高溫電容器及其制造方法

專利名稱：高溫電容器及其制造方法
技術領域：
本發明通常涉及電容器，并且具體涉及薄膜電容器中的電介質層，例如金屬化薄膜電容器中的電介質層。
背景技術：
在過去十年間，通過先進制造技術和新材料的結合，實現了在電容器可靠性上的顯著增長。特別是在所謂的薄膜電容器方面，獲得了性能的極大增強。基于制造技術可以將薄膜電容器分類為三種，也就是，薄膜和箔(foil)電容器、金屬化薄膜電容器和混合工藝薄膜電容器。
通常地，金屬化薄膜電容器由通過塑料(plastic)膜分開的兩個金屬電極組成。金屬化塑料膜通過在塑料膜層上真空沉積金屬膜來構造。這將提供緊湊的電容器結構、自清潔能力、更長的壽命以及更高的能量密度。一些常規使用的塑料膜是聚丙烯和聚醚酰亞胺膜。典型地，金屬膜層極度薄，為大約200-500埃數量級并且典型地是鋁或鋅。與其他類型的電容器相比較，金屬化薄膜電容器在尺寸、簡易以及制造成本上具有優勢，并且因此廣泛應用于功率電子工業中。
盡管在金屬化薄膜電容器上已經獲得顯著進步，但某些問題，例如熱穩定性和降低的壽命卻持續挑戰其廣泛的應用。例如，以聚丙烯膜作為電介質層的金屬化薄膜電容器不適合大約90℃以上的操作。
因此，需要設計一種可以解決上述問題并滿足電子工業應用的當前需求的金屬化薄膜電容器。

發明內容
依照本發明的一個方面，提供制造電容器的方法，包括等離子體處理聚醚酰亞胺膜的表面。該方法還包括金屬化該處理表面，然后在相對表面上設置電極和最后封裝電容器。
依照本發明的另一個方面，制造電容器的方法包括在氟化的氣氛中等離子體處理聚醚酰亞胺膜的表面。該方法也包括金屬化該表面，然后，和前面一樣，在相對表面上設置電極和最后封裝電容器。
依照本發明的另一個方面，提供包括由具有至少一個氟化表面的聚醚酰亞胺膜制成的電介質層的電容器。電容器也包括設置在聚醚酰亞胺膜的氟化表面上的金屬化層，和設置在與氟化表面相對的聚醚酰亞胺膜側上的電極。


當參考附圖閱讀下面的具體實施方式
時，可以更好地理解本發明的這些和其他的特征、方面和優點，在全部附圖中相同的附圖標記表示相同的部分，其中圖1是依照本發明的方面的示例性的金屬化薄膜電容器的概略的說明；圖2是依照本發明的一個方面的金屬化薄膜電容器的一部分的截面圖，其圖解了電介質層的等離子體處理的表面；圖3是依照本發明的一個方面制造具有如圖2的等離子體處理表面的電介質層的金屬化薄膜電容器的示例方法的步驟流程圖；圖4圖型比較了市售聚醚酰亞胺膜、旋涂聚醚酰亞胺膜和填充有納米填料氧化鋁(Al2O3)的聚醚酰亞胺膜的擊穿電壓與暴露在等離子體中的時間的變化關系，所述膜全部都可以用于如圖2中的高溫金屬化薄膜電容器；圖5是可以用在如圖2中的高溫金屬化薄膜電容器中的改進的聚醚酰亞胺膜的介電常數與施加信號頻率的變化關系的圖解；以及圖6是可以用在如圖2中的高溫金屬化薄膜電容器中的改進的聚醚酰亞胺膜和沒有等離子體處理的雙軸取向的聚丙烯膜的擊穿電壓和溫度的變化關系的圖解比較。
具體實施例方式
如下面詳細地論述，本發明的實施方案包括具有改進電特性并可在高溫操作的金屬化薄膜電容器。還對制造這樣的膜和薄膜電容器的方法進行描述。這里考慮的一些介電特性是介電常數和擊穿電壓。電介質的“介電常數”是電容器電容與在真空中相同構造的電極的電容的比率，在前者的電容器中電極之間和周圍的空間是用電介質填充的。如在這里使用的，“擊穿電壓”指的是在施加AC或DC電壓下，電介質材料的電介質擊穿抗力的度量。在擊穿前施加的電壓除以電介質材料的厚度來得到擊穿電壓。通常是以電勢差的單位比上長度單位來度量，例如千伏每毫米(kV/mm)。作為在這里應用，術語“高溫”指的是高于大約100攝氏度的溫度(℃)。
