CN117321714A - 耐热性改进的电子元件 - Google Patents
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Abstract
提供了一种电子元件，特别是薄膜电容器，包括含有电介质的工作元件和封装件，工作元件封装在所述封装件中，其中封装件包括相变材料。
Description
技术领域
本申请要求于2021年3月31日提交的美国临时申请No.63/168,490的优先权，该申请通过引用并入本文。
本发明涉及改进的电子元件，尤其是薄膜电容器，其由于包含相变材料(PCM)作为吸热剂而是热稳定的。
背景技术
薄膜电容器，尤其是基于聚丙烯的薄膜电容器，因其电气和物理属性而在许多应用中备受青睐。限制薄膜电容器使用的一个特性是热不稳定性，这是由于在高温下电容器内的薄膜，特别是聚丙烯薄膜的退化。当安装到电路板上或在正常使用期间，薄膜电容器可能暴露于有害的热量下。在任何一种情况下，暴露于高温的可能性使得薄膜电容器不适用于许多其他有利的用途。
一直期望能够暴露于高温的电子元件，尤其是薄膜电容器，其中电子元件保持其性能特性。本文提供了一种改进的电子元件，具体地是一种薄膜电容器，其能够在没有损害的情况下进行温度漂移。
发明内容
本发明涉及一种改进的电子元件，尤其是一种薄膜电容器，其能够在高温下暴露而不会发生物理或电气退化。
更具体地，本发明涉及一种改进的薄膜电容器，薄膜电容器包括相变材料，相变材料位于工作元件外部，优选地位于封装件中，其中，在暴露于高温漂移(excursion)时，相变材料在工作元件被加热之前吸收热量。
本发明的一个特别的优点是无需改造就可以使用常规工作元件和制造工艺。
另一个特别的优点是，相变材料不会影响工作元件的电气特性或按照预期工作的能力。
如将实现的，在电子元件，特别是薄膜电容器中提供这些和其他优点，包括包含电介质的工作元件和封装件，工作元件封装在封装件中，其中封装件包括相变材料。
然而，在形成薄膜电容器的方法中提供了另一实施例。该方法包括形成包括电介质的工作元件并将该工作元件封装在封装件中，其中该封装件包括相变材料。
附图说明
图1为薄膜电容器的工作元件的横截面示意图。
图2为本发明实施例的横截面示意图。
图3为本发明实施例的局部剖视示意图。
图4为说明本发明优点的图示。
具体实施方式
本发明涉及一种改进的电子元件，更具体地，涉及一种薄膜电容器，尤其是基于聚丙烯的薄膜电容器，其中该电子元件适用于具有高温漂移可能性的环境。更具体地，本发明涉及一种包括相变材料的改进的薄膜电容器，其中当相变材料暴露于高温时，相变材料吸收热量并经历相变，从而降低薄膜电容器的工作元件将暴露于其中的温度。
在不受理论约束的情况下，假设当电子元件例如薄膜电容器受热时，相变材料吸收热量。热漂移可能是电路形成的结果，例如通过表面贴装技术(SMT)处理，或者在正常操作期间。因此，相变材料将与电路相关的热量隔离开，并且热量被相变材料的相变热力学吸收。
本发明的一个特别的优点是能够在表面贴装技术(SMT)组装工艺中使用低温高性能电介质。本发明允许薄膜电容器用于SMT应用，其中焊接操作引起可能超过电介质可以承受的温度漂移。PCM在焊接组装过程中吸收热量，确保电介质不会经受温度漂移，从而防止电介质退化。
另一个优点是能够使用电介质，否则电介质对于电性能而言是优异的，但由于其不能承受温度漂移而不适于应用。
本发明的另一个优点是能够在以前认为不适合此类用途的SMT应用中使用薄膜电容器。其他电子元件也会出现类似的问题。许多电容器系列目前被排除在SMT应用之外，因为它们保持低温以保护工作元件的电介质的要求。例子是基于聚丙烯的电磁干扰(EMI)抑制电容器，其目前仅在通孔技术中可用。由于电介质的退化，基于聚丙烯的电容器不能通过回流焊接来焊接。本发明提供了薄膜电容器，其仍然可以使用通孔技术来安装，并且它们可以抵抗比传统薄膜电容器高得多的热量，然而薄膜电容器现在也适用于以前不适合的SMT应用。
将参照附图对本发明进行描述，附图是说明书的一个组成部分，但不是限制性的，是为了使本发明更加清晰。在各个附图中，相似的元件编号一致。
薄膜电容器的工作元件将参照图1进行描述，其中工作元件以横截面示意图的形式进行说明。在图1中，工作元件10包括金属化薄膜14，在相邻的金属化薄膜之间有电介薄膜12。相邻的金属化薄膜与相反极性的导体18电接触。电介薄膜可选地但优选地包括端部16，这便于制造以确保端部之间的电介薄膜的电介质部分的高度一致性。引出端子20为导体18提供电接触。正如本领域技术人员所知，每对相邻的金属化薄膜14终止于相对的导体18，每对相邻的金属化薄膜之间有电介质，形成电容耦合。工作元件内的层数可以相当多，或者工作元件可以被卷绕，从而由于卷绕形成的分层结构而提供连续的电容元件。
