電容器用金屬化薄膜及電容器

一、安徽賽福電子有限公司簡介

安徽賽福電子有限公司成立于2007年2月，專業生產電容器用金屬化薄膜及金屬化薄膜電容器。公司位于中華人民共和國安徽省銅陵市。

安徽賽福電子有限公司現擁有高真空鍍膜機3臺，高速薄膜分切機14臺，電容器生產線擁有多臺全自動卷繞機、噴金機、測試機及焊接、灌注設備。公司可以為全球客戶提供成品、半成品金屬化薄膜，交流電動機電容器、光伏風能電容器、焊機電容器、脈沖電容器、直流支撐電容器等。

安徽賽福電子有限公司擁有ISO9000質量體系認證、ISO14000環境體系認證、ISO18000職業健康體系認證，產品符合歐盟RoHS指令和REACH法規要求，電容器產品獲得了中國CQC、德國TUV萊茵、美國保險商實驗室UL認證。

二、安徽賽福電子有限公司有機介質薄膜的特點

安徽賽福電子有限公司能夠供貨的電容器用金屬化膜屬于高分子聚合物材料，目前可以供貨的有：聚丙烯薄膜和聚酯薄膜，前者多用于制造交流電容器和大型直流電容器，后者多用于制造小型直流電容器。

安徽賽福電子有限公司所生產的電容器用金屬化膜，電介質為有機介質薄膜，其特點如下：

1）薄膜純度的提高

有機介質薄膜是高分子聚合物，其分子的聚合程度和分子構型受催化劑、穩定劑和聚合工藝的影響很大，現代制造技術已經能保證分子聚合度適當，分子量的分散性較小，并且在聚合時單體是首尾相接，形成全同或間同立構，分子端基符合單體端基，其異構分子很少。此外，所含雜質分子很少。這樣，從分子級別保證了電工薄膜的純度和均勻一致性。

2）薄膜結構的改善

有機介質薄膜在很大程度上是由全同分子聚集而成的。由于分子間存在較大的次價鍵力，所以分子趨向密堆積，導致有機薄膜的結晶度都比較高。為了滿足薄膜的電學性能，要對薄膜中的晶向區和非晶向區進行一定方向的取向。

安徽賽福電子有限公司使用的光膜采用雙向拉伸的方法，它的表面形貌，有點類似于橙皮的網狀結構，在網的結合部為變形的球粒狀，是由取向的晶區構成，而各晶區則是相當程度取向的非晶區相連。

薄膜取向后，其均勻性變好、結晶度提高、熔點上升，并且限制了分子鏈段的熱運動（特別是處在非晶區中的部分）。因此，對薄膜進行取向，可以提高耐壓強度，降低損耗，提高電阻率。

3）薄膜厚度的減小

電容器用薄膜的一個重要發展方向就是：在保證薄膜結構（分子聚集和取向）均勻一致性的前提下，其最小厚度有了大幅度的減小。安徽賽福電子有限公司可批量提供的聚丙烯膜最小厚度已達到2.0μm，聚酯膜厚度達到1.9μm，并且還有減薄的趨勢。

與此同時，隨著薄膜性能的提高，電容器所使用的介質膜厚度也隨之減小，使電容器體積減小。

4）薄膜表面處理

    根據薄膜用途對電容器表面進行處理。安徽賽福電子有限公司就可以提供兩種聚丙烯電工膜—光膜和粗化膜。電容器用金屬化聚丙烯膜的基膜為光膜。而耐壓為幾KV到幾十KV的電力電容器，使用的是粗化膜和鋁箔配合的方法，粗化膜能提高電容器芯子的浸漬能力，提高電容量，增加穩定性。

