二次注塑薄膜电容器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年4月7日提交的未决美国临时专利申请第63/171,730号的优先权，该未决美国临时专利申请通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种改进的薄膜电容器，更具体地说，涉及一种具有改进的二次注塑件的薄膜电容器，其中，改进的二次注塑件在体积效率、制造效率和产品性能方面提供了优势。

背景技术

在电子领域，需要在更小的空间内提供更多的功能。这种努力，通常被称为小型化，已经影响了电子电路和电子设备设计的各个方面。为了本发明的目的，重点是电子部件级别的小型化，特别是基于薄膜的电子电容器的小型化。通常在基板上组合电子部件以形成电子电路，该电子电路是电子设备的关键元件。电子设备通常是最终消费者最感兴趣的设备。

电子领域的一项并行努力已推动电子电路和电子部件具有更高的性能和更长的预期寿命。更长的预期寿命的一个重要因素是封装，其中，封装保护整个电子设备的某些部分、作为单元的电子电路或电子部件。本发明特别关注于增加电子部件的预期寿命，更具体地，特别关注于增加基于薄膜的电子电容器的预期寿命。

本领域技术人员众所周知，小型化和封装是矛盾的。就电气功能而言，封装通常不提供优点，还必然会增加电子部件或电子电路的体积。在某些情况下，封装也可能对电气性能有害。本发明提供一种提供空间优势并且不妨碍电气性能的二次注塑件。

过去已经进行过涂层，然而，对于基于薄膜的电容器，由于薄膜电容器的热特性，形成涂层的能力受到限制。认为有必要使用树脂，通常以某种形式的盒子包封，其中，盒子填充有树脂。盒子占用了宝贵的空间。因此，薄膜电容器在许多应用中是不可接受的。

已经有用于在电子部件上提供涂层的方法，但没有一种被证明是令人满意的薄膜电容器。在某些情况下，通过浸渍电子部件来形成涂层是合适的，然而，控制涂层形状的能力有限，所提供的保护由材料的涂层特性决定，并且很难将多个部件组合在一个共同的涂层中。

通常使用填充有环氧树脂的盒子，然而，上述小型化受到了影响。类似地，在某些情况下使用不含树脂的盒子，但所提供的环境保护不够。

本发明提供一种二次注塑件以及形成适用于与薄膜电容器一起使用的二次注塑件的方法，其中，二次注塑件包括不使用外部盒子的直接模具。

发明内容

本发明提供一种改进的特别是用于薄膜电容器的二次注塑件。

一个特别的优点是相对于装在盒子里的镀膜电容器或薄膜电容器，减少所需的体积量。

另一个特别的优点是二次注塑薄膜电容器不会阻碍或降低电气性能，而是增加薄膜电容器的使用寿命跨度。

如将要实现的，在一种用于形成二次注塑薄膜电容器的方法中提供这些和其他优点，该方法包括：

形成工作元件，工作元件包括第一膜层和第二膜层，在第一膜层上具有第一导电层并且在第二膜层上具有第二导电层，其中，第一导电层和第二导电层形成电容耦合；

形成与第一导电层电接触的第一引线以及与第二导电层电接触的第二引线；以及

在工作元件上形成二次注塑件，其中，二次注塑件包括Tg不超过20℃的热塑性树脂，其中，第一引线和第二引线从二次注塑件延伸。

另一个实施例提供一种用于形成二次注塑薄膜电容器的方法，包括：

形成工作元件，工作元件包括第一膜层和第二膜层，在第一膜层上具有第一导电层并且在第二膜层上具有第二导电层，其中，第一导电层和第二导电层形成电容耦合；

形成与第一导电层电接触的第一引线以及与第二导电层电接触的第二引线；以及

在工作元件上形成二次注塑件，其中，二次注塑件包括杨氏模量为0.1-5GPa的热塑性树脂，其中，第一引线和第二引线从二次注塑件延伸。

另一个实施例提供一种用于形成二次注塑薄膜电容器的方法，包括：

形成工作元件，工作元件包括第一膜层和第二膜层，在第一膜层上具有第一导电层并且在第二膜层上具有第二导电层，其中，第一导电层和第二导电层形成电容耦合；

形成与第一导电层电接触的第一引线以及与第二导电层电接触的第二引线；

在300-2200巴的压力和至少245℃的温度下在工作元件上形成二次注塑件，其中，二次注塑件包括热塑性树脂；以及

其中，第一引线和第二引线从二次注塑件延伸。

另一个实施例提供一种二次注塑薄膜电容器。薄膜电容器包括至少一个工作元件，至少一个工作元件包括介电膜，在介电膜上形成有导体。二次注塑件包封工作元件，其中，二次注塑件包括直接在工作元件上的热塑性树脂，二次注塑件不包括树脂填充盒。