将参照图2描述本发明的实施例。在图2中，本发明的电容器100以截面示意图的形式示出。在图2中，具有引出端子20的工作元件10位于封装件22中，其中封装件包括相变材料24。从本文的描述中可以认识到，当电容器受到热漂移时，相变材料吸收热量并经历相变，从而减轻热漂移向工作元件的传递。
将参照图3描述本发明的实施例。在图3中，本发明的电容器200在装置201内的部分剖视示意图中示出。具有引出端子20的工作元件10包括作为封装件的包装26，其中包装包括PCM或由PCM组成。包装可以包括基板，嵌入基板中的PCM或者作为基板内的离散PCM区，或者作为基板的层或部分层。
装置201包括基板202，其中通过SMT或通孔技术将本发明的电容器安装到基板上，SMT和通孔技术二者在本领域中是众所周知的。在其中可使用本发明的电容器的装置在本文中不受特别限制。特别适合本发明的电容器的特别优选的装置包括用于消费者应用或用于车辆的驱动部件或附属部件的电子装置。本发明的电容器也适用于与可再生能源部分相关的部件，例如太阳能电池板或风力发电机的控制器模块或存储模块。可选地，本发明可以并入其中的装置包括特别适合用作电磁干扰(EMI)抑制器、脉冲电容器、直流支撑电容器和AC滤波电容器或在其中使用的那些电容元件。
相变材料的非限制性实例可以包括合金、有机相变材料、水基相变材料、蜡、水合盐基材料、固-固相变材料、糖醇基材料和固-粘-液相变材料。
特别优选的相变材料的相变焓在0.1kJ/kg至4186kJ/kg的范围内，更优选地为50kJ/kg至600kJ/kg的范围。
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包含铟锡基合金(例如英达洛依1E，其具有大约117℃的熔化温度)、铟银基合金(例如英达洛依164，其具有大约154℃的熔化温度)、铟铅基合金(例如英达洛依204，其熔化温度约为175℃)以及铋锡基合金(例如英达洛依281，其熔化温度约为138℃)的焊料。
特别优选的有机相变材料包括Paraffin 33-Carbon、PlusICE A118、PlusICEA164、来自的/>HS89和来自Pure Temp LLC的/>151，其中，/>HS89具有约89℃的熔化温度；/>151的熔化温度约为151℃；Paraffin 33-Carbon的熔化温度约为75.9℃；PlusICE A118的熔化温度约为118℃，PlusICEA164的熔化温度约为164℃。
水和水基相变材料的相变温度约为100℃。
特别优选的蜡包括蜂蜡、巴西棕榈蜡和商业上可获得的熔点约为50℃至约80℃的其它石蜡。
特别优选的水合盐基材料包括熔化温度约为120℃的PlusICE H120，熔化温度约为117℃的六水氯化镁，以及熔化温度约为117℃的PlusICE S117。
特别优选的固-固相变材料包括PlusICE X130、三(羟甲基)氨基甲烷以及来自福斯曼科技(北京)有限公司的FSM-PCM95，其中，PlusICE X130、的相变温度约为130℃；三(羟甲基)氨基甲烷的相变温度约为130℃；FSM-PCM95具有约134℃的相变温度、约169℃的熔化温度和约293kJ/kg的焓能量。
特别优选的固-粘-液相变材料基于橡胶填料，如广东力王新材料有限公司生产的9005-H120系列，其相变温度约为120℃，焓能量约为200kJ/kg。
固-固转变PCM是特别优选的，因为其允许部件经受多次回流焊接循环或返工循环，而不损失隔热性能。固-液转变PCM也是特别优选的，只要该结构将液体保持在该结构内并且不允许液体溢出该结构。
液-气或固-气转变相变材料适用于一次性需求的吸热过程，例如制造过程中。
适用于本发明的金属化薄膜在本文没有特别限制。在一个特别优选的实施例中，金属化薄膜以本领域技术人员熟知的蒸发金属涂层的形式形成于电介薄膜的表面。优选的是，金属化薄膜在不与本领域已知的导体电连接的一侧包括绝缘边缘。金属并没有特别限制，铝和锌特别适合于本发明的演示。