三、安徽賽福電子有限公司金屬化膜電容器工作場強的確定

制造性能優良、成本可控的金屬化膜電容器主要由選用的金屬化薄膜基膜的厚度、耐溫性以及金屬電極的材料、厚度、型式所決定。

安徽賽福電子有限公司在電容器設計時從下列原則來確定電介質的厚度：

1、 在過電壓的短時（1秒~1分）作用下，電容器不應發生電擊穿；

2、 在工作電壓下，在其可靠工作期限內，電容器不能發生擊穿；

3、 電容器沒有發生熱擊穿的可能性，并且要保證電容器的內部溫度低于介質所允許的最高溫度。

因為極板間介質所承受的電場強度及介質的面積遠大于其他絕緣層，所以合理的確定或選取電介質的工作場強是電容器設計的核心問題。

工作場強通常是根據介質材料的性能和質量、電容器的生產工藝水平、試制品的快速老化（即加速壽命）試驗數據以及實踐經驗等因素，加以綜合分析后確定。

從可靠性的觀點出發，選擇的工作場強裕度是越大越好。但考慮到經濟指標，選擇的工作場強只要能滿足電容器的設計要求就可以了。

 

四、安徽賽福電子有限公司金屬化層的材質和結構

4.1 金屬化電極材質

金屬化薄膜電容器制造工藝上的一個重大進步是電極金屬化。金屬化電極使電容器有了自愈能力提高了可靠性，縮小了電容器體積并減輕了重量，防止了電容器低電壓下失效，有利于電容器串聯使用，并降低了電容器制造難度。

金屬化膜電容器具有自愈功能，在電容器發生局部擊穿時，通過金屬化層的自愈能快速恢復電容器的性能，提高了電容器的可靠性。自愈從機理上可分為放電自愈和電化學自愈兩類。

在金屬化薄膜上通常都存在疵點（金屬化疵點、半導體疵點、劣質絕緣性疵點或氣孔）。在對電容器施加的電壓達到一定程度時，離疵點很近的區域中產生的焦耳熱能將該區域的金屬化層熔化，引起電極間在此處飛弧。電弧很快蒸發和拋散掉該區域的熔融金屬，形成無金屬的絕緣隔離區，電弧熄滅，實現放電自愈。應保證放電自愈的時間很短、自愈能量較小、對疵點隔離優良、沒有損傷到介質。如果做不到這些，會發生過度自愈，輕者使電容量大大下降，嚴重的能使電容器失效。

金屬化膜的蒸鍍金屬如果容易形成氧化物絕緣層（如鋁金屬化膜），用其制造的電容器在較低的電壓下會發生電化學自愈，在疵點周圍形成的是該金屬的氧化物。電化學自愈持續時間較長，會使電容器在較低的電壓下就提前電容量超標失效。

安徽賽福電子有限公司可批量提供的鋁金屬化膜和鋅鋁復合金屬化膜。

鋁在氧化后能形成較致密均勻的氧化膜并阻止鋁的進一步氧化，所以鋁金屬化膜的保存期長也不需要特別的包裝。這使鋁膜在生產電容器時得到了大批量的使用。但是使用鋁金屬化膜制造的電容器在使用過程中，鋁層的邊緣和內部會轉化成不導電的氧化鋁，，使電容量下降，加上電化學自愈的影響，使電容器可能在較低的電壓下就造成電容量損失超標。

鋅鋁復合膜擁有鋅膜和鋁膜的優點，又在很大程度上解決了兩者的缺點。鋅鋁復合膜有層狀復合和合金化兩種形式?？紤]到鋅和鋁電位差，合金化形式較好。鋅鋁膜中以鋅為主，金屬化膜的表層鋁的含量較大（但還是比鋅少），能形成一層密實的氧化鋁膜，對金屬化層起保護作用，能防止進一步氧化，金屬層中部鋁的含量很少，與基膜接觸層鋁的含量又多起來，可以防止低沸點的鋅從膜上再蒸發，增強金屬化層的附著。

鋅鋁復合膜自愈性能優良，鋅鋁復合膜的方阻約為7.5Ω/□，鋁膜的方阻約為3.0Ω/□，鋅鋁復合膜金屬化層的厚度比鋁膜大約小一半，所以鋅鋁膜自愈時間較短，所需要的能量也比鋁膜小的多，自愈的恢復也快，形成過度自愈的可能性較小。因不發生電化學自愈，鋅鋁復合膜使用過程中，電容量損失少，壽命較長?，F在使用的鋅鋁復合膜一般采用邊緣加厚型式，能降低芯子端面與噴金層的接觸電阻，提高電容器承受脈沖電流的能力，電容器損耗較小。鋅鋁膜的工作場強通常比鋁膜高。

