电容器用金属化聚丙烯薄膜制造工艺改进研究

黄 伟 东

（佛山易事达电容材料有限公司，广东 佛山 528000）

电容器用金属化聚丙烯薄膜制造工艺改进研究

黄 伟 东

（佛山易事达电容材料有限公司，广东 佛山 528000）

随着金属化薄膜电容器不断向小体积、高可靠、高性能方向发展，所需金属化薄膜的性能质量也随之提高。介绍了电容器用双向拉伸聚丙烯薄膜的加工成型方法和电容薄膜真空蒸镀工艺技术。通过调整金属化镀层结构、蒸发抗氧化油保护层及薄膜表面特殊处理这三种蒸镀工艺处理方法，可改善电容器在高温、高湿测试条件下金属层的腐蚀。采用锌加厚高方阻铝膜的蒸镀方式，能适应直流支撑电容器高耐压、高纹波电流的要求。

聚丙烯薄膜；双向拉伸；真空蒸镀；超级偏压；安全膜；电容器

20世纪80年代，我国企业通过引进金属化聚丙烯薄膜真空镀膜制造技术和设备，不断消化和吸收国外先进技术，并结合实际生产过程进行技术改进，生产制造水平得到了很大提升。随着现代科技和工业的发展，用户对金属化薄膜电容器的安全性及可靠性提出了更高的要求，金属化聚丙烯薄膜作为此类电容器的关键材料，提高其性能质量至关重要。

本文分别介绍了电容器用双向拉伸聚丙烯薄膜的加工成型方法和薄膜真空蒸镀工艺技术；针对薄膜电容器在高温、高湿测试条件下金属层发生腐蚀及如何提高直流支撑电容器耐电压、过纹波电流能力两个问题上进行分析，并从真空蒸镀工艺技术上提出改进方法。

1 电容器用聚丙烯薄膜加工成型方法

目前聚丙烯电工薄膜加工成型方法主要有逐次双向拉伸平膜法和同时双向拉伸平膜法。同时双向拉伸平膜法因设备复杂、制造困难、价格昂贵、边料损失多等问题，目前尚未得到大规模采用。而逐次双向拉伸平膜法设备成熟、生产效率高、适于大批量生产，被绝大多数企业所采用。

逐次双向拉伸平膜法的制造过程是：原料在挤出机内熔融，通过机头挤出成片状，再通过冷压辊形成片材，片材经过纵向拉伸机，由于辊筒的转速差使片材受到纵向拉伸，然后再通过横向拉伸机进行横向拉伸。

同时双向拉伸平膜法的制造过程是：将挤出的塑料片材在一台拉伸机内，同时完成纵向、横向拉伸、冷热处理制成薄膜。这种方法中，挤出的片材在拉伸机的进口处被夹具夹住，然后借助于夹具同向、同步的运行，使片材在预热区内充分预热，在拉伸区内，借助于夹具的扩幅及有规律地逐渐增大夹间距的运动，实现薄膜同时纵向、横向拉伸取向。最后经过热处理、冷却完成整个制膜[1]。

同时双向拉伸平膜法采用一次性双向拉伸取向，薄膜在拉伸时不与任何辊筒接触，因此不受辊面质量的影响，可以制得无划伤的薄膜。用这种方法拉伸时，片材受到夹具的限位作用，片材不会产生颈缩，对提高薄膜厚度均匀性十分有利。该方法容易生产纵横两方向拉伸比要求不同的薄膜，当然也能够生产两方向拉伸比相同的薄膜。2015年我国引进首条用于生产电容器用聚丙烯薄膜的同时双向拉伸生产线，此制膜法对后续稳定生产超薄型聚丙烯薄膜（薄膜厚度小于3 μm）材料十分有利。在薄膜电性能方面，与逐次双向拉伸平膜法相比差异不大，后续仍有待改进。

2 电容薄膜真空蒸镀工艺技术

2.1 真空蒸镀原理

在真空室内借助发热蒸发源使蒸镀材料蒸发，被蒸发的材料通过真空自由运动；当蒸发材料接触基材表面，就会冷却并形成镀层。

如图1所示，金属原子从蒸发源到达被蒸镀的有机薄膜表面被吸附，与有机薄膜表面结合，同时与后续来的金属原子直接碰撞，致使它们互相结合，成为大小不同的小原子团。这些原子团可以在表面扩散，吸附其他的原子进行生长。由于金属原子不断从蒸发源到达有机薄膜表面，原子团逐渐长大，当长大到原子团的内能随着原子团体积的增大开始变小以后，原子团就难以自行分解，形成比较稳定的团——晶核。晶核迅速长大成微小晶体，又很快相互结合成金属小岛、金属大岛、金属化片区，最终形成连续的金属层[2-3]。