典型的金屬化薄膜電容器包括插入在兩側的兩個電極之間的聚合物膜。兩個電極包括層金屬，例如，鋁、銅或鋅或他們的組合，其是真空沉積在用作金屬化薄膜電容器中的電介質的聚合物膜上。在本發明的一個實施方案中，在這里公開的金屬化薄膜電容器包括其上設置有電介質層的電極。薄膜電容器還包括電介質層的等離子體處理的表面。進一步地，薄膜電容器包括電極，所述電極典型地由在電介質層的等離子體處理表面上設置(例如真空沉積)的例如鋁或鋅的金屬層構成。
現在轉向附圖，圖1是依照本發明的方面的金屬化薄膜電容器10的概略的說明。金屬化薄膜電容器10包括作為最后的封裝纏繞在電容器的圓柱表面14周圍的塑料箔12。引線16提供金屬化薄膜電容器10在電路中的電連接。將用于構造金屬化薄膜電容器中的示例性實施方案中的工藝稱作“纏繞”(wound)電容器工藝。在“纏繞”電容器工藝中，平衡長度的(offset length)金屬化箔纏繞在軋制的圓柱體上。希望依照本發明的金屬化薄膜電容器提供例如低電介質損失率的電特性并可以廣泛用于功率電子應用。在共未決的2005年11月23日提交的名為“HIGH DIELECTRIC CONSTANT NANOCOMPOSITES”的美國專利申請序列號11/286096和2005年11月14日提交的名為“LAMINATEDFILM CAPACITORS WITH HIGHER DIELECTRIC BREAKDOWNSTRENGTH”的美國專利申請序列號11/273208中可找到具有改進介電特性的某些早期金屬化薄膜電容器的進一步詳細描述，他們都轉讓給與本發明相同的受讓人，在此通過引用結合進來。
圖2是表現依照本發明的金屬化薄膜電容器18的一部分的截圖。金屬化薄膜電容器18包括電極20，如陰極，在其上設置電介質層22。在一個示例中，電介質層22是聚醚酰亞胺膜，包括相對于電極20的等離子體處理表面24。進一步，將金屬化層26設置在等離子體處理表面24之上，并用作陽極。
典型地電極20包括金屬箔。在一個實施方案中，電極20包括鋁、銅或鋅箔的至少一個。用作電介質層22的聚醚酰亞胺膜的示例可以是以名稱Ultem從General Electric Plastics商業獲得的薄膜產品。等離子體處理表面的示例包括通過四氟化碳氟化的表面。電介質層22的厚度可以是在大約0.5μm至大約50μm之間的范圍內。在另一示例的實施方案中，電介質層22的厚度范圍可以在大約3μm至10μm之間變化。電介質層22可以在大約-50℃至大約250℃的溫度范圍內操作。電介質層的擊穿電壓可以是在大約300-700kV/mm之間的范圍內。金屬化層26的典型厚度在大約200至大約500的范圍內變化。
圖3是圖示依照本發明的一個方面、在制備以圖2中的作為參考的金屬化薄膜電容器18的方法28中涉及的示例步驟的流程圖。方法28包括在步驟30中在氟化的氣氛中等離子體處理聚醚酰亞胺膜的表面。通常地表面上的等離子體處理指的是等離子體反應，其導致表面分子結構的改變或原子取代。在示例性實施方案中，在這里使用的等離子體表面處理包括以如四氟化碳(CF4)的氟化物種(species)等離子體表面處理，其導致了在表面的氫原子用氟原子取代。這使得能夠建立氟化結構，其導致了比現有的薄膜電容器更好的化學穩定性。也可以相信，處理工藝可以至少部分地改進或平坦化薄膜的表面，導致在形成的電容器的操作過程中更加均勻的電荷分布，由此減少局部擊穿和失效的可能性。在另一示例中，等離子體處理工藝可以包括氬等離子體處理。
在非限定性的示例中，等離子體表面處理可以包括化學氣相沉積工藝。在另一個示例性的實施方案中，等離子體表面處理包括在聚醚酰亞胺膜的表面為期少于大約20秒的等離子體處理。本發明的電介質材料可以以幾種方式涂覆。涂覆工藝的適合示例包括旋涂、浸涂、刷涂、溶劑澆鑄以及化學氣相沉積。