下面是鋅鋁膜的成分分析結果，第一張是膜的電子圖像：

圖1  鋅鋁膜電子圖像

第二張是頻譜圖：

圖2  鋅鋁膜頻譜圖

對薄膜所含元素分析數據如下表，因為聚丙烯基膜含量比金屬層多，所以元素含量中較多的是碳和氧，在金屬化層材料中可以看出鋅的含量比鋁多。

表1  鋅鋁膜成分表

元素	重量百分比	原子百分比
C	102.47	96.91
O	2.77	1.97
Al	0.67	0.28
Zn	4.82	0.84
總量	110.73	100

4.2 金屬化電極結構

4.2.1 金屬化層厚度

金屬化聚丙烯膜是在聚丙烯基膜上蒸鍍上一層很薄的金屬化電極而形成的，金屬化電極厚度為幾十nm，在實際使用是用方阻（方塊電阻，單位為Ω/□）來表示電極厚度。方阻越大，說明金屬化層厚度越小。

經過多年發展，鋅鋁復合膜的電極結構已進行了多次改進和嘗試。鋅鋁復合膜金屬化電極的厚度不是相等的，中間活動區方阻常見值為6~10Ω/□，而邊緣區金屬化層金屬層厚度加大，方阻變小，大約在為2~3/□左右。邊緣加厚層能有效增加噴金層和金屬化膜的接觸強度，降低損耗不良的比率。

金屬化膜具有自愈特性，適當提高金屬化膜的自愈性能，當電容器局部擊穿時，可以通過自愈來阻止性能劣化，電容器壽命會得以增加。

4.2.2 隔離安全膜

為了追求更高的安全性，部分電容器帶有防爆裝置，可在電容器發生過度自愈導致可能的爆裂著火前，切斷電容器的電源（或隔離過度自愈區），從而保證電容器的使用安全。安徽賽福電子有限公司所制造電容器擁有安全裝置有：帶機械式防爆裝置的CBB65電容器、帶溫度保險絲的燈具電容器和使用隔離安全膜的CBB60、CBB61電容器等。

因機械防爆結構應用在小容量電容器上，會出現電容器體積較大，成本較高的缺點。于是出現了使用隔離安全膜制造的電容器。它是用均勻分布在薄膜金屬化電極面積內的許多微型保險絲來代替了單個的機械防爆裝置。在制造金屬化薄膜時使用油屏蔽技術，將金屬化層分成許多小塊的通過微型保險絲相連接的區域。當某小塊區域要發生過度自愈時，該區域的微型保險絲自動斷開，切斷與電容其他部分的聯系，保證了電容器本身的安全，起到了防爆的作用。安全膜常見的類型有網格狀結構、T型結構、六邊形結構、強化保險絲結構等，它們結構有所不同，但原理一致，效果也差不多。下圖為最常見到網格狀結構安全膜的示意圖。

圖3  網格狀結構安全膜示意圖

隔離安全膜電容器應用小容量電容器的場合時，具有相當大的優點。比起采用機械防爆裝置的電容器有體積小，成本低的特點，可以采用制造CBB60、CBB61型電容器的工藝（環氧灌封）來制造電容器，制造難度小，生產門檻也隨之降低?？梢允乖瓉聿粠в蟹辣δ艿?/span>CBB60、CBB61型電容器具備防爆能力，提升它們的安全性能。

