DE29604356U1

DE29604356U1 - Metallisierter dielektrischer Film und Kondensator daraus

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Publication number: DE29604356U1
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Authority: DE
Original assignee: ICAR SpA
Current assignee: ICAR SpA
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2006-03-09
Also published as: ES1033377Y; ES1033377U; GB9604792D0; ITMI950173U1; GB2298962B; FR2734395A3; FR2734395B3; ITMI950173V0; GB2298962A; IT236732Y1

Description

DEG-35 371

METALLISIERTER DIELEKTRISCHER FILM UND
KONDENSATOR DARAUS

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen metallisierten dielektrischen Film, der zur Herstellung von elektrischen Leistungskondensatoren verwendet werden kann.

Es ist bekannt, daß im Falle eines Durchschlags aufgrund eines Strukturfehlers in der dielektrischen Schicht ein Kondensator aus einem dielektrischen Film mit metallisierten Oberflächen in der Lage sein kann, die Fehlstelle zu isolieren. Ein Kondensator dieser Art wird gewöhnlich als "selbstheilend" bezeichnet, da die Energie, die beim Durchschlag frei wird, die Metallisierung um die Fehlstelle herum entfernt, so daß der Kurzschlußbereich isoliert wird und der Kondensator weiter betrieben werden kann, auch wenn die Kapazität, dann kleiner.ist.als die Kapazität unter Nennbedingungen .

Andererseits können in einem Leistungskondensator intensive, kurze Ströme die Kontaktzone zwischen dem metallisierten Teil des dielektrischen Films und den Anschlußteilen aus Metall für die Kontakte aufschmelzen. In der Regel beginnt dieses Aufschmelzen an den schwächsten Stellen und setzt sich fort, bis die Anschlußteile der Kondensatorelemente elektrisch ganz abgetrennt sind, mit möglicherweise gefährlichen thermischen Auswirkungen, die zur vollständigen Zerstörung des Bauteils führen. In bestimmten Fällen (hohe Spannung, hohe Kapazität) kann der Durchschlag so heftig sein, daß davon mehrere aufeinanderfolgende Lagen des Konden-

sator-Dielektrikums betroffen sind. In diesem Fall funktioniert der Selbstheilmechanismus nicht mehr richtig, mit dem Ergebnis des Auftretens eines großen Bereichs mit geschmolzenem Material um die Durchschlagzone, was in kurzer Zeit zur Zerstörung des Bauteils führt.

Um die. nachteiligen Auswirkungen eines Hochenergiedurchschlags zu verhindern, kann der Film in "Segmente" aufgeteilt werden, die die Energie verringern, die in einem Elementarkondensator gespeichert ist (wie es in der europäischen

&iacgr;&ogr; Patentanmeldung 0 056 010 beschrieben ist) . Um den Unterbrechungsmechanismus zuverlässiger zu machen, kann das Anschlußteil des Films, das aus aufgesprühtem Metall besteht, reduziert werden, um elektrisch leitende (und schmelzbare) Kanäle auszubilden, so daß sich im Falle eines inneren Fehlers die

is "Segmente" leichter voneinander isolieren lassen. Andere alternative Lösungen schließen das Aufteilen der Metallbeschichtung des Films in zahlreiche Zonen verschiedener Form ein, die von isolierendem Material begrenzt sind und die miteinander über schmelzbare leitende Elemente verbunden sind, wie im obigen Fall. Diese Zonen können mosaikartig sein (wie in den nationalen Patentanmeldungen DE 40 10 753 und FR 2 651 602 und in der europäischen Patentanmeldung 0 611 179

...... beschrieben) oder, ein &zgr;innenförmiges Profil haben (wie.es in der europäischen Patentanmeldung 0 438 344 beschrieben ist).