附图说明

图1是薄膜电容器的工作元件的截面示意图。

图2是薄膜电容器的工作元件的截面示意图。

图3是二次注塑薄膜电容器的截面示意图。

图4是通常二次注塑的多个薄膜电容器的截面示意图。

图5是说明本发明提供的体积优点的透视图。

图6是说明本发明提供的体积优点的端视图。

图7-图22图解说明本发明提供的优点。

具体实施方式

本发明涉及一种二次注塑薄膜电容器，其中，二次注塑件包括塑料，优选为热塑性树脂，并且最终二次注塑薄膜电容器不具有盒子(例如树脂填充盒)，这是二次注塑薄膜电容器通常需要的。更具体地说，本发明涉及一种直接在薄膜电容器的工作元件上形成的二次注塑件，而不需要像薄膜电容器领域中通常需要的那样容纳注塑材料的盒子。

通过使用高压注射(High-Pressure Injection,HPI)注塑将热塑性塑料作为至少是直接在薄膜电容器上的内部二次注塑件，提供了特别的优点。特别优选的是熔融温度T

为了在高温和高湿度环境中获得机械和电气性能，二次注塑层必须是均匀的，这通过本发明使用所述热塑性树脂和高压注射注塑实现。

在各种应用的领域中，高压注塑是众所周知的。高压注塑通常在高于所用热塑性树脂的T

将参考附图描述本发明，这些附图是为清楚本发明而提供的说明书的组成部分，但不是限制性的。在各个图中，类似的元件将相应地编号。

将参考图1描述本发明的实施例，其中，工作元件以分层示意图的形式显示，其中显示两层，但不限于此。在图1中，通常用10表示的工作元件包括第一膜层16，第一导电层18涂覆在第一膜层16的一侧。在一侧涂覆有第二导电层18’的第二膜层16’与第一膜层呈层状排列。正如将要实现的，相反极性的相邻金属层被膜层分隔开。为了讨论的目的，第一导电层被指定为阳极，第二导电层被指定为阴极，而不限于此。每个第一导电层通过膜层与相邻的第二导电层在物理上和电气上分离，其中，膜层用作第一导电层和第二导电层之间的介电膜。为了制造方便，第一膜层和导电涂层以及第二膜层和导电涂料优选为相同的，或者它们可以不同以允许制造或设计的灵活性。导电焊盘19可选地且优选地形成在导电层上，从而允许引线21的电连接，其中，第一导电层和具有相同极性的那些层电连接到第一引线和第二导电层，具有相同极性的那些层连接到第二引线，如本领域所知的。相邻导电层被偏移以允许对引线的导电性，并确保相邻导电层不会像本领域技术人员容易理解的那样通常被端接。

将参考图2描述本发明的实施例，其中，工作元件以示意性分层视图显示。在图2中，通常用10表示的工作元件包括第一膜层116，第一膜层116具有涂覆在第一侧上的第一导电层118和涂覆在第二侧上的第二导电层118’，优选的第一导电层118和第二导电层118’具有偏移，以允许将相邻导体端接至相反极性的引线，如本领域技术人员所理解的。第一膜层与第二膜层116’呈层状排列。优选为没有任何导电涂层的膜的分离器12插入在第一膜层和第二膜层之间。更具体地说，分离器将位于在膜层的每一侧上具有导电层的每个膜层之间。电容耦合由相邻的金属层形成，每个相邻层之间具有膜层。为了讨论的目的，金属层118和118”被指定为阳极层，其中层118’和118’”被指定为阴极层，但不限于此。

将参照图3描述本发明的实施例。在图3中，二次注塑薄膜电容器以截面示意图示出。包括引线21的工作元件10被包封在二次注塑件26中。二次注塑件是最外层，并且可以包括直接在工作元件上并且包封工作元件的内部二次注塑件22以及包封内部二次注塑件的外部二次注塑件24。至少内部二次注塑件是通过高压注射形成的，并且优选地内部二次注塑件和外部二次注塑件两者都是通过高压注射形成的。二次注塑件26包封整个工作元件10，其中引线21延伸穿过二次注塑件。二次注塑件在工作元件上原位形成，并且不包括预先形成的盒子。原位形成在本文中被定义为由流动材料形成，其中，流动材料在原位形成期间吞没工作元件。为了本发明的目的，二次注塑膜部件是其上形成有二次注塑件的膜部件。相变材料(phase change material,PCM)25可选地且优选地在二次注塑件26中，优选地在外部二次注塑件24中。