然后在步驟32金屬化等離子體處理的表面。在步驟32中的金屬化可以包括聚醚酰亞胺膜的氣相沉積、濺射或電化學沉積工藝。在示例中，氣相沉積工藝、濺射或電化學沉積可以包括用鋁或銅沉積聚醚酰亞胺膜的表面。在另一個示例中，氣相沉積、濺射或電化學沉積工藝可以包括用鋅和鋁或銅沉積聚醚酰亞胺膜的表面。方法28還包括在聚醚酰亞胺膜上設置電極。最后，在步驟36封裝金屬化薄膜電容器。封裝電容器的步驟36將典型地包括纏繞和層疊電容器，并且提供用于將電荷施加到纏繞層的導體或端子。
前述的實施方案提供了優于現有薄膜電容器的明顯的優點以及制造這樣電容器的方法。例如，發現由前述技術制造的電容器與現有的薄膜電容器相比提供增加的介電常數、增加的電介質擊穿電壓、減少的表面缺陷、增強的熱穩定性、增強的耐電暈擊穿以及延長的壽命。已經發現包含例如氧化鋁(Al2O3)或氧化硅的某些納米顆粒或納米填充物的聚合物表現出更高的擊穿強度和介電常數，并且特別適合本發明的薄膜和電容器。顆粒填充的聚合物還可以提供增加的熱傳導率并可以適合用于本發明。聚醚酰亞胺膜的更高的玻璃轉變溫度例如上面提到的商業上用的Ultem膜也允許電容器的更高的操作溫度。
如上面表述的，表面缺陷可以引起在電介質中的擊穿電壓的分散性，導致在電容器的不同位置的擊穿電壓不同，導致電容器的整體擊穿電壓的下降。如在上文中表述的電介質膜的表面的等離子體處理使表面結構更加均勻從而減少表面缺陷。這導致更窄的擊穿電壓范圍以及因此，增加和延長了電容器的壽命。進一步，耐電暈性(corona resistance)，其作為電容器中的電介質承受指定水平電離而不導致電介質完全擊穿的時間的度量，通過這樣的表面處理增加了。這直接導致了電容器的延長壽命。
實施例接下來的實施例是僅僅是說明性的，而不應構成對要求保護的發明范圍的任何限制。
圖4圖形比較38了市售聚醚酰亞胺膜、旋涂聚醚酰亞胺膜、和添有納米填料如氧化鋁(Al2O3)的聚醚酰亞胺膜的擊穿強度和等離子體暴露時間的變化關系38，上述膜全部都可以用于如圖2中的高溫金屬化薄膜電容器。Y軸40代表擊穿強度，伏特每米。X軸42代表時間，單位是秒。厚度為15μm的商業上的聚醚酰亞胺膜樣本在CF4存在下等離子體處理，測量了如曲線44所示的擊穿電壓和CF4暴露時間的變化關系。類似地，曲線46和48分別表示在等離子體處理的旋涂聚醚酰亞胺膜樣本上和等離子體處理的充滿納米填充物例如氧化鋁的聚醚酰亞胺膜上做的測量。
如從曲線44、46和48所看到的，等離子體處理的旋涂聚醚酰亞胺膜樣本提供比等離子體處理的納米填充的聚醚酰亞胺膜和等離子體處理的商業上的聚醚酰亞胺樣本高的擊穿電壓。對研究的全部三個樣本而言，以20秒的最佳處理持續時間，對照沒有處理的樣本，等離子體處理提供改進的電介質擊穿強度。然而，在旋涂聚醚酰亞胺膜上，等離子體處理工藝顯得最有效。
圖5對填充有如圖2中所示的等離子體處理的聚醚酰亞胺膜的金屬化薄膜電容器在30℃～200℃的溫度操作時，介電常數和施加頻率的變化關系進行了圖形比較50。Y軸52代表介電常數，其是無量綱的量。X軸54代表以赫茲測量的施加的頻率。曲線56、58、60、62、64以及66分別代表在30℃、50℃、100℃、150℃、180℃以及210℃時填充等離子體處理的聚醚酰亞胺膜作為電介質的電容器的介電常數隨施加頻率的變化。在上面提到的溫度范圍內在整個頻率范圍內介電常數在3.2和3.3之間變化。這顯示了在變化的溫度下在寬的施加頻率范圍內充滿等離子體處理的聚醚酰亞胺膜作為電介質的電容器的穩定性。