但是，隔離安全膜電容器的缺點也是極為明顯的。從原理來看，安全膜電容器是用隔離自愈區域來保障安全的，長期使用后電容器的容量衰減比一般的金屬化膜電容器要大。

4.2.3 蒸鍍時金屬屏蔽方法

     聚丙烯基膜上的金屬化不是布滿基膜表面的所有區域，膜上的留邊區和隔離安全膜的花紋都是沒有金屬的。

     防止這些區域蒸鍍上金屬的屏蔽方法有兩種：一種是鋼帶屏蔽，使用鋼帶將不該蒸鍍的區域遮蓋起來；另一種是油屏蔽，在蒸鍍前膜涂上花紋，這樣有油區域金屬就無法付著了。     鋼帶屏蔽因屏蔽邊緣可能存在毛刺，自愈點較多，對電容器性能有影響，安徽賽福電子有限公司生產的金屬化薄膜為油屏蔽。

五、安徽賽福電子有限公司電容器的耐溫性能

5.1 對電容器耐溫性的特別要求

電容器在超過其最高運行溫度下工作，電容器使用時間會減少。電動機電容器最高運行溫度一般為70℃即可。這是因為我國大部分地區夏天最高氣溫一般為40℃左右，電容器雖然是無源元器件，但還是有一些損耗的，本身產生一些熱量，經測量電容器工作時外殼溫度比工作環境溫度一般高出幾度到十幾℃，而電容器芯子內部比外殼又要高出幾度到十幾℃。這樣電容器最高運行溫度定為70℃是比較合適的。

但根據安徽賽福電子有限公司多年的市場經驗，在中東、東南亞、非洲等地，交流電動機電容器失效率明顯高于中國、歐洲和北美。經分析，這些地區位于沙漠戈壁或熱帶地區，安裝在室外的電容器工作環境最高可能會超過50℃。如果繼續使用最高運行溫度為70℃的電容器，壽命性能就不能得到可靠保證。在這些地區應該采用耐溫性更高的電容器，如耐溫性為85℃的電容器。

在燈具中使用時，因電容器安裝在燈具旁邊，工作環境溫度更高，根據具體使用環境不同，需要采用耐溫性為85℃或105℃的電容器。

金屬化膜使用在安規電容器或線路板上時，因為電容器組裝到線路板上需要波峰焊或回流焊，耐受溫度高，需要耐溫105℃或以上的電容器。

聚丙烯本身的耐溫性并不是很好。根據安徽賽福電子有限公司多年制造金屬化薄膜及電容器的經驗，常規的電工聚丙烯薄膜的長期最高運行溫度也就是70℃左右。要獲得耐溫性更好的電容器用聚丙烯薄膜，必須對聚丙烯性能進行改性。為了探討如何改進電容器耐溫性，我們從聚丙烯結構、雙向拉伸聚丙烯薄膜的原料、薄膜制造工藝來進行分析。

5.2 聚丙烯的立體結構

根據高分子鏈立體結構不同， 聚丙烯有三個品種：等規聚丙烯（IPP，全同）， 間規聚丙烯（SPP，間同）和無規聚丙烯（APP）。

無規聚丙烯（APP）具有熔點低， 結晶度低， 溶解性好， 抗濕性及抗化學腐蝕性好等特點。它的主要用途是：用作熱熔膠粘劑及一些涂料的有效組分；作聚合物加工助劑、增容劑等；以及用作制造建筑用的復合材料，例如改性水泥、改性瀝青、防水卷材等。

間規聚丙烯（SPP）是一種低結晶性材料， 結晶度約為IPP的一半， 其剛性和硬度雖然只有IPP的一半， 但沖擊強度是IPP的兩倍。SPP的耐熱性不如IPP， 但SPP質地柔軟， 密度低， 低溫熱封性、透明性、透氣性、光澤感要好。它的主要用途是：注塑片材、薄膜、中空吹塑成型等。

等規聚丙烯（IPP）與SPP相比，剛性好，硬度高，強度高，耐熱性好， 能在1100C左右長期使用， 與聚乙烯比較，堅韌、耐磨、耐熱，并有卓越的介電性能和化學惰性。 低溫下會變脆。它的主要應用是：管材、板材；單絲、扁絲、捆扎繩；薄膜、包裝袋；纖維等。