Das Aufteilen des Kondensators in eine Anzahl von Elementarkondensatoren, die über Schmelzsicherungen miteinander verbunden sind, d.h. die Verwendung eines segmentierten Films anstelle eines mosaikartigen oder zinnenförmigen Films hat den Vorteil, daß die vollständige Zerstörung des Bauteils verhindert wird, die im Fehlerfall dessen Kapazität bis zur vollständigen Isolation verringert, wobei nur wenig Gas erzeugt wird und der Film nicht schmilzt oder verbrennt (wodurch ebenfalls das Explosionsrisiko verringert wird). Jedoch erhöhen sich in einem solchen Bauteil die Jouleschen Wärme-

Verluste. Der Kondensator verträgt daher in diesem Fall keinen hohen Strom mehr.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen metallisierten dielektrischen Film zu schaffen, der als leitende Elektrode eines Leistungskondensators der selbstheilenden Art verwendet werden kann und bei dem die Nachteile des obigen Films nicht auftreten, d.h. einen metallisierten dielektrischen Film zu schaffen, der gleichzeitig hinsichtlich der Aufrechterhaltung eines Impulsstromes (und daher hinsichtlich &iacgr;&ogr; des Explosionsrisikos) zuverlässig ist und bei dem die Jouleschen Wärmeverluste im Vergleich zu den herkömmlichen selbstheilenden Kondensatoren gering sind.

Auch soll bei einem Leistungskondensator im Falle eines lokalen Fehlers mit einem daraus folgenden Überschlag die Kapazitätsverringerung bei sonst gleichen Bedingungen kleiner sein als die Kapazitätsverringerung bei herkömmlichen selbstheilenden Kondensatoren.

Darüberhinaus soll die Ausbildung des metallisierten dielektrischen Films und die Herstellung des Kondensators einfach und wirtschaftlich möglich sein, ohne daß eine komplizierte Technologie erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird mit dem im Anspruch 1 beschriebe -

nen .metallisierten dielektrischen Film, gelöst.

Vorteilhaft befinden sich die elektrisch leitenden, schmelzbaren Elemente in einem Abstand von dem Bereich mit dicker Metallisierung, der die Kontaktelektrode des Kondensators bildet. Kompatibel zu den Erfordernissen der Abscheidungsprozesse für die Schichten befinden sich diese in jenen Zonen des leitenden Materials, durch die nur wenig Strom fließt. Diese Zonen lassen sich durch experimental feststellen, wenn der Stromfluß zwischen den leitenden Elektroden berücksichtigt wird. Auf diese Weise wird eine Verringerung der Jouleschen Wärmeverluste (hinsichtlich des Standes der Technik) in den Elementarkondensatoren erhalten.

Die Oberfläche der Beschichtung des dielektrischen Films aus leitendem Material ist derart in Sektoren aufgeteilt, daß die schmelzbaren Elemente dazu dienen können, einen Filmsektor zu isolieren, wenn mehrere Lagen des Dielektrikums perforiert sind, wobei jedoch kein selbstheilender Durchschlag erfolgt. Die Geometrie der Sektoren für die leitende Elektrode wird durch experimentelle Ergebnisse (die mittels Labortests erhalten werden) aus dem Verhalten der schmelzbaren leitenden Elemente beim Stromdurchgang bestimmt.

&iacgr;&ogr; All das macht, zusammen mit der Tatsache, daß für sonst gleiche Bedingungen die Verringerung der Kapazität des Kondensators aufgrund des Durchschlags kleiner ist als bei den Kondensatoren des Standes der Technik aus segmentierten oder mosaikartigen Filmen, die erfindungsgemäße Anordnung auch bei Leistungskondensatoren zuverlässiger, die bei großen Strömen betrieben werden. Durch das Ausdehnen der Segmentierung des leitenden Materials bis in den Bereich dicker Metallisierung für die Kontakte wird verhindert, daß sich das an einer Stelle beginnende Schmelzen dieses Bereiches im Fehlerfall über die ganze Länge des Films fortsetzt, mit folglich stärkerer Zurückhaltung von Impulsströmen.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden

,beispielhaft anhand..der Zeichnung näher erläutert. .Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf einen Teil des metallisierten dielektrischen Films einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf einen Teil des metallisierten dielektrischen Films einer zweiten Ausführungsform, die, wenn sie mit der Struktur der Fig. 3 kombiniert wird, eine elektrische Schaltung bildet, die zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren entspricht;

Fig. 3 eine schematische Aufsicht auf einen Teil eines nicht segmentierten metallisierten dielektrischen Films, der in einem bekannten selbstheilenden Leistungskondensator als leitende Elektrode verwendet wird;

Fig. 4 eine schematische Aufsicht auf einen Teil des metallisierten dielektrischen Films einer dritten Ausführungsform; und

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Teils des metallisierten dielektrischen Films der Fig. 1.

In den Fig. 1 und 5 ist die erste Ausführungsform des

metallisierten dielektrischen Films generell mit 10 bezeich-

* net; sie umfaßt ein Substrat 20 aus dielektrischem Material mit einem isolierenden Rand 2OA und einer Oberfläche 30 aus

&iacgr;&ogr; elektrisch leitendem Material. Der isolierende Rand 20A besteht gewöhnlich aus Kunststoff oder Papier. Die Oberfläche 30 endet in Bereichen 40 mit dickerer Metallisierung, entsprechend den Anschlußteilen, die aus aufgesprühtem Metall gebildet werden und an denen die Kontaktelektroden des Kondensators vorgesehen sind. Die Oberfläche 30 ist in Sektoren 51, 52 mit im wesentlichen fünfeckiger Form aufgeteilt. Die Sektoren 51, 52 werden durch das Ausbilden von "Segmenten" 11, 12, 15 erhalten, die alle aus dielektrischem Material bestehen.

Eine erste Reihe von Segmenten 11, die alle parallel zueinander verlaufen, isoliert die Sektoren 51 voneinander.

Jedes Segment 11 steht mit dem Bereich 40 dicker Metallisie-

... .. rung.in Kontakt und.erstreckt, ,sich zum Inneren der. leitenden Oberfläche 30 bis zu dem Scheitel- oder Schnittpunkt 14, in dem sich zwei weitere Segmente 12 treffen. Im Schnittpunkt 14 treffen die beiden Segmente 12 und das Segment 11 unter im wesentlichen gleichen Winkeln aufeinander.

Eine zweite Reihe von Segmenten 15, die ebenfalls parallel zueinander und parallel zu den Segmenten 11 verlaufen, isolieren die Sektoren 52 voneinander; sie stehen mit dem isolierenden Rand 2OA in Kontakt. Jedes Segment 15 liegt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Segmenten 11 auf der gegenüberliegenden Seite einer imaginären horizontalen Achse 16, im die wesentlichen durch die Mitte der Segmente 12 verläuft und die den Film 10 in zwei Teile teilt. Das Segment 15

trifft im Scheitel- oder Schnittpunkt 21 unter Bildung von im wesentlichen drei gleichen Winkeln auf zwei Segmente 12.

Jeder Sektor 51 ist über zwei schmelzbare leitende Elemente 60 mit zwei Sektoren 52 verbunden, wobei die schmelzbaren leitenden Elemente 60 im Falle eines Durchschlags den fehlerhaften Sektor 51, 52 vom Stromdurchgang ausschließen. Die schmelzbaren leitenden Elemente 60 befinden sich im wesentlichen in der Mitte der Segmente 12 und haben vom Bereich 40 dicker Metallisierung ausreichend Abstand, um

