[发明专利]改善聚合物介电性质的方法和相关制品及器件

说明书

技术领域

本发明通常涉及处理聚合物以提高其介电性质的方法，本发明还涉及包含经处理聚合物层的制品。

背景技术

具有高电阻率、高介电常数、低损耗因数和高电场击穿强度(Vb)的聚合物作为电介质在电子器件(如电容器)中具有重要应用。电子工业受成本和性能驱动，对材料降低成本和改善可靠性和性能的需求不断增加。聚合物基器件长期受到关注，因为与聚合物薄膜挤出或溶液流延相关的制造技术可很容易与薄膜金属化技术组合，以得到柔韧且经济的器件并且可制成很大电子器件。

聚合物薄膜，如聚碳酸酯、聚丙烯和聚酯，一直是制造千伏范围操作所用薄膜静电电容器选择的绝缘介质。由于其内在的低介电损失、极佳的高频响应、低损耗因数(DF)、低等效串联电阻(ESR)和高电压能力，聚合物基电容器一直是很多电力电子和脉冲电力应用选择的电容器。聚合物基电容器没有利用所施加电压的电容系数，并且不出现如在陶瓷基电容器情况观察的金属迁移或流失。

在过去的十年里，通过先进制造技术和新材料的组合，电容器的可靠性已取得显著的提高。另外，聚合物基电子器件，如电容器，呈现紧凑电容器结构、自清除能力、较长寿命和较高能量密度。这些优点，与减小的尺寸、简单性和制造成本优点结合，使这些聚合物基电容器能够广泛用于电力电子工业。

聚合物基电容器重量轻，紧凑，因此对各种地面和空间应用具有吸引力。然而，大多数介电聚合物的特征是低能量密度(＜5J/cc)，并且/或者具有低击穿强度(＜450kV/mm)，这可能限制电容器的工作电压。其他缺点有时也与这些类型的电容器相关，例如涉及热稳定性和寿命缩短。为了达到高能量密度，可合乎需要具有高介电常数和高击穿强度两种性质。在这两种性质之间平衡可能不利。显示高击穿强度的大多数介电聚合物具有相对较低介电常数。

因此，重要的是确定具有显著高介电常数和相对较高击穿强度的材料。需要解决上述问题并且满足电子工业应用目前需要的聚合物材料。还需要制备聚合物基电子器件所用高品质聚合物材料的较简单和通用方法。

发明内容

本发明的一个方面提供一种提高聚合物介电击穿强度的方法，所述方法包括提供聚合物，并使聚合物的表面与气体等离子在反应室中接触。聚合物选自具有至少约150℃玻璃化转变温度的聚合物和包含至少一种无机成分的聚合物复合材料。气体等离子由选自氧气、四氟化碳、氮气、空气、氨气、氢气、氩气和氦气的至少一种原料气形成。原料气以至少约1标准立方厘米/分钟至约10000标准立方厘米/分钟的流速引到聚合物的表面。与气体等离子接触进行足以使另外的化学官能性结合到聚合物薄膜表面区域的时间，以提供经处理聚合物。以此方式，经处理聚合物具有大于未处理聚合物介电击穿强度至少0.1％的介电击穿强度。

本发明的另一个方面提供具有约3焦耳/立方厘米至约50焦耳/立方厘米的能量密度的制品。所述制品通过这样一种方法制造，所述方法包括提供聚合物，并使聚合物的表面在反应室中与气体等离子接触。聚合物选自具有至少约150℃玻璃化转变温度的聚合物和包含至少一种无机成分的聚合物复合材料。气体等离子通常由选自氧气、四氟化碳、氮气、空气、氨气、氢气、氩气和氦气的至少一种原料气形成。在大多数实施方案中，原料气以至少约1标准立方厘米/分钟的流速引到聚合物的表面。与气体等离子接触进行足以使另外的化学官能性结合到聚合物薄膜表面区域的时间，以提供经处理聚合物。经处理聚合物具有大于未处理聚合物介电击穿强度至少约0.1％的介电击穿强度。

附图说明

通过阅读以下详述并参考附图，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中在全部附图中相似的数字代表相似的元件，其中：

图1为根据本发明的一个方面的显示介电层等离子处理表面的聚合物薄膜电容器的部分的横截面图。

图2为根据本发明的一个方面的等离子接触时间-击穿强度的绘图。

图3为根据本发明的一个方面的聚合物薄膜厚度-击穿强度的绘图。

具体实施方式

虽然本文已只说明和描述本发明的某些特征，但本领域的技术人员应想到很多修改和变化。因此，应了解，附加权利要求旨在覆盖落在本发明真实精神内的所有这些修改和变化。在本说明书和权利要求书中引用了一些术语，这些术语具有以下含义。