圖6是可用于如圖2中高溫金屬化薄膜電容器的等離子體處理的聚醚酰亞胺膜，與沒有等離子體處理的雙軸取向的商業上的聚丙烯膜的熱穩定性的圖解比較68。Y軸70代表以伏特每微米(V/μm)度量的擊穿強度。X軸72代表以℃度量的溫度。曲線74代表在從大約30℃至大約250℃變化的溫度下為等離子體處理的聚醚酰亞胺膜做的測量。曲線76代表在大約30℃沒有等離子體處理的商業上的聚丙烯膜的單個測量。由于商業上的聚丙烯膜在超過大約90℃是不可操作的，沒有做進一步的測量。如在曲線74中看到的，等離子體處理的聚醚酰亞胺膜的擊穿強度在整個溫度范圍內看上去是穩定的，從而闡明等離子體處理的聚醚酰亞胺膜的理想的熱穩定性。
雖然在這里僅僅闡明和描述了本發明的某些特征，對本領域技術人員而言許多修改和變化是可以預見的。因此，可以理解附加的權利要求是想要覆蓋全部這樣的落入本發明實質精神之內的修改和變化。
元件列表10金屬化電容器12塑料箔14電介質16引線18改進的金屬化電容器20電極22電介質層24等離子體處理/氟化的表面26相對于氟化表面設置的電極28制造電容器的方法30等離子體處理PEI膜32金屬化等離子體處理的表面34在相對表面上設置電極36封裝電容器38擊穿強度和時間的關系圖40擊穿電壓42時間44旋涂(改進的)聚醚酰亞胺膜的變化46填充了納米填充物氧化鋁的聚醚酰亞胺膜的變化48商業上的聚醚酰亞胺膜的變化50在不同溫度下改進的聚醚酰亞胺膜的介電常數和信號頻率的變化關系圖52介電常數54頻率56在30℃的變化58在50℃的變化60在100℃的變化62在150℃的變化
64在180℃的變化66在200℃的變化68改進的聚醚酰亞胺膜和雙極取向的聚丙烯的熱穩定性的圖70擊穿電壓72溫度74改進的聚醚酰亞胺膜的變化76雙軸聚丙烯的變化
權利要求
1.一種制造電容器(10)的方法，包括等離子體處理聚醚酰亞胺膜(22)的表面(24)；金屬化該表面(24)；在該聚醚酰亞胺膜上設置電極(20)；以及封裝該電容器(10)。
2.權利要求1的方法，所述等離子體處理包括化學氣相沉積工藝。
3.權利要求1的方法，所述等離子體處理包括在氟化的氣氛中等離子體處理或氬等離子體處理。
4.權利要求1的方法，所述金屬化包括聚醚酰亞胺膜(22)的氣相沉積、濺射或電化學沉積工藝。
5.權利要求4的方法，所述氣相沉積、濺射或電化學沉積工藝包括用鋁或銅沉積聚醚酰亞胺膜(22)的表面(24)。
6.一種制造電容器(10)的方法，包括在氟化的氣氛中等離子體處理聚醚酰亞胺膜(22)的表面(24)；金屬化該表面(24)；在該聚醚酰亞胺膜(22)上設置電極(20)；以及封裝該電容器(10)。
7.權利要求6的方法，該氟化的氣氛包括四氟化碳。
8.電容器(10)，包括由聚醚酰亞胺膜(22)制成的電介質層，該聚醚酰亞胺膜包括至少一個氟化表面；設置在該聚醚酰亞胺膜(22)的該氟化表面上的金屬化層(32)；以及設置在該聚醚酰亞胺膜(22)的側上的電極(20)。
9.權利要求8的電容器(10)，其中該電介質層(22)具有在大約-50℃至大約250℃之間的范圍內的操作溫度。
10.權利要求8的電容器(10)，其中該電介質層(22)具有在大約300-700kV/mm之間的范圍內的擊穿電壓。
全文摘要
公開了由具有至少一個氟化表面(24)的聚醚酰亞胺膜(22)制成的電介質層的電容器(10)。電容器(10)還包括設置在聚醚酰亞胺膜(22)的氟化表面(24)上的金屬化層。電容器進一步包括設置在聚醚酰亞胺膜(22)的相對于氟化表面(24)的側上的電極(20)。還公開了制造電容器(10)的方法(28)。方法(28)包括等離子體處理聚醚酰亞胺膜(22)的表面。方法(28)還包括金屬化該表面(24)。方法(28)進一步包括在相對表面上設置電極(20)以及最后封裝該電容器(10)。
文檔編號H01G13/00GK101067986SQ200710128289
公開日2007年11月7日 申請日期2007年4月30日 優先權日2006年5月5日
發明者P·C·歐文, Y·曹, Q·譚, A·尤恩西 申請人:通用電氣公司