相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)根據(jù)35u.s.c.§119(e)要求于2016年4月18日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?2/323,893的權(quán)益，所述申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容通過引用并入本文。

政府許可權(quán)聲明

這是由阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(argonnenationallab)和德爾福汽車系統(tǒng)有限公司(delphiautomotivesystem,llc)共同開發(fā)的一項(xiàng)發(fā)明。美國(guó)政府根據(jù)美國(guó)政府與代表阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的uchicagoargonne,llc之間的合同號(hào)de-ac02-06ch11357并且根據(jù)美國(guó)政府/能源部(阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)與德爾福汽車系統(tǒng)有限公司之間的子合同號(hào)4f-31041對(duì)本發(fā)明擁有一些權(quán)利。

本公開總體上涉及一種陶瓷卷繞電容器、并且更具體地涉及一種具有鋯鈦酸鉛鑭(plzt)電介質(zhì)材料的陶瓷卷繞電容器。

背景技術(shù)：

眾所周知，目前在電動(dòng)汽車逆變器中使用的這類高壓、薄膜卷繞電容器需要較大的封裝體積。驅(qū)動(dòng)薄膜卷繞電容器的物理尺寸的主要特征是，在其上施加電容性元件并隨后卷繞的薄膜的厚度。在所述卷繞電容器的制造期間，所述薄膜還起到襯底或承載帶的作用。典型的承載帶是具有大于50微米(50μm)的厚度的聚合物材料、并且比構(gòu)成或形成這些電容性元件的層厚許多倍。當(dāng)卷繞時(shí)，厚的承載帶成為成品電容器的直徑的最大貢獻(xiàn)者。不利的是，由于較薄的材料的成本增大，并且由于在制造過程中更容易發(fā)生薄膜破裂而導(dǎo)致設(shè)備的停用時(shí)間增加，所以使用較薄的承載帶來制造薄膜卷繞電容器更昂貴。當(dāng)今的薄膜電容器的另一個(gè)缺點(diǎn)是，服務(wù)溫度受到薄膜材料的限制，所述溫度可以低至85攝氏度(85℃)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在此描述了一種高壓陶瓷卷繞電容器，所述高壓陶瓷卷繞電容器可以在最終組裝中不包括承載帶的情況下被卷繞、并且使用薄膜電容器制造方法來制造。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供了一種陶瓷卷繞電容器。所述陶瓷卷繞電容器包括限定了暴露表面的第一導(dǎo)電層。所述陶瓷卷繞電容器還包括電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層由鋯鈦酸鉛鑭(plzt)形成，與所述第一導(dǎo)電層以同所述暴露表面相反地直接接觸。所述陶瓷卷繞電容器還包括第二導(dǎo)電層，所述第二導(dǎo)電層與所述電介質(zhì)層以同所述第一導(dǎo)電層相反地直接接觸。所述陶瓷卷繞電容器還包括與所述暴露表面直接接觸的保護(hù)涂層。所述保護(hù)涂層的特征為小于10微米的厚度，其中，所述第一導(dǎo)電層、電介質(zhì)層、第二導(dǎo)電層、以及保護(hù)涂層形成電容性元件，并且所述電容性元件被卷繞以形成陶瓷卷繞電容器。

在另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于制造所述陶瓷卷繞電容器的方法。所述方法包括給送承載帶的步驟。所述方法還包括沉積犧牲層的步驟。所述方法還包括沉積第一導(dǎo)電層的步驟。所述方法還包括沉積電介質(zhì)層的步驟。所述方法還包括沉積第二導(dǎo)電層以便形成由所述第一導(dǎo)電層、所述電介質(zhì)層、以及所述第二導(dǎo)電層形成的安排的步驟，其中，所述安排通過所述犧牲層耦合至所述承載帶上。所述方法還包括將所述安排與所述承載帶和犧牲層分開從而創(chuàng)建所述第一導(dǎo)電層的暴露表面的步驟。所述方法還包括向所述第一導(dǎo)電層的暴露表面施加保護(hù)涂層的步驟。所述方法還包括用所述保護(hù)涂層來卷繞所述安排以形成陶瓷卷繞電容器的步驟，其中，所述保護(hù)涂層與所述陶瓷卷繞電容器的第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層直接接觸。

