一种固态薄膜电容器及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种固态薄膜电容器及其制备方法，该电容器包括下部电极(1)、活性氧化铝薄膜(2)、上部电极(3)、阳极氧化膜(4)及衬底基片(5)，下部电极(1)涂覆在衬底基片(5)表面上，活性氧化铝薄膜(2)设置在上部电极(3)和下部电极(1)之间，活性氧化铝薄膜(2)与上部电极(3)、下部电极(1)的界面处为一层通过电化学方法形成的具有自修复功能的阳极氧化膜(4)。与现有技术相比，本发明的结构和制备工艺简单，适用于大规模批量生产，所用原料成本低廉，而且采用的是固态薄膜作为电介质，内部不存在电解液，使用安全可靠。
【专利说明】一种固态薄膜电容器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电容器制备【技术领域】，涉及一种固态薄膜电容器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在电容器的制造和使用过程中，介质膜不可避免的会出现各种各样的缺陷，实现介质膜在强场下工作的关键技术是电介质的缺陷自愈或自修复。
[0003]铝电解电容器在工作和存储中，阳极氧化膜的局部会由于某种原因受到破坏，产生一些弱点，使电容器的漏电流增大，但由于电解电容器是以电解质作为阴极，因此在外加电压的作用下，非固体电解质能释放出氧，在氧化膜破坏后重新形成氧化膜，起到自行修补作用，使电容器恢复其工作能力，这种能力称为电解电容器的自愈或自修复。铝聚合物电解电容器的自愈原理与铝电解电容器相似，其弱点在于阳极氧化所需氧由聚合物提供。钽固态电容器的自愈作用主要是在五氧化二钽膜的缺陷处流过大电流而产生高热，使作为阴极的MnO2材料分解为高阻的Mn2O3，将缺陷堵塞。
[0004]电解电容器的自修复特性表现在电解电容器能够修复电解电容器中的缺陷，这种修复是以牺牲某些在电解电容器的性能为代价的。通常，电解电容器的自愈特性仅仅是修复电解电容器的局部微小的弱点，如铝电解电容器利用施加电压将阳极氧化膜的微小缺陷进行阳极氧化，修复缺陷部分，但这一过程将消耗掉部分电解液；而钽电容器和聚合物电解电容器则是消除弱点处的导电通道，这实际上就减少了这两种电容器的有效电极面积。如果弱点极其微小，则对电容量的应先更可以忽略不计。而对于重大缺陷，如出现漏电流，击穿则是无能为力的。
[0005]金属化薄膜电容器所使用的薄膜有聚乙酯、聚丙烯、聚碳酸酯等，除了卷绕型之外，也有叠层型。金属化薄膜这种型态的电容器具有一种所谓的自我复原作用(SelfHealingAction)，即假设电极的微小部份因为电介质脆弱而引起短路时，引起短路部份周围的电极金属，会因当时电容器所带的静电能量或短路电流，而引发更大面积的溶融和蒸发而恢复绝缘，使电容器再度恢复电容器的作用。金属化薄膜电容即是在聚酯薄膜的表面蒸镀一层金属膜代替金属箔作为电极，因为金属化膜层的厚度远小于金属箔的厚度，因此卷绕后体积也比金属箔式电容体积小很多。金属化膜电容的最大优点是“自愈”特性。所谓自愈特性就是假如薄膜介质由于在某点存在缺陷以及在过电压作用下出现击穿短路，而击穿点的金属化层可在电弧作用下瞬间熔化蒸发而形成一个很小的无金属区，使电容的两个极片重新相互绝缘而仍能继续工作，因此极大提高了电容器工作的可靠性。
