(57)【要約】  複数のインターリーブする放射硬化ポリマー誘電体層及び金属層を包含する、角柱形状のモノリシックポリマーキャパシタ構造。其れの作製の為の方法。ポリマー誘電体の化学組成及び電極抵抗率パラメータは、キャパシタ自己修復特性及びエネルギー密度を最大化し並びに作動温度範囲に於けるキャパシタンス及び散逸率の安定性を保証する様に選ばれる。ポリマー誘電体のガラス転移温度は、機械的緩和が作動温度範囲に於いて起こる事を回避する様に特に選ばれ、此れは、構造中への高い湿気浸透（此れはより高い散逸率及び電極腐食に至り得る）を防ぐ。キャパシタの幾何学及び形状は、キャパシタがパルス及び交流電流に暴露される時の損失を最小化する様に適切にコントロールされる。
2020519003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャパシタが：
複数のポリマー誘電体層と、
夫々がヘビーエッジを有する複数のメタライズ電極層と、
を含み、
少なくとも１つのポリマー誘電体層が、少なくとも１．０の水素対炭素比及び少なくとも０．１の酸素対炭素比を有する化学構造を含み、
少なくとも１つのメタライズ電極層が、有効キャパシタ面積に於いて約１０オーム／スクエアと１００オーム／スクエアとの間のシート抵抗値を有する、
真空中で形成されるモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項２】
次の少なくとも１つが満足される、請求項１に記載のモノリシックポリマーキャパシタ：
（ｉ）前記キャパシタが、１００℃よりも多大な温度に於いて０．０２よりも小さい散逸率を有する；及び
（ｉｉ）前記少なくとも１つのポリマー誘電体材料が、少なくとも１００℃のガラス転移温度を有する。
【請求項３】
前記少なくとも１つのポリマー誘電体層が、少なくとも１．２の水素対炭素比を有する化学構造を有する、
請求項１又は２の何れか一項に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項４】
前記メタライズ電極層が、１０オーム／スクエアよりも小さいシート抵抗値を有するヘビーエッジを有する、
請求項１、２、又は３の何れか一項に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項５】
前記メタライズ電極層が、５オーム／スクエアよりも小さいシート抵抗値を有するヘビーエッジを有する、
請求項１、２、３、又は４の何れか一項に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項６】
メタライズ電極層が、有効キャパシタ面積に於いて約１００オーム／スクエアから約５００オーム／スクエア迄の範囲内のシート抵抗値を有する、
請求項１、２、３、４、又は５の何れか一項に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項７】
２５℃に於ける０．０２よりも多大な散逸率を特徴とする、
請求項１、２、３、４、５、又は６の何れか一項に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項８】
前記複数のポリマー誘電体層の夫々が、少なくとも１．０の水素対炭素比及び少なくとも０．１の酸素対炭素比を有する化学構造を包含する、
請求項１、２、３、４、５、６、又は７の何れか一項に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項９】
１４０℃を超える温度に於いて散逸率が０．０２よりも小さい、
請求項１、２、３、４、５、６、７、又は８の何れか一項に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項１０】
１４０℃を超える温度に於いて散逸率が０．０１よりも小さい、
請求項９に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項１１】
前記複数のポリマー誘電体層のポリマー誘電体層が、１４０℃よりも多大なガラス転移温度を有する、
請求項１〜１０の何れか一項に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項１２】
直列に構成された２つ以上の内部の電気的接続を含む、