2.2 超级偏压

在真空条件下，金属铝、锌经加热气化沉积在有机薄膜表面被吸附[4]，在此过程中，来自蒸发源的辐射热量和金属原子沉积在有机薄膜表面瞬间的相变潜热，对有机薄膜会造成过热损伤的危险，从而影响蒸镀后的金属化薄膜电气性能，严重时会造成金属化薄膜受热变形，因此，蒸镀过程中确保有机薄膜的良好冷却至关重要。

图1 金属化薄膜形成过程Fig.1 Metallized film formation process

普通型电容器薄膜真空镀膜设备配置的是旧式偏压装置，其工作原理是：在蒸镀鼓与测量辊之间施加直流电压，使得薄膜在电场力作用下贴附蒸镀鼓，以达到薄膜冷却的效果。旧式偏压方法在蒸镀厚度较薄的聚丙烯薄膜（4 μm以下）过程中，难以避免会出现漏电流问题，此漏电流瞬间引起直流电源输出电压不稳定，从而影响金属化薄膜质量。超级偏压系统以静电吸附方式工作，不存在类似旧式偏压装置的问题。因此，使用超级偏压系统所蒸镀的金属化薄膜质量更稳定，电性能更优越，尤其有利于蒸镀3 μm以下的超薄聚丙烯薄膜。

超级偏压由预处理模块、电子抢、后处理模块三部分组成。预处理模块可中和卷材上的所有电荷，并激活卷材表面，提高镀层质量。电子枪在卷材和蒸镀鼓之间产生静电荷，使卷材与蒸镀鼓达到很高的粘附强度。这样可增强从卷材到蒸镀鼓之间的热传导，从而使卷材得到更佳冷却。电子束喷枪也可激活卷材表面，提高镀层质量。后处理模块利用等离子中和卷材上的所有电荷，将卷材上的电子清除。真空蒸镀时以上三部分模块也可分别使用。

（1）预处理模块

等离子处理如图2所示，以较低的气压将工艺气体（氧、氮）送入真空室。在辉光电极和反电极之间施加高电压，从而点燃等离子，以较低的能级用于等离子预处理，在辉光电极上产生溅射。卷材位于等离子之间，因此，遭受气体离子与电子的轰击。通过这种方法，可将脏物颗粒和水分子从卷材表面清除。真空泵将从卷材表面清除出的颗粒再从真空室清除。采用辉光放电对卷材进行表面处理然后进行金属蒸镀，这种方法可明显提高基材表面与金属镀层的粘结质量[5]。

图2 等离子处理Fig.2 Plasma treatment

实验结果证明：处理强度增加，聚丙烯膜中引入的极性基团数量越多。反应性气体（O2）比非反应性气体(Ar)更能有效引入极性基团。由图3可见，从表面形貌上看，薄膜在被等离子体处理后，表面变得粗糙。

图3 PP膜处理前后SEM照片Fig.3 PP film SEM images before and after plasma treatment

（2）电子枪

电子束喷枪用于在薄膜表面产生静电荷，这可大大提高薄膜与蒸镀鼓之间的粘附强度，进而增强从薄膜到蒸镀鼓的热传导，可使薄膜更快冷却，从而达到更高的蒸镀速度。电子束喷枪还可进一步激活薄膜表面，提高薄膜与镀层的粘结强度，使得金属镀层更加致密。由图4可见，两种偏压方式相比较，使用超级偏压蒸镀膜的镀层结构更加致密。

图4 普通偏压与超级偏压镀层结构Fig.4 Bias and super bias coating structure

（3）后处理模块

后处理模块利用等离子中和薄膜上的静电荷，将薄膜上的电子清除。后处理模块的主要部件为直流磁控阴极，该模块安装于蒸镀模块的下游，可在线对薄膜进行处理。等离子后处理所需的工艺气体为氩气。