本文对电介薄膜没有特别限制，然而，塑料电介膜是优选的。用于展示本发明的特别合适的薄膜包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、四氟乙烯(TFE)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃共聚物(COC)、环烯烃聚合物(COP)及其组合。氟化薄膜，特别是氟化烯烃，作为示例特别适合于聚偏二氟乙烯(PVDF)和四氟乙烯。电介薄膜可以包括作为填料的复合氧化物颗粒，例如选自钛酸钡、钛酸镁、钛酸钙、钛酸锶和钛酸铍的氧化物。其他适用于展示本发明的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，特别是氧化钛钡、钛酸镁、钛酸钙等。
本文对导体没有特别限制。由金属沉积或金属箔形成的导体特别适合于本发明的演示。
本文对引出端子没有特别限制，本领域中常用的任何常规的引出端子均适用于本发明的演示。
本文对封装件没有限制，前提是封装件能够在其中容纳相变材料，而不会显著抑制相变材料在暴露于温度漂移时发生相变的能力。封装件可以包括本领域中通常采用的作为涂层或在盒子内的树脂。封装件可以被涂覆、涂漆、喷涂、模塑、浇铸或灌封到工作元件上或工作元件周围。在一个特别优选的实施例中，封装件包括至少5wt％的相变材料，优选至少10wt％的相变材料，更优选至少20wt％的相变材料，更优选至少50wt％的相变材料，更优选至少80wt％的相变材料，并且优选高达100wt％的相变材料。
在形成工作元件的过程中，金属化薄膜和电介薄膜以分层排列的方式结合在一起，相邻金属化薄膜的排列方式可以使相邻金属层随后电连接到连接器上，如本领域的技术人员将认识到的。分层布置可选且优选是卷绕以形成绕组。
实施例
样品电容器与由金属化聚丙烯(PP)薄膜制成的内部卷绕电容元件组装在一起，电容元件的终端由喷涂金属沉积物(SMD)形成，其中金属为铝或锡。本发明的电容元件(PP+PCM)被包装在作为相变材料的三(羟甲基)氨基甲烷中。磷青铜引线框架用于电气连接。包装好的电容元件通过***用环氧树脂密封的玻璃纤维增强PPS盒中来封装。本实施例中使用的PCM的相对数量约为50wt％。
典型回流焊接工艺的临界温度如图4所示。着陆区温度曲线是在元件外部但靠近元件处测得的温度，其峰值为230℃。对照组的内部温度为227℃，仅比着陆区温度低3℃。本发明的实施例显示了133℃的内部温度，相对于对照组，内部温度降低了94℃。
从结果可以看出，与没有PCM的对照组电容器相比，添加PCM组装的电容器的峰值温度要低得多。没有PCM的电容器不能承受回流焊接工艺的温度。
用表1所列的电介薄膜组装一系列其它方面相同的薄膜电容器。制备了包括三(羟甲基)氨基甲烷(50％)作为PCM的标记为PP+PCM的新型样品。表1提供了每个薄膜电容器的属性。
表1
在表1中，封装件中包括具有相变材料的聚丙烯电介质的薄膜(称为PP+PCM)，适合在表面贴装技术(SMT)回流焊接温度下使用，耗散因数(DF)保持较低，自修复(SH)能力保持不变，并且操作温度(OT或者℃)保持不变。
评估回流焊接过程中的电气性能以证明本发明。样品和结果如表2所示。在表2中，ΔC/C％是电容偏差百分比，Δtgδ(1Khz)10-4是1Khz时的绝对耗散因数偏差，Δtgδ(10Khz)10-4是10Khz时的绝对耗散因数偏差，ΔIR％是绝缘电阻偏差百分比，ΔFBDV％是首次击穿电压偏差百分比。
表2
表中显示的结果表明，使用相变材料能够是有益的，这与本领域技术人员的预期相反。本领域技术人员预计电气参数偏差(如绝缘电阻偏差)会产生有害结果，而本发明显示了改进。
美国专利No.10,522,286和美国公开申请No.2003/0057265通过引用并入本文。
已参照优选实施例描述了本发明，但不限于此。本领域的技术人员可以实现其它实施例，这些实施例在所附的权利要求书中进行了描述和阐述。
Claims (49)
1.一种薄膜电容器，包括：
工作元件，所述工作元件包括电介质；以及
封装件，所述工作元件封装在所述封装件中，其中所述封装件包括相变材料。
2.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其中，所述电介质为薄膜电介质，所述薄膜电介质包括选自聚丙烯、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、四氟乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、氟化烯烃、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物及它们的组合的材料。