請求項１〜１１の何れか一項に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項１３】
前記キャパシタが直交する寸法Ｌ、Ｗ、及びＨを有する角柱形状を有し、Ｌはキャパシタの第１の大きさを表し、此れに沿ってキャパシタが電気的終端を備え、Ｗはキャパシタの第２の大きさを表し、Ｈは、前記ポリマー誘電体層及びメタライズ電極層がスタックされる方向のキャパシタの第３の大きさを表し、前記第１の大きさ対前記第２の大きさの比が１よりも多大である、
請求項１〜１２の何れか一項に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項１４】
前記比が２よりも多大である、
請求項１３に記載のモノリシックポリマーキャパシタ。
【請求項１５】
請求項１又は２の何れか一項に記載のモノリシックポリマーキャパシタを包含する、製造品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は２０１７年６月１６日出願の米国特許出願第１５／６２５，２８２号の優先権を請求し、其の継続である。上で言及されている出願の開示は参照に依って本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般的に、モノリシックポリマーキャパシタに、具体的には、ポリマー誘電体調合物及び金属電極を有する様に構成されたキャパシタに関し、キャパシタ自己修復特性を最大化し、キャパシタエネルギー密度を最大化し、及び破壊故障を最小化し乍ら、同時にキャパシタの高いパルス及びリップル電流容量を維持する様に構成される。
【背景技術】
【０００３】
モノリシックポリマーキャパシタ（ＰＭＣ）はポリマー誘電体及びメタライズ電極を有し、メタライズフィルムキャパシタ（ＭＦＣ）の物に一般的に類似の構造であるが、メタライズフィルムキャパシタはメタライズフィルムを捲回又はスタックする事に依って生産されるという際立った例外を有する。対応する製造のプロセスの結果として、ＭＦＣはモノリシックな構造を持たない。何故なら、其れは大気条件に於いて生産され、構成層間に空気が詰まったマイクロギャップを包含するからである。更に其の上、メタライズフィルムは或る最小厚さを有し、此れは、ポリマーの化学的性質、製造のプロセス、並びに斯かるフィルムが製造プロセス、メタライズ、ボビンへのスリット加工、及びキャパシタへの捲回の間に取扱される為に十分強くなければ成らないという事実に依って決定される。
【０００４】
ＭＦＣと明確に対比して、ＰＭＣキャパシタは、数千のポリマー誘電体層及びメタライズ電極層を単一のプロセスステップで形成する事に依って真空中で生産される。層間結合及び層間の空気の欠如は、齎される構造を実質的にモノリシックな構造へと換える。此の構造の個々のポリマー誘電体層はピンホール不含であり、数千のポリマー／金属層のスタック（スタックの底部及び頂部表面の保護層を包含する）が既に形成された後及びそれ迄の製造のプロセスの間に、総体的な構造は、何れかの物に触れないか若しくは接触させられず、又は空気に暴露されない。結果として、ＰＭＣ構造のポリマー誘電体層は、普通のポリマーフィルム誘電体よりも１００倍程に薄い様に形成され得る。ＰＭＣ構造の幅広い範囲の物理及び誘電体特性と組み合わせられる此の利点は、体積効率的なキャパシタを齎し、此れ等は（例えば、ＭＦＣ、電解及び積層セラミックキャパシタ（ＭＬＣ）等の他のキャパシタ技術に依って従来果たされている応用に用いられ得る。
【０００５】
現行では、高温、高いリップル電流、高い電圧及び電流パルス、並びに高いエネルギー密度に於ける作動を使用する応用は、ＭＦＣ、アルミニウム及びタンタル電解キャパシタ、並びにＭＬＣを包含する種々の技術に依って作製されたキャパシタに依って果たされている。例えば、ＭＦＣは広い範囲の電気及び電子機器に鋭意に用いられている。ＭＦＣの寸法を縮減する為には  −  常にポピュラーな作業である  −  斯かるキャパシタのポリマーフィルム層（単数又は複数）の厚さは縮減されるべきである。（例えばポリプロピレン（ＰＰ）フィルム等の）ポリマーフィルムの厚さの縮減が達成され得る度合はフィルム製造プロセスに依って限定され、ＰＰフィルムの齎される厚さは典型的には約２ミクロン以上である。此れは、斯かるフィルムキャパシタが用いられ得る電圧を約３００ＶＤＣに限定する。因って、ＰＰフィルムの高品質な特性を有するキャパシタを要求する低電圧用途  −  例えば２５Ｖを要求する物では、ＰＰ−ＭＦＣの使用は其の大きいサイズ及び高いコストが原因で無理がある。典型的には、斯かる低電圧用途は、用途が高いキャパシタンスを要求する時にはアルミニウム電解キャパシタ、用途がより低いキャパシタンス値を要求する時にはＭＬＣに依って賄われるであろう。サブミクロンのポリマー誘電体を有するＰＭＣキャパシタは小さく、アルミニウム電解系及びＭＬＣ両方に代用する為に用いられ得、安定なポリマー誘電体特性と言う追加された利益を有する。