&iacgr;&ogr; den Joulesehen Wärmeverlust beim Stromdurchgang zu verringern. Der Abstand zwischen dem Schnittpunkt 21 und dem oberen Rand des Bereichs 40 dicker Metallisierung ist kleiner als die Hälfte der Gesamthöhe oder -breite des Films 10 (die in den Fig. 1 und 5 mit "h" bezeichnet ist und die die Höhe bzw. Breite des isolierenden Randes 2OA, die Höhe bzw. Breite der Oberfläche 30 und die Höhe bzw. Breite des Bereichs 40 dicker Metallisierung umfaßt). Der Abstand zwischen dem unteren Rand des Bereichs 40 dicker Metallisierung und dem Schnittpunkt 14 eines jeden Sektors 51 ist ebenfalls kleiner als die Hälfte der Gesamthöhe oder -breite "h" des Films 10. Durch die Erstreckung des die Segmente bildenden dielektrischen Materials der Segmente 11 der Sektoren 51 in den Bereich 40 dicker MetalJLisierung des. Films .10 hinein und durch diesen Bereich, 40 hindurch wird verhindert, daß sich das an einer Stelle beginnende Aufschmelzen des Bereichs 40 ausbreitet und über die gesamte Länge der leitenden Elektrode des Kondensators erstreckt. Dadurch wird auch die Zuverlässigkeit des Films 10 hinsichtlich einer Explosion verbessert, wenn große Ströme pulsieren. Die Beschichtung der Oberfläche 30 mit leitendem Material wird gewöhnlich durch das Abscheiden von Metallschichten erhalten, während die Segmentierung der Sektoren 51, 52 und die Ausbildung der schmelzbaren leitenden Brücken 6 0 gewöhnlich durch lokales Abtragen bzw. Abschmelzen oder während der Metallisierung erreicht wird.

Die Herstellung eines Kondensators umfaßt das Aufeinanderlegen zweier metallisierter dielektrischer Filme 10 derart, daß das Substrat 20 und der metallisierte Bereich 40 des zweiten Films gegenüber dem des ersten Films umgedreht und in vertikaler Richtung etwas versetzt sind. Die beiden Filme 10 . werden dann, beginnend an der kürzeren. Seite, aufgewickelt.. Es wird ein Zylinder erhalten, der das eigentliche kapazitive Element bildet.

Der metallisierte dielektrische Film 10 der Fig. 1

&iacgr;&ogr; kann vorteilhaft auch dann verwendet werden, wenn zwei oder mehr in Reihe verbundene Kondensatoren benötigt werden. Durch das Verbinden des in der Fig. 2 bei 80 gezeigten Filmabschnitts längs einer geometrischen Achse 17 (die im wesentlichen längs der Mitte des Films 25 verläuft) mit einem zweiten Filmabschnitt 80' mit den gleichen strukturellen Eigenschaften wie der Abschnitt 80 und Kombinieren des so erhaltenen Aufbaus 25 mit dem metallisierten dielektrischen Film 90 der Fig. 3 wird eine elektrische Schaltung erhalten, die zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren entspricht. Der Aufbau 25 ist dafür vorgesehen, an einem Potential betrieben zu werden, das gleich der Hälfte des Potentials ist, das für den Betrieb des Kondensators verwendet wird, der den Film 10 der Fig. 1

. . als. leitende ,Elektrode..auf weist.. . .

In den Fig. 2 und 3 bezeichnet 20 &Aacgr; den isolierenden Rand, 30' die Beschichtung aus elektrisch leitendem Material, 40" den Bereich dicker Metallisierung mit den Kontakten und 12' die Segmente der Sektoren 51', 52' des Aufbaus 25, den Sitz der schmelzbaren leitenden Elemente 60'.

Die elektrische Schaltung, die zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren entspricht, kann auch dadurch erhalten werden, daß zwei Abschnitte metallisierter dielektrischer Filme 10, 10" längs der imaginären Achse 19 verbunden werden, wie es in der Fig. 4 gezeigt ist. In dieser Figur bezeichnet 26 den gesamten Filmabschnitt, 2O¹¹A den Rand aus isolierendem Material, 30" die mit leitendem Material beschichtete Ober

;,{: &idigr;&iacgr;&idiagr;¹ '

fläche und 40" den Bereich dicker Metallisierung, den Sitz der Kondensatorkontakte. Die mit 11", 12", 14", 21», 51", 52" und 60" bezeichneten Elemente sind analog zu und haben die gleichen strukturellen und funktionellen Eigenschaften wie die in der Fig. 1 mit 11, 12, 14, 21, 51, 52 und' 60 und in der Fig. 2 mit II¹, 12', 14 <; 21 ·, 51', 52.' und 60' bezeichneten Elemente.

Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen metallisierten dielektrischen Films und dessen Vorteile gehen aus der

&iacgr;&ogr; vorstehenden Beschreibung hervor.

Die metallisierten dielektrischen Filme 10, 25, 26 sind besonders für die Herstellung von Leistungskondensatoren geeignet, in denen intensive kurze Ströme' fließen, die die Kontaktzone zwischen dem Bereich 40, 40', 40" dicker Metallisierung und dem auf die Anschlußteile zum Ausbilden der Kontakte aufgesprühten Metall schmelzen lassen können.

Die sektorierte Struktur 51', 52', 51", 52" kann auch in Filmen 25, 26 für in Reihe verbundene Leistungskondensatoren verwendet werden, wobei das erfindungsgemäße Verfahren für metallisierte dielektrische Filme 25, 26 verwendet wird, die der Hälfte der Spannung unterliegen, der ein einziger Kondensator unterliegt, wobei der zweite Film (der eine der leitenden Elektroden des Kondensators bildet) ein nicht segmentierter metallisierter dielektrischer Film 90 ist. Es wurde in einem solchen Fall experimentell festgestellt, daß die Schmelzsicherungen 60" längs der isolierenden Segmente 12" (die aus dem leitenden Material 30" herausgelöst wurden) und insbesondere im wesentlichen in deren Mitte angeordnet werden können, so daß sich die Jouleschen Wärmeverluste erheblich verringern.

Der beschriebene metallisierte dielektrische Film 10 zur Herstellung von selbstheilenden elektrischen Leistungskondensatoren weist eine Oberfläche 3 0 auf, die in Sektoren 51, 52 mit einer besonderen, im wesentlichen wabenförmigen geometrischen Struktur in Zellen aufgeteilt ist. Die Zellen

sind durch isolierende Segmente 11, 12, 15 getrennt, die von leitenden, schmelzbaren Elementen 60 überbrückt werden, so daß der Kondensator in kritischen Betriebszuständen (Durchschläge, Impulsströme, Defekte, Fehlstellen) eine größere Zuverlässigkeit und geringere Verluste als herkömmliche Kondensatoren zeigt.

&idigr;&idiagr;-¹ s- &tgr;.!&Mgr;.

Claims

Schutzansprüche

1. Metallisierter dielektrischer Film {10, 25, 26) mit wenigstens einem Substrat {20, 20', 20") aus dielektrischem Material, wenigstens einem ersten isolierenden Rand (2OA, .,.20¹A, 20"A) und. einer Oberfläche . {30, 30', 30") aus. elektrisch leitendem Material, die in einem Bereich (40, 40', 40") dicker Metallisierung endet, der dem Anschlußteil des Substrats (20, 20', 20") entspricht, wobei die Oberfläche (30, 30', 30") aus elektrisch leitendem Material in eine Anzahl von ersten Sektoren {51, 51', 51") und zweiten Sektoren

&iacgr;&ogr; (52, 52', 52") aufgeteilt ist, die voneinander überall mit Ausnahme von elektrisch leitenden schmelzbaren Elementen (60, 60', 60") isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Sektoren (51, 51', 51") und die zweiten Sektoren (52, 52', 52") durch Ausbilden von Segmenten (11, II¹, 11", 12,

is 12·, 12", 15, 15', 15") erhalten werden, die aus dielektrischem Material bestehen, wobei

eine erste Reihe von Segmenten aus parallelen ersten Segmenten {11, 11', 11") gleicher Länge besteht, von denen jedes mit einem ersten Ende mit dem Bereich (40, 40") dicker Metallisierung in Kontakt steht;