[0006]铝电解电容器中，通过铝在电解液中的阳极氧化，实现了介质膜在缺陷处的自修复，实现了在高场强下的稳定工作。然而铝电解电容器，电容容量较低，体积庞大，需要电解液实现其缺陷自修复。这些电解液的存在使其安全性和可靠性受到很大影响，这些电解液的存在极大地降低了铝电解电容器的储能密度。铝电解电容器中采用电解液作为介质膜内缺陷修复的电解质，这些电解液的存在是电解电容器在工业化生产条件下，能够安全稳定工作的关键技术。然而正是这些电解液的存在给电容器带来了巨大的安全隐患，即电解液的泄漏问题；在电解电容器长时间工作后，电解液引起的电容器爆炸问题；电解电容器中，电解液及其保护装置占据大量空间，极大的限制了其储能密度的提高等问题。随着铝电解电容器中电解液干涸，铝电解电容器的负极面积会大大减小，同时正负电极的距离也随之增大，而且这个增加不再是介电常数高的氧化铝，这样铝电解电容器的电容量将大大下降而失效，即铝电解电容器存在寿命短的问题。
[0007]钽固态电容器因采用固态的MnO2作为电解质，安全和稳定性都比电解电容器好。但其价格昂贵，电容量较小，应用范围有限，而且在钽电容器中MnO2占据的体积比较大，这样会限制其自身储能密度的提高。
[0008]而对于金属化薄膜电容器，其自身也有固有缺陷:一是由于金属化电容在长期工作条件中易出现容量丢失以及自愈后会导致容量减小；另一缺点为耐受大电流能力较差，这是由于金属化膜层比金属箔要薄很多，承载大电流能力较弱。
【发明内容】
[0009]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种固态薄膜电容器及其制备方法。
[0010]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0011]一种固态薄膜电容器，该电容器包括下部电极、活性氧化铝薄膜、上部电极、阳极氧化膜及衬底基片，所述的下部电极涂覆在衬底基片表面上，所述的活性氧化铝薄膜设置在上部电极和下部电极之间，活性氧化铝薄膜与上部电极、下部电极的界面处为一层通过电化学方法形成的具有自修复功能的阳极氧化膜。在缺陷消除与修复工序中，将电容器单元两端施加按一定幅度逐步增加的电压，直至施加的电压高于电容器单元的额定工作电压，并保持一段时间，形成稳定的阳极氧化膜层。
[0012]所述的下部电极和上部电极均为具有阳极氧化功能的导电薄膜，为Al、Ta、N1、Zn、W或Si薄膜中的一种。
[0013]所述的下部电极和上部电极的厚度相同，为200?300nm。
[0014]所述的活性氧化铝薄膜厚度为150?250nm。
[0015]所述的阳极氧化膜厚度为50?lOOnm。
[0016]—种固态薄膜电容器的制备方法，该方法是在衬底基片表面上依次制备一层或多层固态薄膜电容器单元，将制备好的电容器单元或电容器单元组合，通过绝缘介质进行封装固化，再进行两端引线，从而制得固态薄膜电容器，其中，所述的固态薄膜电容器单元的制备包括以下步骤:
[0017]a.将铝醇盐进行研磨，随后加入到醇醚溶剂中进行超声分散20?30min，并于70?80°C恒温搅拌0.5h?lh，再加入乙酰丙酮，70?80°C恒温搅拌0.5h?lh，加入冰醋酸，于90?10(TC恒温搅拌0.5h?lh，待反应结束后，逐渐冷却至室温，过滤，制得活性氧化铝溶胶前驱体；
[0018]b.采用蒸发镀膜法或磁控溅射法在衬底基片上制备一层下部电极；
[0019]c.将步骤a制得的活性氧化铝溶胶前驱体涂覆在步骤b制得的下部电极表面上，并进行热处理，制得活性氧化铝薄膜；
[0020]d.采用蒸发镀膜法或磁控溅射法在步骤c制得的活性氧化铝薄膜上制备一层上部电极，随后置于潮湿空气中，使活性氧化铝薄膜进行水合反应；
[0021]e.采用电化学处理法，在活性氧化铝薄膜与下部电极、上部电极界面分别进行阳极氧化反应，生成阳极氧化膜，从而制得固态薄膜电容器单元。
