電容器用金屬化聚丙烯薄膜制造工藝改進(jìn)研究

黃 偉 東

（佛山易事達(dá)電容材料有限公司，廣東 佛山 528000）

電容器用金屬化聚丙烯薄膜制造工藝改進(jìn)研究

黃 偉 東

（佛山易事達(dá)電容材料有限公司，廣東 佛山 528000）

隨著金屬化薄膜電容器不斷向小體積、高可靠、高性能方向發(fā)展，所需金屬化薄膜的性能質(zhì)量也隨之提高。介紹了電容器用雙向拉伸聚丙烯薄膜的加工成型方法和電容薄膜真空蒸鍍工藝技術(shù)。通過調(diào)整金屬化鍍層結(jié)構(gòu)、蒸發(fā)抗氧化油保護(hù)層及薄膜表面特殊處理這三種蒸鍍工藝處理方法，可改善電容器在高溫、高濕測試條件下金屬層的腐蝕。采用鋅加厚高方阻鋁膜的蒸鍍方式，能適應(yīng)直流支撐電容器高耐壓、高紋波電流的要求。

聚丙烯薄膜；雙向拉伸；真空蒸鍍；超級偏壓；安全膜；電容器

20世紀(jì)80年代，我國企業(yè)通過引進(jìn)金屬化聚丙烯薄膜真空鍍膜制造技術(shù)和設(shè)備，不斷消化和吸收國外先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，生產(chǎn)制造水平得到了很大提升。隨著現(xiàn)代科技和工業(yè)的發(fā)展，用戶對金屬化薄膜電容器的安全性及可靠性提出了更高的要求，金屬化聚丙烯薄膜作為此類電容器的關(guān)鍵材料，提高其性能質(zhì)量至關(guān)重要。

本文分別介紹了電容器用雙向拉伸聚丙烯薄膜的加工成型方法和薄膜真空蒸鍍工藝技術(shù)；針對薄膜電容器在高溫、高濕測試條件下金屬層發(fā)生腐蝕及如何提高直流支撐電容器耐電壓、過紋波電流能力兩個問題上進(jìn)行分析，并從真空蒸鍍工藝技術(shù)上提出改進(jìn)方法。

1 電容器用聚丙烯薄膜加工成型方法

目前聚丙烯電工薄膜加工成型方法主要有逐次雙向拉伸平膜法和同時雙向拉伸平膜法。同時雙向拉伸平膜法因設(shè)備復(fù)雜、制造困難、價格昂貴、邊料損失多等問題，目前尚未得到大規(guī)模采用。而逐次雙向拉伸平膜法設(shè)備成熟、生產(chǎn)效率高、適于大批量生產(chǎn)，被絕大多數(shù)企業(yè)所采用。

逐次雙向拉伸平膜法的制造過程是：原料在擠出機(jī)內(nèi)熔融，通過機(jī)頭擠出成片狀，再通過冷壓輥形成片材，片材經(jīng)過縱向拉伸機(jī)，由于輥筒的轉(zhuǎn)速差使片材受到縱向拉伸，然后再通過橫向拉伸機(jī)進(jìn)行橫向拉伸。

同時雙向拉伸平膜法的制造過程是：將擠出的塑料片材在一臺拉伸機(jī)內(nèi)，同時完成縱向、橫向拉伸、冷熱處理制成薄膜。這種方法中，擠出的片材在拉伸機(jī)的進(jìn)口處被夾具夾住，然后借助于夾具同向、同步的運(yùn)行，使片材在預(yù)熱區(qū)內(nèi)充分預(yù)熱，在拉伸區(qū)內(nèi)，借助于夾具的擴(kuò)幅及有規(guī)律地逐漸增大夾間距的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)薄膜同時縱向、橫向拉伸取向。最后經(jīng)過熱處理、冷卻完成整個制膜[1]。

同時雙向拉伸平膜法采用一次性雙向拉伸取向，薄膜在拉伸時不與任何輥筒接觸，因此不受輥面質(zhì)量的影響，可以制得無劃傷的薄膜。用這種方法拉伸時，片材受到夾具的限位作用，片材不會產(chǎn)生頸縮，對提高薄膜厚度均勻性十分有利。該方法容易生產(chǎn)縱橫兩方向拉伸比要求不同的薄膜，當(dāng)然也能夠生產(chǎn)兩方向拉伸比相同的薄膜。2015年我國引進(jìn)首條用于生產(chǎn)電容器用聚丙烯薄膜的同時雙向拉伸生產(chǎn)線，此制膜法對后續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)超薄型聚丙烯薄膜（薄膜厚度小于3 μm）材料十分有利。在薄膜電性能方面，與逐次雙向拉伸平膜法相比差異不大，后續(xù)仍有待改進(jìn)。