3.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其中，所述电介质包括聚丙烯。
4.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其中，所述相变材料选自合金、有机相变材料、水基相变材料、蜡、水合盐基材料、固-固相变材料、糖醇基材料和固-粘-液相变材料。
5.根据权利要求4所述的薄膜电容器，其中，所述相变材料选自铟锡焊料、铟银焊料、铟铅焊料和铋锡焊料。
6.根据权利要求4所述的薄膜电容器，其中，所述相变材料选自HS89、151、Paraffin33-Carbon、PlusICE A118和PlusICE A164、蜂蜡、巴西棕榈蜡以及石蜡。
7.根据权利要求4所述的薄膜电容器，其中，所述相变材料选自PlusICE H120、六水氯化镁、PlusICE S117、PlusICE X130、三(羟甲基)氨基甲烷、FSM-PCM95和9005-H120。
8.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其中，所述相变材料的相变焓范围为0.1kJ/kg至4186kJ/kg。
9.根据权利要求8所述的薄膜电容器，其中，所述相变材料的相变焓范围为50kJ/kg至600kJ/kg。
10.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其中，所述相变材料的相变温度为45℃至300℃。
11.根据权利要求10所述的薄膜电容器，其中，所述相变材料的相变温度为80℃至200℃。
12.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其中，所述封装件包括至少1wt％的所述相变材料。
13.根据权利要求12所述的薄膜电容器，其中，所述封装件包括至少5wt％的所述相变材料。
14.根据权利要求13所述的薄膜电容器，其中，所述封装件包括至少10wt％的所述相变材料。
15.根据权利要求14所述的薄膜电容器，其中，所述封装件包括至少20wt％的所述相变材料。
16.根据权利要求15所述的薄膜电容器，其中，所述封装件包括至少50wt％的所述相变材料。
17.根据权利要求16所述的薄膜电容器，其中，所述封装件包括至少80wt％的所述相变材料。
18.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其中，所述封装件包括高达100wt％的所述相变材料。
19.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其中，所述封装件为包装。
20.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其中，所述封装件被涂覆、涂漆、喷涂、模塑、浇铸或灌封。
21.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其中，所述工作元件是绕组。
22.一种包括安装在基板上的权利要求1的薄膜电容器的装置。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述装置选自车辆，控制模块或存储模块选自太阳能电池板和风力发电***。
24.一种包括权利要求1的薄膜电容器的装置，其中，所述薄膜电容器是电磁干扰抑制器、脉冲电容器、直流支撑电容器或交流滤波电容器。
25.一种形成薄膜电容器的方法，包括
形成包括电介质的工作元件；以及
将所述工作元件封装在封装件中，其中，所述封装件包括相变材料。
26.根据权利要求25所述的形成薄膜电容器的方法，还包括在所述封装之前卷绕所述工作元件。
27.根据权利要求25所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述电介质为薄膜电介质，所述薄膜电介质包括选自聚丙烯、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、四氟乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、氟化烯烃、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物及它们的组合的材料。
28.根据权利要求25所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述电介质包括聚丙烯。