[0022]所述的铝醇盐为异丙醇铝，所述的醇醚溶剂为乙二醇乙醚、丙二醇乙醚或乙二醇丁醚中的一种。
[0023]所述的铝醇盐在醇醚溶剂中的浓度为0.4mol/L，所述的乙酰丙酮与铝醇盐为等摩尔比，所述的冰醋酸体积为醇醚溶剂体积的1/5。
[0024]所述的热处理的条件为150 °C处理IOmin, 350°C处理5min,450 °C处理IOmin,450 °C退火处理30min。
[0025]所述的水合反应条件为100%潮湿空气氛围，反应时间为10?20min。
[0026]所述电化学处理法，具体步骤是:将上部电极作为阴极，下部电极作为阳极，接入电路通电，利用活性氧化铝薄膜在电场下的离子输运，在活性氧化铝薄膜和下部电极的界面上发生阳极氧化反应，在阳极生成新的一层阳极氧化膜。由于缺陷处离子电导较高，在其附近形成的阳极氧化膜也更厚，从而实现了缺陷处的自修复。通过改变电场方向，在活性氧化铝薄膜和上部电极的界面上也同样生成阳极氧化膜，从而更好地实现了固态薄膜电容器单元中活性氧化铝薄膜的自修复。
[0027]与现有技术相比，本发明采用活性氧化铝薄膜作为电容器中的电介质，同时利用活性氧化铝薄膜在强场下活跃的离子输运，特别是电介质缺陷处附近的离子更为活跃，实现了与铝电解电容器中电解液作用相似的离子输运媒介，将离子输运至缺陷附近的电极界面实现阳极氧化，进而实现了缺陷的自修复。本发明具有以下特点:
[0028]1.结构和制备工艺简单，易大规模批量生产；
[0029]2.原料成本低廉，制备工艺简单，极大的降低了生产成本；
[0030]3.属于固态电容器，内部不存在电解液,安全和可靠性高；
[0031]4.工作电压高，根据需要可制作工作电压高于1000V的电容器；
[0032]5.储能密度较高，可微型化，小型化或应用于集成电路制造；
[0033]6.电容器具有自修复功能，能够实现工况条件下的自修复，极大的提高了电容器的可靠性和使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为本发明尚未进行缺陷消除与修复的电容器单元截面示意图；
[0035]图2为本发明具有阳极氧化膜的电容器单元截面示意图；
[0036]图3为固态薄膜电容器单元组成大容量电容器的电路示意图；
[0037]图4为纵向多个固态薄膜电容器单元组合的结构示意图；
[0038]图5为大容量固态薄膜电容器结构不意图；
[0039]图中标记说明:
[0040]1-下部电极、2-活性氧化铝薄膜、3-上部电极、4-阳极氧化膜、5-衬底基片。【具体实施方式】
[0041]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。[0042]实施例1
[0043]如图1所示，为本发明尚未进行缺陷消除与修复的电容器单元截面示意图，该电容器单元包括下部电极1、活性氧化铝薄膜2及上部电极3 ;如图2所示，为本发明具有阳极氧化膜的电容器单元截面示意图，该电容器单元包括下部电极1、活性氧化铝薄膜2、上部电极3、阳极氧化膜4及衬底基片5，所述的下部电极I涂覆在衬底基片5表面上，所述的活性氧化铝薄膜2设置在上部电极3和下部电极I之间，活性氧化铝薄膜2与上部电极3、下部电极I的界面处为一层通过电化学方法形成的具有自修复功能的阳极氧化膜4。在缺陷消除与修复工序中，将电容器单元两端施加按一定幅度逐步增加的电压，直至施加的电压高于电容器单元的额定工作电压，并保持一段时间，进而形成稳定的阳极氧化膜4。所述的下部电极I和上部电极3均为具有阳极氧化功能的导电薄膜，为Al薄膜。单层电容器单元的下部电极I和上部电极3的厚度相同，均为250nm，活性氧化铝薄膜2厚度为200nm ;阳极氧化膜4厚度为50nm，耐压值为200V，电容值为2.95nF。如图3所示，为本发明固态薄膜电容器单元通过并联组成大容量电容器的电路示意图；如图4所示，为尚未进行缺陷消除与修复的电容器单元通过串联组成的电容器结构示意图，组成部件包括下部电极1、活性氧化铝薄膜2、上部电极3及衬底基片5;如图5所示，为尚未进行缺陷消除与修复的电容器单元通过并联组成大容量电容器的结构示意图，组成部件包括下部电极1、活性氧化铝薄膜