2 電容薄膜真空蒸鍍工藝技術(shù)

2.1 真空蒸鍍原理

在真空室內(nèi)借助發(fā)熱蒸發(fā)源使蒸鍍材料蒸發(fā)，被蒸發(fā)的材料通過真空自由運(yùn)動；當(dāng)蒸發(fā)材料接觸基材表面，就會冷卻并形成鍍層。

如圖1所示，金屬原子從蒸發(fā)源到達(dá)被蒸鍍的有機(jī)薄膜表面被吸附，與有機(jī)薄膜表面結(jié)合，同時與后續(xù)來的金屬原子直接碰撞，致使它們互相結(jié)合，成為大小不同的小原子團(tuán)。這些原子團(tuán)可以在表面擴(kuò)散，吸附其他的原子進(jìn)行生長。由于金屬原子不斷從蒸發(fā)源到達(dá)有機(jī)薄膜表面，原子團(tuán)逐漸長大，當(dāng)長大到原子團(tuán)的內(nèi)能隨著原子團(tuán)體積的增大開始變小以后，原子團(tuán)就難以自行分解，形成比較穩(wěn)定的團(tuán)——晶核。晶核迅速長大成微小晶體，又很快相互結(jié)合成金屬小島、金屬大島、金屬化片區(qū)，最終形成連續(xù)的金屬層[2-3]。

2.2 超級偏壓

在真空條件下，金屬鋁、鋅經(jīng)加熱氣化沉積在有機(jī)薄膜表面被吸附[4]，在此過程中，來自蒸發(fā)源的輻射熱量和金屬原子沉積在有機(jī)薄膜表面瞬間的相變潛熱，對有機(jī)薄膜會造成過熱損傷的危險，從而影響蒸鍍后的金屬化薄膜電氣性能，嚴(yán)重時會造成金屬化薄膜受熱變形，因此，蒸鍍過程中確保有機(jī)薄膜的良好冷卻至關(guān)重要。

圖1 金屬化薄膜形成過程Fig.1 Metallized film formation process

普通型電容器薄膜真空鍍膜設(shè)備配置的是舊式偏壓裝置，其工作原理是：在蒸鍍鼓與測量輥之間施加直流電壓，使得薄膜在電場力作用下貼附蒸鍍鼓，以達(dá)到薄膜冷卻的效果。舊式偏壓方法在蒸鍍厚度較薄的聚丙烯薄膜（4 μm以下）過程中，難以避免會出現(xiàn)漏電流問題，此漏電流瞬間引起直流電源輸出電壓不穩(wěn)定，從而影響金屬化薄膜質(zhì)量。超級偏壓系統(tǒng)以靜電吸附方式工作，不存在類似舊式偏壓裝置的問題。因此，使用超級偏壓系統(tǒng)所蒸鍍的金屬化薄膜質(zhì)量更穩(wěn)定，電性能更優(yōu)越，尤其有利于蒸鍍3 μm以下的超薄聚丙烯薄膜。

超級偏壓由預(yù)處理模塊、電子搶、后處理模塊三部分組成。預(yù)處理模塊可中和卷材上的所有電荷，并激活卷材表面，提高鍍層質(zhì)量。電子槍在卷材和蒸鍍鼓之間產(chǎn)生靜電荷，使卷材與蒸鍍鼓達(dá)到很高的粘附強(qiáng)度。這樣可增強(qiáng)從卷材到蒸鍍鼓之間的熱傳導(dǎo)，從而使卷材得到更佳冷卻。電子束噴槍也可激活卷材表面，提高鍍層質(zhì)量。后處理模塊利用等離子中和卷材上的所有電荷，將卷材上的電子清除。真空蒸鍍時以上三部分模塊也可分別使用。

