一种金属化改性聚酰胺薄膜电容器及其制备方法与流程

本发明属于薄膜电容器技术领域，具体涉及一种金属化改性聚酰胺薄膜电容器及其制备方法。

背景技术：

聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，具有优异的耐高温、耐低温、高强高模、高抗蠕变、高尺寸稳定、低热膨胀系数、高电绝缘、低介电常数与损耗、耐辐射、耐腐蚀等优点，其中耐高温可达400℃以上，长期使用温度范围为-200～300℃，高绝缘性能，10³hz下介电常数4.0，介电损耗仅为0.004～0.007。被广泛应用于微电子工业和航空航天领域。但聚酰亚胺的不溶、不熔、加工成型难、成本高等不足之处，限制了其使用，本发明通过对聚酰亚胺填充改性的方法既可保持其优点又可利用复合效应改善其缺陷，从而提高其综合性能，尤其显著提高其机械强度、绝缘性能和耐温性能。

聚酰亚胺基板的金属化，目前技术为使用粘合剂，如用环氧树脂类将铜箔粘贴于聚酰亚胺表面制作成基板。但使用了粘合剂的电路基板存在铜箔的蚀刻液容易渗入粘合剂层，在高温高湿直流偏压下时可能发生铜分子迁移，造成电路短路和粘合剂热稳定性差，加工精度低等问题。为解决此问题，行业内研究不使用粘合剂而直接形成金属化膜的方法，如cn1170002c中公开了一种聚酰亚胺基板的铜金属化方法，以乙酰丙酮铜有机金属化合物为前驱体，采用化学气相沉积法进行铜金属化，这种方法工艺成熟，产品质量比较稳定。但是不能满足薄膜化的要求，无法制作成薄膜电容器。

行业内也在研究聚酰亚胺薄膜的金属化的其他方法。如cn100566992中公开了一种金属化聚酰亚胺膜及其制造方法，在距离所述聚酰亚胺膜表面20nm以内的表层区域中注入了从mo、cr、ni及si中选出的1种、2种或2种以上元素，在元素的标靶中产生溅射粒子，使溅射粒子注入至聚酰亚胺膜的表面而形成的中间层，进一步在所述中间层上形成由铜或铜合金构成的导电层。但是目前聚酰亚胺材料因无法进行15um以下厚度的工艺拉伸和较高介电常数，无法制作高功率密度的薄膜电容器，因此急需一种具有低介电常数和高弹性模量的改性聚酰亚胺材料金属化后形成的种金属化改性聚酰胺薄膜电容器。

技术实现要素：

本发明针对上述缺陷，提供一种金属化改性聚酰胺薄膜电容器及其制备方法，所述方法以经过纳米材料添加改性的聚酰亚胺薄膜为介质，采用真空蒸镀工艺湿式镀敷铜镍合金层为极板，经过卷绕、热定型、喷金等工序制备成电容器芯子，再经过对芯子赋能、焊接电极、真空灌封固化等工序制备成电容器。

本发明提供如下技术方案：一种金属化改性聚酰亚胺薄膜电容器，所述电容器采用金属化改性聚酰亚胺薄膜作为介质和极板，所述聚酰亚胺薄膜的改性方法，包括以下步骤：

1)通过引入氟原子或硅氧烷提高材料含氟量，通过减少离子键的数目而降低聚酰亚胺材料的极化率，同时改善其力学性能和热性能；

2)加入无机纳米材料，提高聚酰亚胺复合材料在高温下的弯曲强度和弯曲模量，通过熔融缩聚法与聚酰亚胺二酐和二胺单体合成改性材料；

3)对聚酰亚胺薄膜先进行表面粗化、活化、还原等处理，再用真空蒸镀法、阴极真空喷镀法或离子镀法等成膜技术形成聚酰亚胺表面镀铜镍合金，步骤为通过等离子电蚀工艺使聚酰亚胺薄膜表面形成微孔，具有亲水性，增强镀层附着力，再通过喷涂装置对聚酰亚胺薄膜喷涂表面处理液，进行表面活化、还原处理，最后通过蒸镀设备，在真空状态下，卷绕系统进行不间断地同步放卷和收卷，同步气化系统将铜镍合金气化蒸发，通过使用印刷辊，形成具有图案，同步通过系统冷鼓，最后形成铜镍合金镀敷的金属化聚酰亚胺薄膜；

所述表面处理液按质量百分比计，包括1％-15％的脂肪胺溶液，5％-20％的醇胺溶液，5％-35％的碱金属氢氧化物溶液，0.1％-15％的界面活性剂，余量为水；

所述电容器包括多个芯子单元串联或并联形成的芯子组、容纳所述芯子组的外壳、包裹在外壳外的环氧树脂层，所述芯子单元包括金属化改性聚酰亚胺薄膜包裹的第一芯子、金属化改性聚酰亚胺薄膜包裹的第二芯子、从所述芯子单元一侧引出的第一电极和第二电极。