2、上部电极3及衬底基片5。
[0044]固态薄膜电容器的制备方法，该方法是在衬底基片5表面上依次制备一层或多层固态薄膜电容器单元，将制备好的电容器单元或电容器单元组合，通过绝缘介质进行封装固化，再进行两端引线，从而制得固态薄膜电容器，其中，所述的固态薄膜电容器单元的制备包括以下步骤:
[0045]a.将0.02mol异丙醇铝进行研磨，随后加入到50mi乙二醇乙醚溶剂中进行超声分散20min，并于70°C恒温搅拌0.5h,再加入0.02mol乙酰丙酮，70°C恒温搅拌0.5h,最后再加入IOml冰醋酸，于100°C恒温搅拌0.5h，待反应结束后，逐渐冷却至室温，过滤，制得活性氧化铝溶胶前驱体；
[0046]b.采用蒸发镀膜法或磁控溅射法在衬底基片上制备一层下部电极；
[0047]c.将步骤a制得的活性氧化铝溶胶前驱体涂覆在步骤b制得的下部电极I表面上，并进行热处理，所述的热处理的条件为150°C处理10min，350°C处理5min，450°C处理10min，450°C退火处理30min，制得活性氧化铝薄膜2 ；
[0048]d.采用蒸发镀膜法或磁控溅射法在步骤c制得的活性氧化铝薄膜2上制备一层上部电极3，随后置于潮湿空气中，使活性氧化铝薄膜2进行水合反应；所述的水合反应条件为100%潮湿空气氛围，反应时间为IOmin ；
[0049]e.采用电化学处理法，在活性氧化铝薄膜2与下部电极1、上部电极3的界面上分别进行阳极氧化反应，生成阳极氧化膜4，制得固态薄膜电容器单元。所述电化学处理法，具体步骤是:将上部电极3作为阴极，下部电极I作为阳极，接入电路通电，利用活性氧化铝薄膜2在电场下的离子输运，在活性氧化铝薄膜2和下部电极I的界面上发生阳极氧化反应，在阳极生成新的一层阳极氧化膜4。由于缺陷处离子电导较高，在其附近形成的阳极氧化膜4也更厚，从而实现了缺陷处的自修复。通过改变电场方向，在活性氧化铝薄膜2和上部电极3的界面上也同样生成阳极氧化膜4，从而更好地实现了固态薄膜电容器单元中活性氧化铝薄膜4的自修复。
[0050]工作时，固态薄膜电容器采用活性氧化铝薄膜2作为电容器中的电介质，同时利用活性氧化铝薄膜2在强场下活跃的离子输运，特别是在电介质缺陷处附近的离子更为活跃，实现了与铝电解电容器中电解液作用相似的离子输运媒介，将离子输运至缺陷附近的电极界面实现阳极氧化，进而实现了缺陷的自修复。
[0051]实施例2
[0052]本实施例中，固态薄膜电容器单元的制备过程中，采用的醇醚为乙二醇乙醚，超声分散为30min，80°C恒温搅拌的时间为Ih ;加入冰醋酸后，90°C恒温搅拌Ih ;水合反应时间为20min,其余实验步骤条件同实施例1。
[0053]制得的固态薄膜电容器，下部电极和上部电极的厚度均为200nm，活性氧化铝薄膜厚度为150nm，阳极氧化膜厚度为50nm，其余同实施例1。
[0054]实施例3
[0055]本实施例中，固态薄膜电容器单元的制备过程中，采用的醇醚为丙二醇乙醚，超声分散为20min，80°C恒温搅拌的时间为Ih ;加入冰醋酸后，90°C恒温搅拌Ih ;水合反应时间为lOmin，其余实验步骤条件同实施例1。