【０００６】
ＤＣリンクを採用する物等の用途（例えば、ハイブリッド及び電気輸送機器のインバータに用いられる）は、メタライズＰＰフィルムキャパシタを利用して、リップル電流、電圧の揺らぎを最小化し、過渡的な効果を抑制する。電動輸送機器の電圧形インバータに用いられる斯かるＤＣリンクキャパシタの鍵的な特徴は、ビナインな故障モードを保証する為の自己修復特性を包含し、高いリップル電流、低い散逸率（ＤＦ）、高いキャパシタンス、及び高い作動温度に耐える。此れ等の要件のリストは、電解キャパシタ及びＭＬＣの使用を有効に排除する。斯かるＤＣリンク用途にほぼ排他的に用いられているメタライズＰＰキャパシタは、１０５℃に限定された作動温度を有し、電圧、リップル電流、及びキャパシタ寿命の有意なディレーティングを有し、斯かるキャパシタは相対的に大きく且つコスト高である。因って、ＤＣリンクキャパシタサイズを縮減し、キャパシタの上限作動温度を少なくとも１２５℃、好ましくは１４０℃程も高く迄延ばす必要が−少なくとも自動車産業に於いては−残っている。
【０００７】
キャパシタが最終製品に於いて重大な役割を演ずる用途の尚別の群は、エネルギーのパルスを短時間で送達するパルスパワーシステムである。此処で、より小さく且つより良好に機能するキャパシタの探索は進行中の儘で残っている。斯かる用途の例はインプラント可能な除細動器及び数多の防衛用途を包含し、此処ではサイズ及び重量が重大なキャパシタパラメータである。例えば、インプラント可能な除細動器では、キャパシタは除細動器体積の約５０％を占め、此の用途に現行用いられているアルミニウム及びタンタル電解キャパシタは、組み合わせられた全ての他の除細動器コンポーネントよりも多い重さであり得る。別の極端では、可能性として戦車に用いられ得るレールガンを発射する為に用いられるメタライズＰＰキャパシタバンクは、現行では戦車其れ自体よりも大きい。因って、キャパシタ寿命及び信頼性を改善し乍ら、作動温度を最大化し、より高いリップル及びパルス電流を取扱いし、並びにキャパシタ重量及び体積を縮減する為の新たなキャパシタ技術を開発する必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、真空に於いて形成されるモノリシックポリマーキャパシタを提供し、此のキャパシタは複数のポリマー誘電体層と夫々がヘビーエッジを有する複数のメタライズ電極層とを包含する。少なくとも１つのポリマー誘電体層は、少なくとも１．０の水素対炭素比及び少なくとも０．１の酸素対炭素比を有する化学構造を含む。少なくとも１つのメタライズ電極層は、有効キャパシタ面積に於いて約１０オーム／スクエアと１００オーム／スクエアとの間のシート抵抗値を有する。実施形態については、加えて、任意に次の条件の少なくとも１つが満足され得る：（ｉ）キャパシタは１００℃よりも多大な温度に於いて０．０２よりも小さい散逸率を有する；及び（ｉｉ）少なくとも１つのポリマー誘電体材料は少なくとも１００℃のガラス転移温度を有する。
【０００９】
非排他的に、且つ少なくとも１つの実施形態に於いては、少なくとも１つのポリマー誘電体層が、少なくとも１．２の水素対炭素比を有する化学構造を有し得る。実施形態の何れかに於いて、メタライズ電極層は１０オーム／スクエアよりも小さいシート抵抗値を有するヘビーエッジを有する。代替的に又は加えて、メタライズ電極層は５オーム／スクエアよりも小さいシート抵抗値を有するヘビーエッジを有し得、及び／又はメタライズ電極層は有効キャパシタ面積に於いて約１００オーム／スクエアから約５００オーム／スクエア迄の範囲内のシート抵抗値を有し得る。少なくとも１つの実施形態に於いて、キャパシタは、２５℃に於いて０．０２よりも多大な及び／又は１４０℃を超える温度に於いて０．０２よりも小さい散逸率を特徴とする。代替的に又は加えて、複数のポリマー誘電体層の夫々は、少なくとも１．０の水素対炭素比及び少なくとも０．