外部二次注塑件可由任何与内部二次注塑件的热塑性树脂兼容的热塑性树脂形成。用于外部二次注塑件的优选热塑性树脂包括选自聚丙烯、聚丁烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯(polybutylene terephthalate,PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate,PET)、多环烯烃、聚苯硫醚、丙烯酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene,ABS)、

图4在截面视图中示意性地示出在共同的二次注塑件26中的多个工作元件10。绝缘体27优选地位于相邻工作元件之间，其中，绝缘体可以在二次注塑之前形成，或者绝缘体可以在二次注塑期间形成，其中，绝缘体包括用于二次注塑的热塑性树脂。

膜层的截面尺寸没有特别限制，并且被选择为满足设计限制，包括作为可用空间的函数的电容量。

特别优选的膜层是双轴拉伸的，以形成双轴取向的薄膜，这是一种众所周知的技术，其中，薄膜卷在垂直于薄膜的宽度的机器方向(machine direction,MD)和平行于薄膜的宽度的横向方向(transverse direction,TD)上拉伸。机器方向和横向方向可以同时进行，也可以顺序进行。在某些情况下，在薄膜处于部分熔融状态时进行双轴拉伸。双轴拉伸可以通过本领域已知的任何技术(例如轧制、单轴压缩、拉幅机框架拉伸等)来实现。双轴拉伸改变了聚合物的结晶度，从而改变了相对于铸态材料的性能。双轴拉伸聚丙烯以各种合适的厚度在商业上广泛可用，因此本文不保证对该方法的进一步解释。由于商业可用性，厚度小于20μm的双轴拉伸聚丙烯是优选的。

适用于本发明的金属化膜在本文中没有特别限制。在特别优选的实施例中，金属化膜作为蒸发金属涂层形成在介电膜的表面上，这是本领域技术人员所熟知的。金属化膜最好在未与本领域已知的导体电连接的一侧包括绝缘边缘。金属不受铝和锌的特别限制，铝和锌特别适合于本发明的演示。

介电膜在本文中没有特别限制，然而，优选为塑料介电膜。用于证明本发明的特别合适的薄膜包括聚丙烯(polypropylene,PP)、聚乙烯(polyethylene,PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide,PPS)、四氟乙烯(tetrafluoroethylene,TFE)、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、环烯烃共聚物(cyclicolefin copolymer,COC)、环烯烃聚合物(cyclo olefin polymer,COP)及其组合。氟化膜、特别是氟化烯烃是特别适合的，其中聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)和四氟乙烯作为示例。介电膜可以包括诸如选自钛酸钡、钛酸镁、钛酸钙、钛酸锶和钛酸铍的氧化物之类的复合氧化物颗粒作为填料。适用于证明本发明的其他氧化物包括由元素周期表中第二周期至第五周期的第2族金属元素制成的材料，具体为钛酸钡、钛酸镁、钛酸钙等。

导体在本文中没有特别限制。通过金属沉积或由金属箔形成的导体特别适合于本发明的演示。

引出端子在本文中不受特别限制，其中本领域中常用的任何常规引出端子都适用于本发明的演示。

导电层材料是任何可以涂覆在膜层上以提供导电涂层并用作电容器导体的材料。金属、碳及其组合是特别优选的。特别优选的导电涂层包括铝、铜、锌、金、银及其组合。导电层通过本领域已知的任何技术(例如气相沉积、热蒸发、物理气相沉积(Physical VaporDeposition,PVD)、涂覆、喷涂等)施加。导电涂层通常被施加到至少10nm至不超过500nm的厚度。

将参考图5和图6描述优点，其中，相同的薄膜电容器通过传统方法进行二次注塑或封装。图5是透视图，图6是端视图。电容器C是在盒子52内使用传统树脂50的传统封装薄膜电容器。封装电容器的最小尺寸受到盒子尺寸的限制，盒子必须大于其中包含的电容器。电容器A是本发明的电容器，包括高压注射二次注塑薄膜电容器，其中，二次注塑件22是聚丙烯。本发明的薄膜电容器的厚度T