[0056]制得的固态薄膜电容器，下部电极和上部电极的厚度均为300nm，活性氧化铝薄膜厚度为200nm，阳极氧化膜厚度为lOOnm，其余同实施例1。
【权利要求】
1.一种固态薄膜电容器，其特征在于，该电容器包括下部电极(I)、活性氧化铝薄膜(2)、上部电极(3)、阳极氧化膜(4)及衬底基片(5)，所述的下部电极⑴涂覆在衬底基片(5)表面上，所述的活性氧化铝薄膜(2)设置在上部电极(3)和下部电极(I)之间，活性氧化铝薄膜(2)与上部电极(3)、下部电极(I)的界面处为一层通过电化学方法形成的具有自修复功能的阳极氧化膜(4)。
2.根据权利要求1所述的一种固态薄膜电容器，其特征在于，所述的下部电极(I)和上部电极⑶均为具有阳极氧化功能的导电薄膜，包括Al薄膜、Ta薄膜、Ni薄膜、Zn薄膜、W薄膜或Si薄膜中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种固态薄膜电容器，其特征在于，所述的下部电极(I)和上部电极⑶的厚度相同，为200?300nm。
4.根据权利要求1所述的一种固态薄膜电容器，其特征在于，所述的活性氧化铝薄膜(2)厚度为150?250nm。
5.根据权利要求1所述的一种固态薄膜电容器，其特征在于，所述的阳极氧化膜(4)厚度为50?IOOnm0
6.一种如权利要求1所述固态薄膜电容器的制备方法，其特征在于，该方法是在衬底基片(5)表面上依次制备一层或多层固态薄膜电容器单元，将制备好的电容器单元或电容器单元组合，通过绝缘介质进行封装固化，再进行两端引线，从而制得固态薄膜电容器，其中，所述的固态薄膜电容器单元的制备包括以下步骤: a.将铝醇盐进行研磨，随后加入到醇醚溶剂中进行超声分散20?30min，并于70?80°C恒温搅拌0.5h?lh，再加入乙酰丙酮，70?80°C恒温搅拌0.5h?lh，最后再加入冰醋酸，于90?100°C恒温搅拌0.5h?lh，待反应结束后，逐渐冷却至室温，过滤，制得活性氧化铝溶胶前驱体； b.采用蒸发镀膜法或磁控溅射法在衬底基片上制备一层导电薄膜，作为下部电极； c.将步骤a制得的活性氧化铝溶胶前驱体涂覆在步骤b制得的下部电极(I)表面上，并进行热处理，制得活性氧化铝薄膜(2); d.采用蒸发镀膜法或磁控溅射法在步骤c制得的活性氧化铝薄膜(2)上制备一层导电薄膜作为上部电极(3)，随后置于潮湿空气中，使活性氧化铝薄膜(2)进行水合反应； e.采用电化学处理法，在活性氧化铝薄膜(2)与下部电极(I)、上部电极(3)的界面上分别进行阳极氧化反应，生成阳极氧化膜(4)，制得固态薄膜电容器单元。
7.根据权利要求6所述的一种固态薄膜电容器的制备方法，其特征在于，所述的铝醇盐为异丙醇铝，所述的醇醚溶剂为乙二醇乙醚、丙二醇乙醚或乙二醇丁醚中的一种。
8.根据权利要求6所述的一种固态薄膜电容器的制备方法，其特征在于，所述的铝醇盐在醇醚溶剂中的浓度为0.4mol/L，所述的乙酰丙酮与铝醇盐为等摩尔比，所述的冰醋酸体积为醇醚溶剂体积的1/5。
9.根据权利要求6所述的一种固态薄膜电容器的制备方法，其特征在于，所述的热处理的条件为150°C处理10min，350°C处理5min，450°C处理lOmin，450°C退火处理30min。
10.根据权利要求6所述的一种固态薄膜电容器的制备方法，其特征在于，所述的水合反应条件为100%潮湿空气氛围，反应时间为10?20min。
【文档编号】H01G4/10GK103971933SQ201410199268
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】姚曼文, 陈建文, 肖瑞华, 杨鹏飞, 胡保付, 姚熹 申请人:同济大学