等規聚丙烯的結晶性能如下：

α晶型: 屬于單斜晶系， 在138℃左右產生， 是最穩定的結構， 熔點為180℃；

β晶型: 屬于六方晶系， 在128℃以下產生， 熔點是145~150℃， 熔點以上處理時轉化成α晶型；

γ晶型: 屬于三斜晶系， 熔點170℃， 只有在分子量低時才能見到；

d晶型: 在含有無定形成分較多的試樣中可見到這種晶型;

擬六方晶型也叫次晶結構， 等規聚丙烯熔融后急冷至70℃以下，或在70℃以下進行冷拉伸， 就會生成擬六方晶型。這種晶型是不穩定的， 70℃以上熱處理轉變為α晶型。

三種聚丙烯的立體結構如下圖：

圖4 聚丙烯立體結構圖

5.3 電容器用雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜的原料及其要求

   BOPP薄膜的優點為：可實現微薄化，這樣可實現電容器的小型化、輕量化；可實現粗面化，制成高容量的浸油型電力電容器，這是現今電容器發展的一個方向；介電損耗小，這是能長效穩定工作的主要因素；介電常數不隨頻率變化而變化，這是其在交頻電容器中占主要地位的主要因素；防潮性能優良，不吸水；價格較便宜。

5.3.1 等規度

等規度即聚丙烯中等規立構聚丙烯部分所占的百分含量。等規立構部分對分子結晶有較大影響，而無規立構部分則起內潤滑作用，有利于定向。若等規度過高，薄膜的機械性能有所提高，手感較挺，但其厚度均勻性不易控制，橫向拉伸過程中破膜的次數會增加；若等規度過低則薄膜的透明性有所提高，但會使薄膜變軟而不挺，另外收卷后成品膜在存放過程中易發生粘膜現象。安徽賽福電子有限公司生產經驗表明，原料粒子的等規度在95~97%之間效果最佳。

5.3.2 灰份

灰份對電工薄膜的性能影響至關重要?；曳莺繎∮?/span>50ppm。

5.3.3 揮發分

若聚丙烯原料的揮發分過高，則其在加工過程中會受熱釋放出來，嚴重污染環境和設備， 進而間接污染薄膜，造成薄膜卷繞后發生粘膜現象。

5.3.4 熔融指數（MFI）

要求原料的MFI波動范圍最好控制在0.2g/10min內， 這樣有利于工藝控制，還可提高成膜穩定性。

5.3.5 分子量分布

分子量分布愈寬，聚合物的結晶性降低，樹脂的延展性提高，有利于高速加工。電工薄膜原料的分子量分布要求在4～5。

5.4雙向拉伸聚丙烯膜的生產

5.4.1 生產工藝

生產聚丙烯電工薄膜有兩種方法：平膜法和管膜法。平膜法生產速度高，可生產寬幅膜，膜的平整性好，厚度可控范圍大，但設備費用高，邊料損耗大，縱橫向性能差異大。管膜法正好相反。目前在電容器用聚丙烯膜生產中占主導地位的是平膜法雙向拉伸工藝，下面是工藝流程：

PP樹脂→塑化擠出→計量擠出→過濾→片材擠出成型→片材冷卻定型→縱向拉伸→橫向拉伸→熱定型→冷卻定型→β線測厚→電暈處理→收卷→靜置→分切→檢驗→成品

5.4.1.1 擠出

片材厚度均勻性由計量泵的轉數，冷卻輥的轉數及機頭口膜的間隙大小進行控制。片材內部結晶性由溫度、壓力控制，生產粗化膜要增加片材內部β晶型含量。

5.4.1.2 縱向拉伸

拉伸比太小，會引起縱向厚度不均勻；拉伸比太大，會使邊角撕裂強度低，橫向拉伸時破膜，不能正常生產。拉伸比通?？刂圃?/span>4.5~5.0之間。片材預熱要均勻。