在閱讀以下僅通過非限制性示例的方式并參照附圖給出的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述之后，可以清楚地了解另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

現(xiàn)在將通過舉例并且參考以下附圖來描述本發(fā)明，在附圖中：

圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的陶瓷卷繞電容器的截面端視圖；

圖1a是圖1中的虛線圓圈1a所指示的部分的放大視圖；

圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于制造圖1的陶瓷卷繞電容器的設(shè)備的展示；并且

圖2a是圖2中的虛線圓圈2a所指示的部分的詳細(xì)視圖；

圖2b是圖2中的虛線圓圈2b所指示的部分的詳細(xì)視圖；

圖2c是圖2中的虛線圓圈2c所指示的部分的詳細(xì)視圖；

圖2d是圖2中的虛線圓圈2d所指示的部分的詳細(xì)視圖；

圖2e是圖2中的虛線圓圈2e所指示的部分的詳細(xì)視圖；并且

圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于制造圖1的陶瓷卷繞電容器的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

圖1展示了陶瓷卷繞電容器10的非限制性實(shí)例。所展示的這些層的相對(duì)厚度不旨在推斷與用于形成陶瓷卷繞電容器10的材料的實(shí)際層的相對(duì)厚度有關(guān)的任何內(nèi)容、而是僅用于使以下給出的描述更容易地可視。所考慮到的但未展示出的陶瓷卷繞電容器10的其他特征、例如將陶瓷卷繞電容器10電連接到其他電路的觸點(diǎn)、導(dǎo)線或端子，是電容器制造領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解的。

所述陶瓷卷繞電容器10包括第一導(dǎo)電層20。通過舉例且非限制的方式，所述第一導(dǎo)電層20可以通過已知的電子束蒸發(fā)工藝來沉積。優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電層20是鋁，其厚度為100納米(nm)至200nm、并且優(yōu)選地為120nm。替代地，所述第一導(dǎo)電層20可以由鉑、銅或鎳形成。所述第一導(dǎo)電層20優(yōu)選地允許氧分子透過其截面。

第一導(dǎo)電層20的第一側(cè)限定了暴露表面25。所述第一導(dǎo)電層20的、與所述暴露表面25相反的相反側(cè)26與電介質(zhì)層30直接接觸。有利的是，所述電介質(zhì)層30是由鋯鈦酸鉛鑭(plzt)形成的。plzt是具有高介電常數(shù)并且能夠在高達(dá)150℃的溫度下工作的陶瓷材料。plzt一般被認(rèn)為具有跨電壓、頻率和溫度的平坦的電容分布。經(jīng)驗(yàn)測(cè)試表明，8μm的plzt層厚度在介電擊穿與可靠性之間提供了良好的平衡。

第二導(dǎo)電層40在與所述第一導(dǎo)電層20相反的這側(cè)上與所述電介質(zhì)層30直接接觸。具有100納米(nm)至200nm、并且優(yōu)選地200nm的厚度的鋁可以形成所述第二導(dǎo)電層40。替代地，所述第二導(dǎo)電層40可以由鉑、銅或鎳形成。

小于10μm的保護(hù)涂層50與所述第一導(dǎo)電層20的暴露表面25直接接觸。所述保護(hù)涂層50可以由聚對(duì)二甲苯形成，例如來自由美國(guó)新澤西州薩默維爾市(somerville,newjersey,usa)的specialtycoatingsystems制造的系列涂層中的一種。所述保護(hù)涂層50的厚度理想地小于十微米(10μm)，以便將所述陶瓷卷繞電容器10的直徑最小化。所述保護(hù)涂層50優(yōu)選地允許氧分子透過其截面。所述保護(hù)涂層50的最小厚度取決于所述陶瓷卷繞電容器10上的設(shè)計(jì)最大施加電壓以及所述保護(hù)涂層材料的介電特性、并且可以由電容器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)行計(jì)算。