进一步地，所述步骤1)中氟原子的添加剂为三氟甲基卤代硝基苯三氟甲基、笼型倍半硅氧烷。

进一步地，所述无机纳米材料为玻璃纤维(gf)、碳纤维、石墨、二硫化钼(mos2)、二氧化硅(sio2)、陶瓷颗粒中的一种或多种。

进一步地，所述金属化改性聚酰亚胺薄膜的方法，先根据电容器使用的额定电压，额定纹波电流设计金属化改性聚酰亚胺薄膜的加厚区、活动区和白边区三部分，并设计铜镍合金镀层方阻大小。

本发明还提供上述一种金属化改性聚酰亚胺薄膜电容器的制备方法，包括以下步骤：

s1：采用金属化改性聚酰亚胺薄膜卷绕电容器芯子；

s2：按照32±2kg/cm²压强值进行冷压；

s3：用夹具固定所述s2步骤冷压后的芯子，采用鼓风烘箱于50℃升温至65℃保持2h，然后升温至85℃保温4h，然后继续升温至110℃保持4h，然后升温至115℃保持1h，然后降温至50℃出炉，完成热定型；

s4：将热定型后的芯子采用八枪喷金枪喷金，喷金厚度为0.6mm～0.7mm，将喷金完成后的芯子外层胶带撕去；

s5：采用1.6倍额定电压8s的参数对所述s4步骤处理得到的芯子进行赋能，并对芯子容量值和损耗角正切值进行测试判定是否符合设计要求；

s6再进行焊接、灌封、固化、老化、测试等一般薄膜电容器的工艺步骤，得到金属化改性聚酰亚胺薄膜电容器。

进一步地，所述金属化聚酰亚胺薄膜电容器卷绕的步骤为卷绕芯子，包括以下步骤：

s11：将两层所述金属化改性聚酰亚胺薄膜进行卷边错位地交叠，所述卷边错位为将两层所述留边区朝向所述芯棒的上部和下部不同方向；

s12：将两层所述金属化改性聚酰亚胺薄膜围绕所述芯棒包裹卷绕；

s13：经过所述步骤s12的卷绕，得到卷绕外径为50-150mm的圆柱体或椭圆柱体的芯子；芯子的卷绕外径由芯子的空间布局、卷绕机的工程能力和芯子的额定容量确定，直径越小，卷绕难度越低，性能越好，但直径太小，效率较低，而直径太大，卷绕难度越高，张力越大，尤其是靠近圆柱轴心位置最大。

进一步地，芯子形体为圆柱体或椭圆柱体，其中椭圆柱体为圆柱体的压扁形态，，因为椭圆柱体经过热压或冷压工艺，内部张力分布不均，尤其椭圆弧处薄膜的张力会增加，在高压使用过程中易发生过度自愈，缩短电容器使用寿命。

进一步地，卷绕错边量根据电容器芯子的额定电压和薄膜的留边宽度确定，卷边错位的留边区的取值范围是1.5-2.5mm。

进一步地，金属化聚丙烯薄膜的留边区为无蒸镀层区，宽度为1.5-4mm，起到隔离不同极性的蒸镀层和喷金层的作用，留边宽度根据电容器单只芯子的额定电压确定，留边宽度越大，隔离电压越高。

本发明的有益效果为：

1、本申请提供的电容器及其制备方法，采用金属化聚酰亚胺薄膜作为电容器的介质和极板，通过对聚酰亚胺的改性和金属化成膜后可以提高聚酰亚胺材料进而提高电容器的介电常数和弹性模量。

2、本申请提供的电容器及其制备方法，在对聚酰亚胺薄膜进行改性时，通过引入氟原子对聚酰亚胺薄膜进行改性可以提高聚酰亚胺薄膜的力学性能和热性能。

3、本申请提供的电容器及其制备方法，在对聚酰亚胺薄膜进行改性时，通过引入无机纳米材料，通过熔融缩聚法与聚酰亚胺二酐和二胺单体合成改性材料，提高材料的弹性模量，降低cte值和热收缩率，制造出超薄聚酰亚胺薄膜。

4、本发明专利公布的以改性聚酰亚胺做介质的金属化薄膜电容器，与传统聚丙烯、聚酯、聚苯硫醚做介质的薄膜电容器相比较，具有以下三方面优势：

(1)耐温范围更广，可以用于航天，军事等领域；

(2)耐电压等级更高，可以做高压脉冲电容使用；

(3)耐纹波电流能力更大，可以做为储能滤波电容使用。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明提供的金属化改性聚酰亚胺薄膜电容器内部多个芯子单元组成的芯子组结构示意图；

图2为本发明提供的金属化改性聚酰亚胺薄膜电容器芯子单元的结构示意图；

图3为本发明提供的电容器所使用的金属化改性聚酰亚胺薄膜的结构图；

图4为本发明提供的金属化改性聚酰亚胺薄膜电容器外部结构示意图；

图5为本发明提供的金属化改性聚酰亚胺薄膜电容器制备卷绕芯子的加工示意图。

具体实施例方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种金属化改性聚酰亚胺薄膜电容器，所述电容器采用金属化改性聚酰亚胺薄膜作为介质和极板，所述聚酰亚胺薄膜的改性方法，包括以下步骤：