eine zweite Reihe von Segmenten aus zweiten Segmenten (12, 12', 12") besteht, von denen wenigstens zwei ein gemeinsames erstes Ende (14, 14', 14") aufweisen, das mit dem zweiten Ende wenigstens eines der ersten Segmente (11, 11', 11") so verbunden ist, daß drei Winkel gebildet werden; und

eine dritte Reihe von Segmenten aus parallelen dritten Segmenten (15, 15', 15") gleicher Länge besteht, die parallel zu und abwechselnd mit den ersten Segmenten (11, 11', 11") verlaufen und die jeweils auf der Seite einer den Film (10, 25, 26) in zwei Teile teilenden geometrischen horizontalen Achse (16, 16', 16") angeordnet sind, die der Seite der ersten Segmente (11, 11', 11") gegenüberliegt, wobei ein erstes Ende der dritten Segmente mit dem isolierenden Rand (2 0A,

- 11 -

20¹A, 20"A) in Kontakt steht und wenigstens eines der dritten Segmente (15, 15', 15") ein mit dem zweiten Ende von wenigstens zwei der zweiten Segmente (12, 12', 12") gemeinsames Ende (21, 21', 21") aufweist, so daß drei Winkel gebildet werden, und wobei wenigstens einer der ersten Sektoren (51, 51', 51") über· wenigstens zwei der elektrisch leitenden schmelzbaren Elemente (60, 60', 60"), die in den zweiten Segmenten {12, 12', 12") vorgesehen sind, mit zwei der zweiten Sektoren (52, 52', 52") verbunden ist.

2.. Metallisierter dielektrischer Film (10, 25, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Sektoren (51, 51', 51") und die zweiten Sektoren (52, 52', 52") eine fünfeckige Form haben.

3. Metallisierter dielektrischer Film (10, 25, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem elektrischen Kontakt des Bereiches (40, 40") dicker Metallisierung und dem zweiten Ende (21, 21', 21") der dritten Segmente (15, 15', 15") kleiner ist als die Hälfte der gesamten Breite (h) des Films (10, 25, 26).

4. Metallisierter dielektrischer Film (10, 25, 26) nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der ersten Segmente (11, 11', 11") kleiner ist als der Abstand zwischen dem elektrischen Kontakt des Bereiches (40, 40") dicker Metallisierung und dem zweiten Ende (21, 21', 21") der dritten Segmente (15, 15', 15").

5. Metallisierter dielektrischer Film (10, 25, 26) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den elektrisch leitenden schmelzbaren Elementen (60, 60', 60") und dem elektrischen Kontakt des Bereiches (40, 40") dicker Metallisierung größer ist als die Länge der ersten Segmente (11, 11', 11").

6» Metallisierter dielektrischer Film (10, 25, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ende der ersten Segmente (11, 11', 11") in das Innere des Bereiches (40, 40") dicker Metallisierung hineinreicht.

7. Metallisierter dielektrischer Film (25) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste isolierende Rand (20A) entfernt und der Bereich (40) dicker Metallisierung

&iacgr;&ogr; durch einen zweiten isolierenden Rand (20¹A) ersetzt ist, und daß der so gebildete Film (80) mit wenigstens einem zweiten Film (80') der gleichen Art wie der Film (80) und mit den gleichen strukturellen und funktioneilen Eigenschaften wie dieser und mit wenigstens einem metallisierten dielektrischen Film (90) der selbstheilenden Art verbunden ist, so daß eine elektrische Schaltung erhalten wird, die in Reihe verbundenen Kondensatoren entspricht.

8. Metallisierter dielektrischer Film (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Film (10) mit wenigstens einem zweiten metallisierten dielektrischen Film (10") der gleichen Art wie der Film (10) und mit den gleichen strukturellen und funktioneilen Eigenschaften wie dieser verbunden ist, so daß eine elektrische Schaltung erhalten wird, die in Reihe verbundenen Kondensatoren entspricht.

9. Kondensator der selbstheilenden Art, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator wenigstens einen metallisierten isolierenden Film (10, 25, 26) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche enthält.