（1）預(yù)處理模塊

等離子處理如圖2所示，以較低的氣壓將工藝氣體（氧、氮）送入真空室。在輝光電極和反電極之間施加高電壓，從而點(diǎn)燃等離子，以較低的能級用于等離子預(yù)處理，在輝光電極上產(chǎn)生濺射。卷材位于等離子之間，因此，遭受氣體離子與電子的轟擊。通過這種方法，可將臟物顆粒和水分子從卷材表面清除。真空泵將從卷材表面清除出的顆粒再從真空室清除。采用輝光放電對卷材進(jìn)行表面處理然后進(jìn)行金屬蒸鍍，這種方法可明顯提高基材表面與金屬鍍層的粘結(jié)質(zhì)量[5]。

圖2 等離子處理Fig.2 Plasma treatment

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：處理強(qiáng)度增加，聚丙烯膜中引入的極性基團(tuán)數(shù)量越多。反應(yīng)性氣體（O2）比非反應(yīng)性氣體(Ar)更能有效引入極性基團(tuán)。由圖3可見，從表面形貌上看，薄膜在被等離子體處理后，表面變得粗糙。

圖3 PP膜處理前后SEM照片F(xiàn)ig.3 PP film SEM images before and after plasma treatment

（2）電子槍

電子束噴槍用于在薄膜表面產(chǎn)生靜電荷，這可大大提高薄膜與蒸鍍鼓之間的粘附強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)從薄膜到蒸鍍鼓的熱傳導(dǎo)，可使薄膜更快冷卻，從而達(dá)到更高的蒸鍍速度。電子束噴槍還可進(jìn)一步激活薄膜表面，提高薄膜與鍍層的粘結(jié)強(qiáng)度，使得金屬鍍層更加致密。由圖4可見，兩種偏壓方式相比較，使用超級偏壓蒸鍍膜的鍍層結(jié)構(gòu)更加致密。

圖4 普通偏壓與超級偏壓鍍層結(jié)構(gòu)Fig.4 Bias and super bias coating structure

（3）后處理模塊

后處理模塊利用等離子中和薄膜上的靜電荷，將薄膜上的電子清除。后處理模塊的主要部件為直流磁控陰極，該模塊安裝于蒸鍍模塊的下游，可在線對薄膜進(jìn)行處理。等離子后處理所需的工藝氣體為氬氣。

3 應(yīng)用與討論

3.1 真空蒸鍍特殊工藝處理

實(shí)際使用中，薄膜電容器的性能老化及失效是由溫度、濕度和電應(yīng)力等綜合因素所致。當(dāng)有潮氣存在時，電壓還會引起電解，加速老化過程。高溫高濕環(huán)境(比如85 ℃，85%RH)對電容器的電性能影響更為顯著，從而導(dǎo)致產(chǎn)品失效率增加，可靠性降低[6-7]。圖5為解剖的失效品芯子，金屬鍍層出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。為提高產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)行如下工藝改進(jìn)。

圖5 經(jīng)測試后金屬化鍍層腐蝕Fig.5 Metal layer corrosion after testing

（1）按照圖6的鍍層結(jié)構(gòu)，調(diào)整邊緣位置鍍層厚度，降低邊緣場強(qiáng)，減少金屬化薄膜鍍層腐蝕后退現(xiàn)象[8-9]。

圖6 屏蔽邊緣鍍層加厚Fig.6 Margin side heavy edge

當(dāng)電容器在交流電壓下工作時，電場在金屬層邊緣會產(chǎn)生畸變而增大，與其他部位相比更容易發(fā)生電暈放電或擊穿，若極板邊緣又有空氣、水分存在，則邊緣的電暈放電更容易發(fā)生，會引起金屬化薄膜留邊處金屬層的腐蝕后退[10-11]。電場畸變區(qū)域隨電極厚度的增加而有所減少，即方阻高時其電場畸變程度較嚴(yán)重[12-13]。圖 7是電極邊緣退化圖片，其中圖7(a)方阻為R1，圖7(b)為方阻R2，R1=2R2，圖7(a)的電極退化程度比圖7(b)嚴(yán)重。

（2）金屬化薄膜表面蒸發(fā)抗氧化油保護(hù)層，增強(qiáng)金屬層抗氧化能力。

（3）利用超級偏壓對金屬化薄膜進(jìn)行特殊表面處理，使得電容器制造時芯子更緊密，有利于改善交流局部放電及電腐蝕的發(fā)生。

圖7 電極邊緣退化Fig.7 Edge of electrode degradation

通過以上真空蒸鍍工藝處理的金屬化聚丙烯薄膜所制得的電容器，使用薄膜厚度為 7 μm，在85 ℃，85%RH，1000 h，施加交流電壓305 V的測試條件下，能夠有效避免金屬層腐蝕，表1數(shù)據(jù)顯示容量變化值ΔC/C≤5%，滿足測試要求。