1)通过引入氟原子或硅氧烷提高材料含氟量并降低聚酰亚胺材料的极化率，同时改善其力学性能和热性能，氟原子的添加剂为三氟甲基卤代硝基苯三氟甲基、笼型倍半硅氧烷(poss)；

2)加入无机纳米材料，提高聚酰亚胺复合材料在高温下的弯曲强度和弯曲模量，通过熔融缩聚法与聚酰亚胺二酐和二胺单体合成改性材料，无机纳米材料为玻璃纤维(gf)、碳纤维、石墨、二硫化钼(mos2)、二氧化硅(sio2)、陶瓷颗粒中的一种或多种；

3)对聚酰亚胺薄膜先进行表面粗化、活化、还原等处理，再用真空蒸镀法、阴极真空喷镀法或离子镀法等成膜技术形成聚酰亚胺表面镀铜镍合金，步骤为通过等离子电蚀工艺使聚酰亚胺薄膜表面形成微孔，具有亲水性，增强镀层附着力，再通过喷涂装置对聚酰亚胺薄膜喷涂表面处理液，进行表面活化、还原处理，最后通过蒸镀设备，在真空状态下，卷绕系统进行不间断地同步放卷和收卷，同步气化系统将铜镍合金气化蒸发，通过使用印刷辊，形成具有图案，同步通过系统冷鼓，最后形成铜镍合金镀敷的金属化聚酰亚胺薄膜；

所述表面处理液按质量百分比计，包括1％-15％的脂肪胺溶液，5％-20％的醇胺溶液，5％-35％的碱金属氢氧化物溶液，0.1％-15％的界面活性剂，余量为水；

具体的脂肪胺、醇胺、碱金属氢氧化物、界面活性剂具体成分见中国专利cn201210257551.7。

如图1所示，电容器包括多个芯子单元串联或并联形成的芯子组、容纳所述芯子组的外壳、包裹在外壳外的环氧树脂层，如图2所示，芯子单元包括金属化改性聚酰亚胺薄膜包裹的第一芯子1、金属化改性聚酰亚胺薄膜包裹的第二芯子2、从所述芯子单元一侧引出的第一电极3和第二电极4。

如图3所示，金属化改性聚酰亚胺薄膜的方法，先根据电容器使用的额定电压，额定纹波电流设计金属化改性聚酰亚胺薄膜的加厚区、活动区和白边区三部分，并设计铜镍合金镀层方阻大小。

本发明还提供上述一种金属化改性聚酰亚胺薄膜电容器的制备方法，包括以下步骤：

s1：采用金属化改性聚酰亚胺薄膜卷绕电容器芯子；

s2：按照32±2kg/cm²压强值进行冷压；

s3：用夹具固定所述s2步骤冷压后的芯子，采用鼓风烘箱于50℃升温至65℃保持2h，然后升温至85℃保温4h，然后继续升温至110℃保持4h，然后升温至115℃保持1h，然后降温至50℃出炉，完成热定型；

s4：将热定型后的芯子采用八枪喷金枪喷金，喷金厚度为0.6mm～0.7mm，将喷金完成后的芯子外层胶带撕去；

s5：采用1.6倍额定电压8s的参数对所述s4步骤处理得到的芯子进行赋能，并对芯子容量值和损耗角正切值进行测试判定是否符合设计要求；

s6再进行焊接、灌封、固化、老化、测试等一般薄膜电容器的工艺步骤，得到金属化改性聚酰亚胺薄膜电容器。

进一步地，所述金属化聚酰亚胺薄膜电容器卷绕的步骤为卷绕芯子，包括以下步骤：

s11：将两层所述金属化改性聚酰亚胺薄膜进行卷边错位地交叠，所述卷边错位为将两层所述留边区朝向所述芯棒的上部和下部不同方向；

s12：将两层所述金属化改性聚酰亚胺薄膜围绕所述芯棒包裹卷绕；

s13：经过所述步骤s12的卷绕，得到卷绕外径为50-150mm的圆柱体或椭圆柱体的芯子；芯子的卷绕外径由芯子的空间布局、卷绕机的工程能力和芯子的额定容量确定，直径越小，卷绕难度越低，性能越好，但直径太小，效率较低，而直径太大，卷绕难度越高，张力越大，尤其是靠近圆柱轴心位置最大。

芯子形体为圆柱体或椭圆柱体，其中椭圆柱体为圆柱体的压扁形态，优选为圆柱体，因为椭圆柱体经过热压或冷压工艺，内部张力分布不均，尤其椭圆弧处薄膜的张力会增加，在高压使用过程中易发生过度自愈，缩短电容器使用寿命。卷绕错边量根据电容器芯子的额定电压和薄膜的留边宽度确定，卷边错位的留边区的取值范围是1.5-2.5mm。金属化聚丙烯薄膜的留边区为无蒸镀层区，宽度为1.5-4mm，起到隔离不同极性的蒸镀层和喷金层的作用，留边宽度根据电容器单只芯子的额定电压确定，留边宽度越大，隔离电压越高。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。