5.4.1.3 橫向拉伸

常常把橫向拉伸、熱定型、冷卻定型等工藝統稱為橫向拉伸。在保證薄膜拉伸穩定進行的情況下，拉伸溫度應盡可能低，使薄膜的厚度公差減小。橫拉箱加熱風的速度在同一橫截面控制均勻一致，一般不能大于％的誤差，上下風壓應相同，橫拉幅越寬，風壓誤差應越小。熱定型工藝段要形成一個最高的結晶速率，以最快的速度完善結晶，以減少產品在以后的生產和存放過程中分子鏈段繼續結晶而產生內應力，聚丙烯的最大結晶速率溫度為120~150℃。

5.4.2 聚丙烯膜的生產條件

聚丙烯電工膜的生產條件要求在恒溫恒濕下進行，且廠區的凈化條件要求比較高，一般區域要求10萬級凈化，普通BOPP車間不能生產電工薄膜。若環境溫濕度過高，薄膜表面電阻降低，有利于靜電的泄露與消除，但其卷繞后因薄膜溫度及層與層之間溫濕度較高，導致產品長期存放后易發生粘膜現象。環境溫度在25~29℃，濕度在50~60%之間較好。

5.4.3 聚丙烯拉伸過程中的取向

為了制得理想的強化薄膜，拉伸取向過程中，溫度、拉伸比、拉伸速度等工藝參數的控制非常重要。BOPP雙向拉伸通常在玻璃化轉變溫度Tg至熔融溫度Tm之間進行，在給定的拉伸比和拉伸速度下，適當降低拉伸溫度，分子伸展形變會增大，粘性變形就會減小，有助于提高取向度；但過低的溫度會降低分子鏈段的活動能力，不利于取向；在熱拉伸取向的同時，也存在著解取向的趨勢，因此拉伸之后應迅速降低溫度，以保持高分子鏈的定向程度。一般來說，在正常的生產溫度下，取向程度隨拉伸比的增大而增加，而隨拉伸速度的增加，拉伸應力作用的時間縮短，從而影響取向的效果。

5.4.4 聚丙烯拉伸過程中的結晶

聚丙烯結晶貫穿著從熔體擠出到時效處理等BOPP生產的整個過程。為了提高成膜性，聚丙烯擠出時采用驟冷鑄片，以控制結晶的生成，降低結晶度；在雙向拉伸時要求結晶速度較慢，以利于拉伸取向，較早、較快的結晶和較大的結晶顆粒都有可能導致破膜；在橫拉后熱處理定型階段，為了提高剛性和強度，要求產生并加速結晶。

5.4.5聚丙烯拉伸過程中取向與結晶的關系

雙向拉伸過程中的結晶有著高聚物聚集態結構特殊性的一面，存在取向與結晶互生現象，即取向導致結晶，結晶中有取向。拉伸取向引起晶片傾斜、滑移延展，原有的晶片被拉伸細化，重排為取向態，形成取向的折疊鏈晶片、伸直鏈晶或球晶轉變為微纖晶狀結構等。因此薄膜的綜合性能進一步得到強化。如研究表明，拉伸取向導致分子鏈規則排列，產生均相晶核，誘導拉伸結晶，形成串晶互鎖結構，可以大大提高取向方向聚丙烯的力學性能；雙向拉伸也可以使聚丙烯中可能產生的較大顆粒晶體破碎，從而減小晶體尺寸，提高透光率，降低霧度。如聚丙烯經雙向拉伸后，霧度下降50%。

5.4.6 取向和結晶對BOPP性能的影響

薄膜中聚丙烯的結晶度和晶體尺寸對BOPP薄膜的機械力學性能和光學性能有重要影響。結晶度高則強度高，韌性差；晶體尺寸小而均勻，有利于提高薄膜的力學強度，耐磨性、耐熱性，提高薄膜的透明度和表面光澤度。

從結晶的角度來看，要生產高質量的BOPP薄膜，應盡量減小聚丙烯晶體的尺寸，一般可以從兩個方面考慮，其一，工藝調整，如各段的冷卻速度、溫度、拉伸比、拉伸速度等；其二是配方，如主料聚丙烯的選擇、成核劑的使用等。

在聚丙烯高性能工程化和透明改性方面，如何使聚丙烯結晶微細化、均質化也是重要改性途徑之一。