表1 85 ℃, 85%RH，1000 h測試數(shù)據(jù)Tab.1 85 ℃, 85% RH, 1000 hours test data

3.2 高方阻鋁膜鋅加厚金屬化聚丙烯薄膜

直流支撐電容器屬于大容量電容器，耐電壓要求高，采用聚丙烯薄膜直接卷繞一個大容量芯子，其電極總長度很長，難以避免聚丙烯薄膜中弱點(diǎn)對大容量電容器耐電壓的影響，而且容量越大，產(chǎn)生自愈時的能量越大，容易出現(xiàn)電容器擊穿問題發(fā)生[14]。另外還需要電容器的耐紋波電流能力強(qiáng)。因此，在金屬化薄膜鍍層蒸鍍方式上必須考慮耐電壓及瞬間的過紋波電流能力這兩個問題[15-16]。采用高方阻鋁膜鋅加厚的蒸鍍方式應(yīng)用在直流支撐電容器材料上，能適應(yīng)高耐壓及高紋波電流的要求。

如圖8所示，在金屬鍍層設(shè)計上，有效區(qū)蒸發(fā)高方阻的鋁鍍層結(jié)構(gòu)（方阻值25～55 Ω/□），而加強(qiáng)區(qū)使用寬加強(qiáng)區(qū)漸變形式（方阻值2～4 Ω/□）并蒸發(fā)鋅鋁合金[17-18]。

為進(jìn)一步提高直流支撐電容器的安全性能及耐紋波電流能力，在金屬化薄膜設(shè)計上，采用安全防爆膜[19]及波浪邊技術(shù)，以提高電容器的安全性及穩(wěn)定性。

圖8 高方阻鋁膜鋅加厚金屬化膜Fig.8 High resistance metallized film

目前常用的安全膜圖案結(jié)構(gòu)分別有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、T型結(jié)構(gòu)。電動汽車直流支撐電容器一般采用3 μm以下的超薄聚丙烯薄膜材料，在安全膜設(shè)計上則采用圖9所示的方格狀圖案，具有容量損失小、安全性能高的特點(diǎn)。

圖9 方格狀安全膜Fig.9 Square shape pattern film

4 結(jié)論

（1）本文分別對電容器用雙向拉伸聚丙烯薄膜的加工成型方法和薄膜真空蒸鍍工藝技術(shù)進(jìn)行了介紹。使用超級偏壓所蒸鍍的金屬化薄膜質(zhì)量更穩(wěn)定，電性能更優(yōu)越。

（2）通過調(diào)整金屬化層邊緣位置結(jié)構(gòu)、蒸發(fā)抗氧化油保護(hù)層及薄膜表面特殊處理這三種蒸鍍工藝處理方法，可改善電容器在高溫高濕條件下金屬層腐蝕現(xiàn)象。

（3）采用高方阻鋁膜鋅加厚的蒸鍍方式，能適應(yīng)直流支撐電容器高耐壓、高紋波電流的要求。

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Research on improving the manufacturing process of metalized polypropylene film for capacitors

HUANG Weidong
(Foshan Eastex Capacitor Materials Co., Ltd, Foshan 528000, Guangdong Province, China)

With the trend of small size, high reliability and high performance of metalized film capacitors, a requirement was raised for metalized film with better properties. A processing method for biaxially-oriented polypropylene film used in capacitors and vacuum coating technology was introduced. Three kinds of coating processing method can resist this metal layer corrosion in the capacitor under high temperature and humidity test conditions:adjusting the metal layer structure, evaporation of the anti-oxidation protection layer and a special treatment on the film surface. The withstand voltage and ripple current capability of DC-link capacitor are improved by coating a zinc heavy edge onto high resistance aluminum film.

polypropylene film; biaxially oriented; vacuum coating; pattern film; super bias; capacitor

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.010

TM53

A

1001-2028（2017）07-0052-04

2017-04-17

黃偉東（1978－），男，廣東佛山人，工程師，主要從事技術(shù)質(zhì)量管理工作，E-mail: 624251725@qq.com 。

時間：2017-06-29 10:23

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1023.010.html