１の酸素対炭素比を有する化学構造を包含する。特定の実施形態に於いて、キャパシタの散逸率は１４０℃を超える温度に於いて０．０１よりも小さい。少なくとも１つの実施形態に於いて、前記複数のポリマー誘電体層のポリマー誘電体層は１４０℃よりも多大なガラス転移温度を有する。任意に、キャパシタの実施形態は直列に構成された２つ以上の内部の電気的接続を含み得る。関連する非排他的な実装に於いて、キャパシタは直交する寸法Ｌ、Ｗ、及びＨを有する角柱形状を有し、Ｌはキャパシタの第１の大きさを表し、此れに沿ってキャパシタは電気的終端を備え、Ｗはキャパシタの第２の大きさを表し、Ｈは、ポリマー誘電体層及びメタライズ電極層がスタックされる方向のキャパシタの第３の大きさを表し、第１の大きさ対第２の大きさの比は１よりも多大（且つ任意に２よりも多大）であって、（キャパシタがパルス及び交流電流に暴露される時の電気的損失を最小化する為に）キャパシタを充電する為に電流が伝わらなければ成らない電路を最小化する。実施形態は、本発明の発想に従って構成されるモノリシックポリマーキャパシタを包含する製造品をも又提供する。
【００１０】
本願の発明を実施するための形態の項に提示されている開示は、次の一般的に縮尺無しの図面と共により良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】乃至
【図１Ｂ】２つのモノマー鎖の模式的な線図を提供している。
【図２】異なるモノリシックポリマーキャパシタについて、温度への散逸率の依存性を表すプロットを示している。
【図３】温度／湿度試験に依って測定された、経時的な２つの異なるモノリシックポリマーキャパシタのキャパシタンスの時間依存的なパーセント変化を表すプロットを含有する。
【図４】ＤＣバイアス電圧有りの温度／湿度試験に依って測定された、経時的な２つの異なるモノリシックポリマーキャパシタのキャパシタンスの時間依存的なパーセント変化を表すプロットを含有する。
【図５Ａ】乃至
【図５Ｄ】ポリマーキャパシタの実施形態を図解する模式的な線図を提供している。
【図６Ａ】乃至
【図６Ｃ】ＳＥＭの使用に依って得られた、終端コーティングの適用に先行するモノリシックポリマーキャパシタの電気的終端エッジを図解する写真を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
一般的に、図面中の要素のサイズ及び相対的縮尺は、図面の単純性、明瞭性、及び理解を適切に容易化する為に、現実の物とは異なる様に設定され得る。同じ理由で、１つの図面に存在する全ての要素は別の図面に於いては必ずしも示されていない。
【００１３】
本発明は、キャパシタの破局的故障を防ぎビナインな故障モードのみを齎す自己修復特性と、高温安定性と、高温及び高湿度環境に於ける劣化に対する抵抗と、高いリップル電流を取扱いする能力とを持つモノリシックポリマーキャパシタの作製を対象とする。此れ等は、例えば自動車インバータ用途に依ってモノリシックポリマーキャパシタに求められる独特のセットの特性を提示する。
【００１４】
用語「モノリシックポリマーキャパシタ」（ＰＭＣ）は、数千のポリマー誘電体及び電極層に依って回転加工ドラムの周りに生産された積層複合材料又は「マザーキャパシタ」材料として生ずるキャパシタを記載する為に用いられる。マザーキャパシタ材料はドラムから取り外され、一連のプロセスステップ及び終端ステップに依って個々のキャパシタへと加工される。一連のプロセスステップは、マザーキャパシタ材料をプレスする事、個々のキャパシタへの分割、フラッシュオーバーを防ぐ為の裁断エッジに於ける電極のエッチングを有する。終端ステップはアルミニウム電極を露わにする為の終端エッジに於けるポリマーのプラズマアッシングと数千の電極層を接続し２セットの電極を有するキャパシタを形成する為に暴露されたアルミニウム電極上に金属をアーク溶射する事とを有する。
【００１５】
用語「ポリマー誘電体」及び「ポリマー誘電体層」はポリマーの層を記載する為に交換可能に用いられ得る。此れは放射硬化可能なモノマー材料のフラッシュ蒸発に依って生産され、此れは回転ドラム上で蒸発及び濃縮され、其れから電子線又はＵＶ放射に依って硬化される。
【００１６】
用語「硬化する」、「重合」、及び「架橋」は、濃縮されたモノマー材料がポリマー誘電体材料へと変換されるプロセスを言う為に交換可能に用いられ得る。
【００１７】