本发明提供小型化和电气性能之外的好处。消除其中插入电容器和树脂的盒子消除了盒子的成本，并减少了保护薄膜电容器免受环境条件影响所需的材料总量。

本发明还允许二次注塑的形状具有显著的灵活性。形成二次注塑件的能力提供了许多优势。在一个实施例中，二次注塑件的形状可以符合被二次注塑的薄膜电容器的形状。通过符合薄膜电容器的形状，可以将二次注塑件中的材料量优化到提供环境保护所需的厚度，而在二次注塑件的部分中没有过大的厚度，从而降低材料成本。在另一个实施例中，二次注塑件的形状可以被定制以提供拾取和放置部件、稳定性部件等。

本发明的特征是能够在一个共同的模具中二次注塑多个部件，从而允许进一步的小型化和灵活性。

本发明提供一种具有显著美学吸引力的二次注塑件。除了上述利用所需形状的能力之外，本领域中常见的盒填充树脂的那些元素(例如树脂或盒子中的裂纹、膨胀的盖子、树脂中的气泡或空隙、污渍等)也被消除了。

本发明的特征是在一个共同的模具中二次注塑多个部件的能力，从而允许进一步的小型化和灵活性。特别的特征是将相变材料结合在二次注塑件(特别是在外部二次注塑件)中的能力。

相变材料的非限制性示例可以包括合金、有机相变材料、水基相变材料、蜡、水合盐基材料、固体-固体相变材料、糖醇基材料和固体-粘性-液体相变材料。

特别优选的相变材料的相变焓在0.1kJ/kg至4186kJ/kg(更优选为50kJ/kg至600kJ/kg)的范围内。

特别优选的相变材料的相变温度为45℃至300℃，更优选为80℃至200℃。

用作相变材料的特别优选的合金包括焊料，该焊料包括：基于InSn的合金，例如Indalloy 1E，其熔融温度约为117℃；基于InAg的合金，例如Indalloy164，其熔融温度约为154℃；基于InPb的合金，例如Indalloy 204，其熔融温度约为175℃；以及基于BiSn的合金，例如Indalloy 281，其熔融温度约为138℃。

特别优选的有机相变材料包括：来自

水和水基PCM的相变温度约为100℃。

特别优选的蜡包括蜂蜡、巴西棕榈蜡和其他石蜡，其可商购，熔点为约50℃至约80℃。

特别优选的水合盐基材料包括PlusICE H120，其具有约120℃的熔融温度；氯化镁，其具有约117℃的熔融温度；以及PlusICE S117，其具有约117℃的熔融温度。

特别优选的固体-固体相变材料包括PlusICE X130，其具有约130℃的相变温度；三羟甲基氨基甲烷，其具有约130℃的相变温度；以及来自福斯曼科学(北京)有限公司的FSM-PCM95，其具有约134℃的相变温度、约169℃的熔融温度以及约293kJ/kg的焓能。

特别优选的固体-粘性-液体相变材料基于橡胶填料，例如可从广东金巴利新材料有限公司获得的9005-H120系列，其具有约120℃的相变温度以及约200kJ/kg的焓能。

特别优选固体-固体过渡PCM，因为它允许部件承受多次回流循环或返工循环，而不会损失隔热性能。固体-液体过渡PCM也是特别优选的，只要该结构将液体保持在结构内并且不允许液体溢出该结构。

在一次性需要的情况下，如在制造期间，液体-蒸汽或固体-蒸汽过渡相变材料适合在热吸收期间使用。

示例

制备一系列相同的薄膜电容器，间距或外部引线之间的距离为5mm。根据本领域的标准实践，使用盒子和树脂封装一组单独的薄膜电容器，以形成控制电容器。第二组单独的薄膜电容器通过高压注射用聚丙烯二次注塑，以形成本发明的二次注塑薄膜电容器。相对于控制电容器，本发明的二次注塑薄膜电容器的平均尺寸减小，高度×长度×宽度(Height×Length×Width,HLW)为3.2mm×0.0mm×1.1mm，这提供231.5mm