所述第一導(dǎo)電層20、電介質(zhì)層30、第二導(dǎo)電層40、以及保護(hù)涂層50形成了電容性元件60，并且將所述電容性元件60被卷繞形成陶瓷卷繞電容器10。在卷繞所述電容性元件60時(shí)，所述保護(hù)涂層50與所述第二導(dǎo)電層40被放置成直接接觸。

通過舉例，700微法(700μf)陶瓷卷繞電容器10的一個(gè)非限制性實(shí)施例將對(duì)保護(hù)涂層50使用2.4μm厚的聚對(duì)二甲苯。與用50μm厚的承載帶80(留在原地的)制成的等效電容器的11.5cm直徑相比，所得的電容器將具有6.0厘米(cm)的直徑。這導(dǎo)致所述電容器的直徑減小了48％，這意味著陶瓷卷繞電容器10的體積減少了73％、并且在所述部件的封裝方面將具有顯著的益處。

另一個(gè)非限制性實(shí)施例將利用plzt層作為保護(hù)涂層50。與之前描述的聚對(duì)二甲苯涂層材料一樣，用于保護(hù)涂層50的plzt的最小厚度取決于陶瓷卷繞電容器10上的設(shè)計(jì)最大施加電壓以及plzt的介電特性。

圖2展示了用于制造所述陶瓷卷繞電容器10的設(shè)備70的非限制性實(shí)例。在步驟75處(圖3)，承載帶給送卷軸72通過沉積工藝給送承載帶80，其中在步驟90處，在所述承載帶80頂部上沉積犧牲層95。在步驟100處，在所述犧牲層95頂部上沉積第一導(dǎo)電層20。在步驟110處，在所述第一導(dǎo)電層20頂部上沉積電介質(zhì)層30。在步驟120處，在所述電介質(zhì)層30頂部上沉積第二導(dǎo)電層40，由此形成了安排140。為清晰起見，所述安排140是由第一導(dǎo)電層20、電介質(zhì)層30、以及第二導(dǎo)電層40形成的并且通過犧牲層95耦合至所述承載帶80上。在步驟130處，將所述安排140與犧牲層95和承載帶80分開，其中所述第一導(dǎo)電層20的第一表面被暴露出從而創(chuàng)建暴露表面25。在步驟150處，在所述暴露表面25上沉積保護(hù)涂層50，并且在步驟170處，將具有所述保護(hù)涂層50的安排140卷繞在電容器卷起卷軸175上。在卷繞時(shí)，保護(hù)涂層50被放置成與第二導(dǎo)電層40直接接觸從而形成所述陶瓷卷繞電容器10。承載帶80在與安排140分開之后現(xiàn)在沒有了犧牲層95、并且在步驟135處被收集在承載帶卷起卷軸180上，在這里所述承載帶可以被再循環(huán)到所述工藝的開始。

圖3展示了用于制造所述陶瓷卷繞電容器10的方法200的非限制性實(shí)例。具體而言，方法200與設(shè)備70結(jié)合使用以便通過沉積工藝來給送承載帶80。

步驟75“給送承載體”可以包括由聚合化合物、例如聚酰亞胺或聚酯形成的、具有50μm厚度的承載帶80。作為一個(gè)實(shí)例，所述承載帶80的厚度可以從所述陶瓷卷繞電容器10、或幾個(gè)卷繞電容器的設(shè)計(jì)寬度變化以允許隨后的分切操作。

步驟90“沉積犧牲層”可以包括光刻膠材料，例如來自美國(guó)新澤西州薩默維爾市的azelectronicmaterialscorporation的可以使用制造商的噴霧、軟性烘烤和紫外(uv)光暴露建議來施加光刻膠。具有5μm至15μm、并且優(yōu)選地10μm的厚度的犧牲層95適合于穩(wěn)定且撓性的襯底以便在其上沉積后續(xù)的層。

步驟100“沉積第一導(dǎo)電層”可以是利用例如電子束蒸發(fā)等蒸發(fā)沉積工藝來沉積鉑、鎳、銅以及鋁之一。優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電層20是鋁，其厚度在100nm至200nm、并且優(yōu)選地為120nm，所述厚度提供了適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性和撓性。所述第一導(dǎo)電層20優(yōu)選地允許氧分子透過其截面。