用語「金属電極」及び「アルミニウム電極」は、モノリシックポリマーキャパシタ電極を定義する為に交換可能に用いられ得、アルミニウム電極は此れ等の１つの例に過ぎない。
【００１８】
用語「電極パッシベーション」は、金属電極（及びアルミニウム金属電極）が其れ等の成膜の直後に酸素含有プラズマに暴露されて、最も安定で耐食性の酸化アルミニウムであるＡｌ２Ｏ３酸化物層等の酸化物層を其れ等の上に形成する事を意味する。此の様式でパッシベーションされない場合には、積層キャパシタが湿度に暴露される時に、Ａｌ２Ｏ３程には保護性でない水和酸化アルミニウムが形成され（Ａｌ２Ｏ３・（Ｈ２Ｏ））、其れに依って急速な電極腐食に至る。
【００１９】
用語「ヘビーエッジ」及び「電極ヘビーエッジ」は、有効キャパシタ面積の外側に位置するキャパシタ電極の或るセクションを記載する為に用いられ、此れはキャパシタの有効な電極よりも厚く作られて、個々の電極層を一緒に接続する（例えばアーク溶射コーティング等の）コーティングとのより低抵抗の接触を容易化する。
【００２０】
用語「自己修復」、「自己修復事象」、及び「クリアリング」は、ＭＦＣを参照して、キャパシタの誘電体の破壊の間に起こるプロセスを表現する為に交換可能に用いられ得る。此れの結果として、２つの電極間の電気的短絡は電流の流れを引き起こし、此れが短絡の位置の周りの薄い金属電極を（ヒューズの様に）溶融させ、其れに依って不具合の位置を絶縁し、誘電体破壊に依って破壊される事からキャパシタコンポーネントを保護し、キャパシタが実際上有意でない量のキャパシタンス損失に依って作動する事を可能にする。
【００２１】
用語「プラズマアッシング」及び「プラズマエッチング」は、ポリマー材料から低分子量のガス状生成物への変換の結果として、酸化性プラズマの存在下でポリマー材料が「アッシング」又は焼去されるプロセスを言う。此のプロセスは、キャパシタ終端を形成する為の適切なコーティングに依って電極が一緒に短絡させられ得る様に、モノリシックキャパシタのエッジに於いてポリマーを取り除いて金属電極を暴露する為に用いられる。
【００２２】
用語「安定なキャパシタ作動」、「安定なキャパシタンス」、及び「安定な散逸率」は、キャパシタの作動温度範囲に於いて、取り分けより高い温度に於いて、キャパシタンス又は散逸率の如何なる突然の変化も起こらないキャパシタを定義する為に用いられる。例えば、１２５℃又はより高くに於いて作動する様に設計されたキャパシタは、最大作動温度に於いて、２５℃に於ける物よりもキャパシタンスが１０％よりも多く縮減しない及び／又は２０％よりも多く増大しない場合には、安定なキャパシタンスを有すると考えられる。類似に、最大作動温度に於ける安定なキャパシタの散逸率（安定な散逸率）は２５℃に於ける物よりも低くあり得るが、其れは最大作動温度に於いて約２０％よりも多くは増大しない。
【００２３】
本発明の発想は、ポリマー誘電体材料の化学構造と、其の物理特性と、メタライズ電極の厚さ及び抵抗率の制限と、電極の処理と、電気的性能を向上させる特定のキャパシタ形状を選ぶ事との独特な組み合わせに依って、既存のキャパシタ構造の作動特徴の短所に対する特定の解決手段が達成され得ると言う認識に起因している。
【００２４】
具体的には、ＰＭＣの作動の温度範囲を広げ、少なくとも１２５℃程か又はより高い温度（例えば１４０℃）に於ける安定な作動を達成すると言う問題に対する答えは、最大作動温度よりも高いガラス転移温度Ｔｇを有するポリマー誘電体を選択する事に依って、作動温度範囲に渡ってキャパシタのＤＦが安定であると言う事を其の特性が保証するポリマー誘電体材料を考案する事に依って提供される。ポリマーのＴｇが２５℃と最大作動温度との間である場合には、Ｔｇに於いて、殆どの放射硬化ポリマーの散逸率が増大すると言う事が発見された。更に其の上、Ｔｇよりも上では、ポリマーは湿気を吸収し、此れは散逸率及び電極腐食両方に有害な効果を有する。従って、散逸率が安定なままで残る作動温度の範囲を増大させると言う問題は、本発明に依って最大作動温度よりも有意に高いＴｇを有するポリマー誘電体材料を調合する事に依って対処される。
【００２５】
Ｔｇ条件を満足する事に加えて、選ばれるキャパシタは、破壊が起こると言う事象に於いて自己修復する能力を有さなくては成らない。ＰＭＣの自己修復特性を最大化する問題は、ポリマー中の炭素が（例えばＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４、及びＣ２Ｈ６等の）ガスの形態で有効に取り除かれるポリマー誘電体材料の化学的性質を考案する事に依って解決された。特に、ポリマー誘電体を生産する為に用いられるモノマー材料が１を超える平均水素対炭素比及び０．１を超える酸素対炭素比を有する場合には、有効な炭素取り除きプロセスが可能だと示された。