制备一系列相同的薄膜电容器，间距或外部引线之间的距离为27.5mm。根据本领域的标准实践，使用盒子和树脂封装一组单独的薄膜电容器，以形成控制电容器。第二组单独的薄膜电容器通过高压注射用聚丙烯二次注塑，以形成本发明的二次注塑薄膜电容器。相对于控制电容器，本发明的二次注塑薄膜电容器的平均尺寸减小HLW为5.5mm×1.7mm×1.0mm，这是3631.5mm

制备另一系列相同的薄膜电容器，间距或外部引线之间的距离为27.5mm。根据本领域的标准实践，使用盒子和树脂封装一组单独的薄膜电容器，以形成控制电容器。第二组单独的薄膜电容器通过高压注射用聚丙烯二次注塑，以形成本发明的二次注塑薄膜电容器。平均体积减少为18％，作为体积函数的容量密度或电容量平均增加为22％。

使用具有铝和锌的单层金属化的PP基薄膜制备一系列用于直流链路应用的相同的电源盒薄膜电容器，这些电源盒薄膜电容器通过间距为27.5mm的引线电连接。电容器用PP树脂二次注塑。在高压注射二次注塑之前和之后对薄膜电容器进行表征。在用聚丙烯进行高压注射注塑之前和之后对该系列进行了测试。高压注射注塑在200℃-250℃的温度和400巴的压力下进行，以在电容器元件周围形成厚度约为1mm的涂层。所有样本都以kV为单位进行击穿电压测试(FBDV)，结果如图7形象地所示，以μF为单位的电容量如图8形象地所示，并且Tgδ@1kHz如图9形象地所示。在表征之后，将样本分为3组。三组中的一组在85℃@780Vdc(直流电压)下进行测试，结果如图10形象地所示，一组在105℃@585Vdc下进行测试，如图12形象地报告，第三组在-55+105℃范围内进行了快速温度变化测试，DF(损耗因数(dissipation factor))@1kHz结果如图13形象地报告，变化百分比变化如图11形象地所示。

用于电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)抑制应用的一系列相同的薄膜电容器是使用具有铝和锌的单层金属化的PP基薄膜制备的，并且通过用PP树脂二次注塑的引线进行电连接。在高压注射二次注塑之前和之后对薄膜电容器进行表征。所有系列都在高压注射注塑之前进行了测试。在同一组上形成聚丙烯的高压注射注塑件。高压注射注塑在200℃-250℃的温度和400巴的压力下进行，以在电容器元件周围形成厚度约为1mm的涂层。所有样本以kV为单位进行击穿电压测试(FBDV)，结果如图16形象地报告，以μF为单位的电容量如图14形象地报告，注塑之前和之后的Tgδ@1kHz如图15形象地所示。

使用具有铝和锌的单层金属化的PP基薄膜制备两个系列的用于直流链路应用的相同的电源盒薄膜电容器，电源盒薄膜电容器通过间距为27.5mm的引线电连接。一个系列用PBT树脂和30％玻璃纤维(glass fiber,GF)的混合物进行二次注塑。第二系列已经用PPS进行了二次注塑。在高压注射二次注塑之前和之后对所有薄膜电容器进行了表征。在低于1500巴的压力下，在250℃-300℃的温度下对PBT进行高压注射注塑，在300℃-360℃的温度下对PPS进行高压注射注塑，以在电容器元件周围形成厚度约为1mm的涂层。第一组和第二组以kV为单位进行击穿电压测试(FBDV)，如图19形象地报告，以μF为单位的电容量如图17形象地报告，并且在HPI注塑之前和之后的Tgδ@1kHz如图18形象地报告。在表征之后，将第一系列(注塑的PBT和玻璃纤维)分为3组。一组在65℃-93％RH(相对湿度(relativehumidity))、电压为450Vdc的偏置湿度下进行了测试，结果如图20形象地所示，一组在85℃@780Vdc下进行了使用寿命测试，结果如图21形象地所示，第三组在105℃@585Vdc下进行了测试，结果如图22形象地所示。

用市售的C4AQ-P电容器组成的金属化聚丙烯膜制备直流链路。标准C4AQ-P电容器通常装在带有树脂的矩形塑料盒中。在270℃-300℃的温度和300-600巴的压力下，用PBT二次注塑相同的电容耦合。二次注塑的样本的电容量下降在商业限制内，并且DF相对于标准C4AQ-P非常好。

美国专利第9,127,153号和PCT申请WO 2000070569通过引用并入本文。

本发明已参照优选实施例进行了描述，但不限于此。本领域技术人员将实现在所附权利要求中描述和阐述的附加实施例。