层薄膜电容器的截面图，其描述涂覆在基础介电层上的金属化介电层；
图4是描述无涂层的Ultem聚醚酰亚胺和有涂层的Ultem聚醚酰亚胺膜的击穿电压范围的曲线表示图，有涂层的Ultem聚醚酰亚胺膜涂覆了填充有氮化硼的Ultem聚醚酰亚胺；和
图5是作为涂覆在Ultem聚醚酰亚胺上的氮化硼的重量百分比的函数的介电常数和损耗系数的曲线。
具体实施方式
如下详细说明，本发明的实施例提供一种具有改进的电介特性的薄膜电容器。这里考虑的一些电介特性为介电常数、击穿电压和损耗系数。电介质的“介电常数”为其中电极之间和周围空间填充有电介质的电容器的容量与真空中相同电极结构的容量的比率。如这里所使用的，“电介质击穿电压”指在施加的AC或DC电压下，材料的电介质击穿电阻的测量。在击穿前施加的电压由电介质的厚度分开，以便给出击穿电压。其以kV/mm来测量。在理想的电介质中，电压波和电流波为有90°的相位差。在实际电介质中，由于电介质变为小于100％有效，电流波开始按正比滞后电压。这导致电介质中成比例的功率损失。把电流波与电压偏离90°的相位差的程度被定义为介电损耗角。该损耗角的正切被已知为损耗系数或耗散因子。
一般的薄膜电容器任一侧上包含插入在两个电容器之间的聚合物膜。聚合物膜用作薄膜电容器中的电介质。在本发明的一个实施例中，这里公开的薄膜电容器包括其上设置有第一介电层的第一电极。薄膜电容器还包括相对于第一电极设置在第一介电层上的第二介电层，具有比第一介电层的介电常数至少大50％的介电常数。此外，薄膜电容器包括设置在第二介电层上的第二电极。在发明的另一实施例中，薄膜电容器包括插入在第二介电层和第二电极之间的金属化膜。
在图1示出的发明所述实施例中，描绘了薄膜电容器10的截面图。薄膜电容器10包括第一电极12，例如阴极，其上设置具有第一介电常数的第一介电层14。具有比第一介电常数大至少50％的第二介电常数的第二介电层16设置在第一介电层14上。第二电极18，例如阳极，进一步设置在第二介电层16上。
已知由于电应力引起的薄膜电容器的退化频繁发生在薄膜电容器的阳极。通过附加设置在第二电极18之下具有比第一介电层14的介电常数大很多的第二介电层16，则能够增加各个薄膜电容器的寿命。在非限定示例中，第二介电层16的第二介电常数大约不比第一介电层14的第一介电常数大50％-75％。在另一非限定示例中，第二介电层16的第二介电常数为大约比第一介电层14的第一介电常数大75％-100％。第二介电层16引起第一电极12处出现比第二电极18处更大的电压梯度。这随着加载在第二电极18上的电压下降而改进了薄膜电容器的整个电压耐久性。如此进一步造成击穿电压的增加。结果，如此提供用于在第二电极18(阳极)处降低电应力以降低薄膜电容器的退化的方法。结果，增强了薄膜电容器的寿命。
电极12、18通常包括金属箔。在一个实施例中，电极12、18包含至少铝、铜或锌箔之一。第一介电层14通常包含有机聚合物、无机材料或聚合物膜。无机材料的非限定示例为氮化硼(BN)、云母、纸、氮化硅(Si3N4)或氮化铝(AlN)。聚合物膜的某些非限定示例包括聚丙烯(PP)、聚酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚碳酸脂(PC)、芴基共聚物(fluorenyl polester)(FPE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚乙二烯氟化物(PVDF)、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、特氟隆(聚四氟乙烯)(PTFE)、聚乙二烯氟化物(PVDF-TrFE)、Ultem(聚醚酰亚胺)及其结合。第二介电层16可包括有机聚合物、无机材料或聚合物合成膜。无机材料的非限定示例为氮化硼(BN)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氮化铝(AlN)和氮化硅(Si3N4)。