29.根据权利要求25所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述相变材料选自合金、有机相变材料、水基相变材料、蜡、水合盐基材料、固-固相变材料、糖醇基材料和固-粘-液相变材料。
30.根据权利要求29所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述相变材料选自铟锡焊料、铟银焊料、铟铅焊料和铋锡焊料。
31.根据权利要求29所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述相变材料选自HS89、/>151、Paraffin 33-Carbon、PlusICE A118和PlusICE A164、蜂蜡、巴西棕榈蜡以及石蜡。
32.根据权利要求29所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述相变材料选自PlusICEH120、六水氯化镁、PlusICE S117、PlusICE X130、三(羟甲基)氨基甲烷、FSM-PCM95和9005-H120。
33.根据权利要求25所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述相变材料的相变焓范围为0.1kJ/kg至4186kJ/kg。
34.根据权利要求33所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述相变材料的相变焓范围为50kJ/kg至600kJ/kg。
35.根据权利要求25所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述相变材料的相变温度为45℃至300℃。
36.根据权利要求35所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述相变材料的相变温度为80℃至200℃。
37.根据权利要求25所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述封装件包括至少1wt％的所述相变材料。
38.根据权利要求37所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述封装件包括至少5wt％的所述相变材料。
39.根据权利要求38所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述封装件包括至少10wt％的所述相变材料。
40.根据权利要求39所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述封装件包括至少20wt％的所述相变材料。
41.根据权利要求40所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述封装件包括至少50wt％的所述相变材料。
42.根据权利要求41所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述封装件包括至少80wt％的所述相变材料。
43.根据权利要求25所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述封装件包括高达100wt％的所述相变材料。
44.根据权利要求25所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述封装件是包装。
45.根据权利要求25所述的形成薄膜电容器的方法，其中，所述封装件被涂覆、涂漆、喷涂、模塑、浇铸或灌封。
46.一种形成装置的方法，包括将权利要求25的薄膜电容器安装到所述设备的基板上。
47.一种用于形成装置的方法，包括将通过权利要求25的方法形成的薄膜电容器安装到基板上。
48.用于形成权利要求47的装置的方法，其中，所述装置选自车辆，控制模块或存储模块选自太阳能电池板或风力发电***。
49.一种用于形成装置的包括安装通过权利要求25的方法形成的薄膜电容器的方法，进一步包括将所述薄膜电容器并入电磁干扰抑制器、脉冲电容器、直流支撑电容器或交流滤波电容器。
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