3 应用与讨论

3.1 真空蒸镀特殊工艺处理

实际使用中，薄膜电容器的性能老化及失效是由温度、湿度和电应力等综合因素所致。当有潮气存在时，电压还会引起电解，加速老化过程。高温高湿环境(比如85 ℃，85%RH)对电容器的电性能影响更为显著，从而导致产品失效率增加，可靠性降低[6-7]。图5为解剖的失效品芯子，金属镀层出现腐蚀现象。为提高产品质量，进行如下工艺改进。

图5 经测试后金属化镀层腐蚀Fig.5 Metal layer corrosion after testing

（1）按照图6的镀层结构，调整边缘位置镀层厚度，降低边缘场强，减少金属化薄膜镀层腐蚀后退现象[8-9]。

图6 屏蔽边缘镀层加厚Fig.6 Margin side heavy edge

当电容器在交流电压下工作时，电场在金属层边缘会产生畸变而增大，与其他部位相比更容易发生电晕放电或击穿，若极板边缘又有空气、水分存在，则边缘的电晕放电更容易发生，会引起金属化薄膜留边处金属层的腐蚀后退[10-11]。电场畸变区域随电极厚度的增加而有所减少，即方阻高时其电场畸变程度较严重[12-13]。图 7是电极边缘退化图片，其中图7(a)方阻为R1，图7(b)为方阻R2，R1=2R2，图7(a)的电极退化程度比图7(b)严重。

（2）金属化薄膜表面蒸发抗氧化油保护层，增强金属层抗氧化能力。

（3）利用超级偏压对金属化薄膜进行特殊表面处理，使得电容器制造时芯子更紧密，有利于改善交流局部放电及电腐蚀的发生。

图7 电极边缘退化Fig.7 Edge of electrode degradation

通过以上真空蒸镀工艺处理的金属化聚丙烯薄膜所制得的电容器，使用薄膜厚度为 7 μm，在85 ℃，85%RH，1000 h，施加交流电压305 V的测试条件下，能够有效避免金属层腐蚀，表1数据显示容量变化值ΔC/C≤5%，满足测试要求。

表1 85 ℃, 85%RH，1000 h测试数据Tab.1 85 ℃, 85% RH, 1000 hours test data

3.2 高方阻铝膜锌加厚金属化聚丙烯薄膜

直流支撑电容器属于大容量电容器，耐电压要求高，采用聚丙烯薄膜直接卷绕一个大容量芯子，其电极总长度很长，难以避免聚丙烯薄膜中弱点对大容量电容器耐电压的影响，而且容量越大，产生自愈时的能量越大，容易出现电容器击穿问题发生[14]。另外还需要电容器的耐纹波电流能力强。因此，在金属化薄膜镀层蒸镀方式上必须考虑耐电压及瞬间的过纹波电流能力这两个问题[15-16]。采用高方阻铝膜锌加厚的蒸镀方式应用在直流支撑电容器材料上，能适应高耐压及高纹波电流的要求。

如图8所示，在金属镀层设计上，有效区蒸发高方阻的铝镀层结构（方阻值25～55 Ω/□），而加强区使用宽加强区渐变形式（方阻值2～4 Ω/□）并蒸发锌铝合金[17-18]。

为进一步提高直流支撑电容器的安全性能及耐纹波电流能力，在金属化薄膜设计上，采用安全防爆膜[19]及波浪边技术，以提高电容器的安全性及稳定性。

图8 高方阻铝膜锌加厚金属化膜Fig.8 High resistance metallized film

目前常用的安全膜图案结构分别有网状结构、T型结构。电动汽车直流支撑电容器一般采用3 μm以下的超薄聚丙烯薄膜材料，在安全膜设计上则采用图9所示的方格状图案，具有容量损失小、安全性能高的特点。

图9 方格状安全膜Fig.9 Square shape pattern film

4 结论

（1）本文分别对电容器用双向拉伸聚丙烯薄膜的加工成型方法和薄膜真空蒸镀工艺技术进行了介绍。使用超级偏压所蒸镀的金属化薄膜质量更稳定，电性能更优越。

（2）通过调整金属化层边缘位置结构、蒸发抗氧化油保护层及薄膜表面特殊处理这三种蒸镀工艺处理方法，可改善电容器在高温高湿条件下金属层腐蚀现象。

（3）采用高方阻铝膜锌加厚的蒸镀方式，能适应直流支撑电容器高耐压、高纹波电流的要求。

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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

黄伟东（1978－），男，广东佛山人，工程师，主要从事技术质量管理工作，E-mail: 624251725@qq.com 。

时间：2017-06-29 10:23

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