步驟110“沉積電介質(zhì)層”是在10攝氏度和38攝氏度之間的溫度下通過氣溶膠噴射工藝進(jìn)行的。有利的是，所述電介質(zhì)層30是由plzt形成的。plzt是具有高介電常數(shù)并且能夠在高達(dá)150℃的溫度下工作的陶瓷材料。plzt具有跨電壓、頻率和溫度的平坦的電容分布。經(jīng)驗(yàn)測(cè)試表明，8μm的plzt層厚度在介電擊穿與可靠性之間提供了良好的平衡。這種沉積工藝是希望的，因?yàn)閜lzt材料是典型地需要超過650℃的燒制工藝來將顆粒燒結(jié)成固體整體結(jié)構(gòu)的陶瓷。所述氣溶膠噴射工藝在攜帶空氣的陶瓷plzt顆粒之間產(chǎn)生摩擦，從而產(chǎn)生所需的熱量來在顆粒沉積到第一導(dǎo)電層20上時(shí)將其燒結(jié)在一起。使用常規(guī)的陶瓷加工方法，燒結(jié)plzt顆粒所需的燒制溫度將熔化由聚合物形成的承載帶80。有利的是，就是在低于由聚合物形成的承載帶80的熔點(diǎn)的溫度下沉積plzt的能力實(shí)現(xiàn)了在此所描述的薄膜加工方法200。

步驟120“沉積第二導(dǎo)電層”可以是利用例如電子束蒸發(fā)的蒸發(fā)沉積工藝來沉積鉑、鎳、銅以及鋁之一。具有100納米(nm)至200nm、并且優(yōu)選地為200nm的厚度的鋁可以形成所述第二導(dǎo)電層40、并且提供了適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性和撓性。

步驟130“將安排分開”可以包括使用溶劑來溶解犧牲層95，例如由美國(guó)新澤西州薩默維爾市的azelectronicmaterialscorporation制造的azkwik所述溶劑可以通過噴射施加、或者通過將耦合至承載帶80上的安排140浸入溶劑浴中來施加、并且不會(huì)有害地影響電容性元件60。在與安排140分開之后，承載帶80現(xiàn)在沒有犧牲層95。

步驟135“卷繞承載帶”，在承載帶卷起卷軸180上收集承載帶80，在所述卷軸處所述承載帶可以被再循環(huán)到所述工藝的開始。

步驟150“施加聚合物涂層”可以利用聚對(duì)二甲苯噴射工藝，例如來自由美國(guó)新澤西州薩默維爾市的specialtycoatingsystems制造的系列涂層。所述保護(hù)涂層50的厚度理想地小于十微米(10μm)，以便將所述陶瓷卷繞電容器10的直徑最小化。所述保護(hù)涂層50優(yōu)選地允許氧分子透過其截面。所述保護(hù)涂層50的最小厚度取決于跨所述陶瓷卷繞電容器10的設(shè)計(jì)最大施加電壓以及所述保護(hù)涂層材料的介電特性、并且可以由電容器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)行計(jì)算。

步驟170“卷繞安排”是通過電容器卷起卷軸175進(jìn)行?；谔沾删砝@電容器10的所希望電容，將所述陶瓷卷繞電容器10卷繞成預(yù)定直徑。替代地，可以將安排140卷繞到線軸上以便稍后處理成多個(gè)單獨(dú)的電容器。在卷繞所述電容性元件60時(shí)，所述保護(hù)涂層50與所述第二導(dǎo)電層40被放置成直接接觸。

相應(yīng)地，提供了陶瓷卷繞電容器10、用于卷繞陶瓷卷繞電容器10的設(shè)備70、以及用于卷繞陶瓷卷繞電容器10的方法200。通過從最終電容器組件中消除所述承載帶80，可以使用聚合物薄膜制造工藝制造更小直徑的陶瓷電容器。

雖然是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不局限于此，而是僅在以下權(quán)利要求書所闡述的范圍內(nèi)。