用作第二介电层的聚合物膜的某些非限定示例包括聚乙烯邻苯二甲酰盐(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚乙二烯氟化物(PVDF)。聚合物合成物的某些非限定示例包括无机材料或聚合物，聚合物可以是包含BN、Al2O3、SiO2、TiO2、五氧化铌(Nb2O5)、五氧化钽(Ta2O5)及其结合的Ultem聚醚酰亚胺、PP、PET、PVDF、FPE、PEEK、PES、PC或PPS。在非限定示例中，第二介电层的厚度在大约0.3微米至大约5微米的范围内。第一介电常数的非限定示例至少约为2。在非限定示例中，第二介电常数在3-100的范围内。
在发明的示例实施例中，第一介电层14具有200伏(V)到800V范围内的击穿电压，而第二介电层16具有50V到700V范围的击穿电压。在非限定示例中，第一介电层14具有0.0002至0.02范围内的损耗系数，其中第二介电层16具有0.003至0.03范围内的损耗系数。
在图2所示的发明的另一个所述实施例中，示出了薄膜电容器20。在发明的该实施例中，第三介电层22插入在第一电极12和第一介电层14之间。第二介电层16设置在第一介电层14上。介电层16和22的介电常数比介电层14大50％。在非限定示例中，介电层16的第二介电常数大约要大50％-75％，而介电层22的第三介电常数大约比第一介电层14的所述第一介电常数大75％-100％。在另一非限定示例中，介电层16的第二介电常数大约要大75％-100％，而介电层22的第三介电常数大约比第一介电层14的第一介电常数大50％-75％。此外，在另一非限定示例中，介电层16的第二介电常数和介电层22的第三介电常数都大约比第一介电层14的第一介电常数大50％-75％。在另一非限定示例中，介电层16的第二介电常数和介电层22的第三介电常数都大约比第一介电层14的第一介电常数大75％-100％。
在图3示出的发明的又一实施例中，示出了薄膜电容器30。在发明的该实施例中，金属32的涂层真空淀积在介电层16上且插入在介电层16和第二电极18之间。薄膜电容器30包括插入在第一电极12与第二介电层16之间的第一介电层14。金属涂层的非限定示例包括蒸镀的铝涂层。介电层16具有比第一介电层14的第一介电常数至少大50％的第二介电常数。
上述实施例存在某些非限定性的优点，例如增加介电常数、增加电介质的击穿电压、降低表面缺陷和延长薄膜电容器的寿命。取决于层叠材料的涂层，其增加的电晕放电电阻和电荷捕获能力使得基础聚合物在更高的电压和脉冲功率下工作。发现包含例如Al2O3或BN的某种纳米粒子的聚合物示出更高的击穿力量和介电常数。填充聚合物的粒子还能够提供增加的热导率。Ultem的更高的玻璃态转变温度使得电容器具有更高的工作温度。如上所述的表面缺陷引起电介质中击穿电压的扩散，结果电容器中各个位置具有变化的击穿电压。结果，当上述实施例中该表面缺陷降低时，得到更窄的击穿电压范围。
本发明的电介质材料可以以多种方式涂覆。这些方式包括旋途、浸渍涂覆、刷途、溶剂浇注、化学气相淀积和层叠第二聚合物或聚合物合成体的较薄层。在非限定示例中，清洗第一介电层的表面以去除灰尘和污染物，以能够使有涂层的电介质膜粘附到基础电介质膜。清洗的非限定示例包括湿法或化学清洗、等离子体清洗或任何其结合。由于有涂层的电介质膜与基础电介质膜之间界面处的空隙或缺陷会降低击穿电压，因此有涂层的电介质材料粘附到基础电介质膜是所期望的。在发明的一个实施例中，使用的涂覆材料具有比基础电介质膜的介电常数至少大50％的介电常数。在其它实施例中，涂覆材料包括有机聚合物或无机材料或聚合物。涂覆方法的非限定示例包括以溶剂涂覆、使用化学气相淀积的涂覆、等离子体聚合物聚合或物理溅射方法。
示例
下面的示例仅仅是说明性的，不应限定为发明主张的范围的任何限制。
图4是使用统计t测试，用于无涂层的聚合物膜Ultem聚醚酰亚胺的平均击穿电压(由参考号48示出)和用于有涂层的Ultem聚醚酰亚胺膜的平均击穿电压(由参考号52示出)的图形比较40，其中有涂层的Ultem聚醚酰亚胺膜涂覆了填充有氮化硼的Ultem聚醚酰亚胺。可以使用其它统计工具。X轴42表示用于无涂层的Ultem聚醚酰亚胺43和涂覆了填充有氮化硼的Ultem聚醚酰亚胺的Ultem聚醚酰亚胺膜45的工艺。Y轴44表示击穿电压。方块曲线46表示无涂层的Ultem聚醚酰亚胺的击穿电压范围，且方块曲线50表示在涂覆了填充有氮化硼的Ultem聚醚酰亚胺的Ultem聚醚酰亚胺膜的情况下的击穿电压范围。可见，与无涂层的Ultem聚醚酰亚胺相比，有涂层的Ultem聚醚酰亚胺具有更窄的击穿电压范围。这表明在聚合物膜上添加涂层会减少膜表面的缺陷，其反过来降低了各个位置处的基础击穿电压的扩散。
图5是作为氮化硼的重量百分比的函数的填充了Ultem聚醚酰亚胺膜的氮化硼的介电常数和损耗系数的表示图60。X轴62代表氮化硼的重量百分比。Y轴64和66代表介电常数和损耗系数。如曲线68所示，随着添加的氮化硼重量达到1％介电常数从3.25增加到3.7，此后随着添加的氮化硼重量达到10％介电常数接近常数。如曲线70所示，氮化硼重量的增加趋势似乎达到3％，此后在重量达到10％时似乎降低。因此，能够推断出，为了增强层叠薄膜电容器的性能，添加到Ultem聚醚酰亚胺或其它聚合物中大约1％-5％的氮化硼是所期望的。
由于仅仅说明和描述了发明的确定技术特征，本领域技术人员可以进行多种修改和改变。因此应当理解附加的权利要求覆盖了发明的真实精神内的所有该修改或改变。
元件列表
10薄膜电容器
12第一电极
14第一介电层
16第二介电层
18第二电极
20薄膜电容器
22第三介电层
30薄膜电容器
32金属真空
40图形比较
42表示不同工艺的X轴
43无涂层的ULTEM
44表示击穿电压的Y轴
45有涂层的ULTEM
46无涂层的ULTEM的击穿电压范围的方框曲线
48无涂层的ULTEM的平均击穿电压
50涂覆有氮化硼的ULTEM的击穿电压范围的方框曲线
52涂覆有氮化硼的ULTEM的平均击穿电压
60介电常数和损耗系数相对氮化硼重量百分比的图形表示
62表示氮化硼重量百分比的X轴
64表示介电常数的Y轴
66表示损耗系数的Y轴
68介电常数的曲线
70损耗系数的曲线
Claims (10)
1、一种电容器(10)，包括：
第一电极(12)；
设置在所述第一电极(12)上的第一介电层(14)，其中所述第一介电层(14)具有第一介电常数；
相对于第一电极(12)设置在所述第一介电层(14)上的第二介电层(16)，其中所述第二介电层(16)具有至少比所述第一介电常数大50％的第二介电常数；和
相对于所述第一介电层(14)设置在所述第二介电层上的第二电极(18)。
2、如权利要求1的电容器(10)，其中所述第二介电层(16)具有比所述第一介电常数大50％-75％的第二介电常数。
3、如权利要求1的电容器(10)，其中所述第二介电层(16)具有比所述第一介电常数大75％-100％的第二介电常数。
4、如权利要求1的电容器(10)，其中所述第一介电层包含有机聚合物或无机材料。
5、如权利要求1的电容器(10)，其中所述第一介电层(14)具有100度开文和300度开文范围内的工作温度。
6、如权利要求1的电容器(10)，其中所述第二介电层(16)具有100度开文和300度开文范围内的工作温度。
7、如权利要求1的电容器(10)，其中所述第一介电层(14)具有200伏到800伏范围内的击穿电压。
8、如权利要求1的电容器(10)，其中所述第二介电层(16)具有50伏到700伏范围内的击穿电压。
9、如权利要求1的电容器(10)，还包括插入在所述第二介电层(16)和所述第二电极(18)之间的金属化膜(32)。
10、如权利要求1的电容器(10)，还包括插入在所述第一电极(12)和所述第一介电层(14)之间的第三介电层(22)，其中所述第三介电层(22)具有比所述第一介电常数至少大50％的第三介电常数。
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