【００２６】
高温及び高電流の用途では、満足される事を必要とする別の条件は、取り分け、電極がアルミニウムを含む場合には、キャパシタ電極の高い耐食性である。一般的に、アルミニウム電極は（湿度の存在下で高い温度及びＤＣ電圧に暴露された時に）電気化学的腐食を受け、此れは電極の面積を縮減し、其の抵抗率を増大させる。少なくとも部分的には、此の問題は、本発明のＰＭＣ構造のアルミニウム層を、此れ等の層の成膜に合わせてパッシベーションする事に依って対処される。プラズマへの暴露に依る従来の電極パッシベーションに加えて、２００℃から２８０℃の範囲の温度へのマザーキャパシタ材料のポストベーキングも又、電極パッシベーションを齎すと言う事が発見された。パッシベーションの後者の形態は、アルミニウム電極とポリマー誘電体との間の有機金属結合を作り出す事に依って可能である。放射硬化に依って形成されたアクリレートポリマーは、ポリマー格子中の一定のパーセントの未硬化のモノマー、並びに小さいパーセントのアクリル酸及びランダムな切断を受けたモノマーを含有する。高温では、斯かるモノマー官能基はアルミニウム電極と反応し、其れに依って湿気に依るアルミニウムのアクセスを防ぐと言う事が発見された。
【００２７】
選ばれるキャパシタの高温作動の為に満足される事を必要とする尚別の条件は、キャパシタの加熱損失の縮減である。高温作動が高いリップル電流と組み合わせられ、電極の抵抗のパワーの散逸が原因で加熱を引き起こす時には、インバータ用途に用いられる現行のメタライズフィルムキャパシタは故障し得る。ＰＭＣに於けるパワー損失の最小化の問題は、其の終端エッジがＰＭＣの長手エッジ表面に於いて画定される様にキャパシタを思慮深く構造化する事に依って解決される。其の様にする中で、加えて、本発明の実施形態に従って構造化されたＰＭＣの終端エッジの機械的強度は、少なくともＰＭＣの終端表面（単数又は複数）に於いて電極層に結合される適切な金属系コーティングの使用に依って、電極層の終端の面積をヘビーエッジとして成形する事に依って増大する。
【００２８】
自己修復
本発明の１つの実施形態に従うと、ポリマー誘電体層（単数又は複数）を生産する為に用いられるモノマー材料の特定の化学的性質は、キャパシタ自己修復プロセスを容易化する様に選ばれる。本発明の発想を実装する中で、ポリマー誘電体が架橋する事を引き起こす放射に依って壊れる炭素−炭素二重結合を組み込んでいるモノマーを包含する、幅広い範囲の放射硬化可能な材料を用いて、ＰＭＣを生産した。１つの例では、斯かる化学的性質は、電子線及びＵＶ放射を用いて硬化されるアクリレートモノマーを包含した。高いＨ：Ｃ及びＯ：Ｃ原子比を有するアクリレートの化学的性質を選ぶ事に依って、Ａｌ２Ｏ３、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ６、並びに炭素−炭素二重結合の破壊の部位からＡｌ及びＣを取り除く他の炭化水素ガスの形成を助ける事に依って、自己修復特性が改善された。電極がメルトバックする（又はヒューズする）際のポリマー層の表面からのＡｌ及びＣの除去は、急速な即時ヒューズ作用に至る。此の間には、相対的に小量の電流が故障部位に出力される。斯かるプロセスは、電極間の電気的短絡に依って引き起こされる損傷を最小化し、其れに依って、損傷した誘電体層に於ける最小のリーク電流の流れに依って又は如何なるリーク電流の流れも無しに、キャパシタ電極の電圧が回復する事を可能にする。実際に、代替では  −  ポリマーの表面が高レベルの炭素を其の上に保持し続ける（即ち「炭化」された儘で残る）時には  −  ヒューズ作用は遅められるであろう。此れは、単位時間に故障部位に配される事に成るより多大な量のエネルギーに至り、隣接する誘電体層の追加の破壊を引き起こす。中断させられない場合には、此のプロセスはキャパシタの熱暴走故障に至り得る。殆どのケースでは、キャパシタは斯かる故障の結果として必ずしも故障しないが、一方で、其れにも関わらず、其れはキャパシタンスの有意な量を失う。更に其の上、炭素がポリマー表面から充分に取り除かれない場合には、其れはキャパシタ性能を損なう過剰なリーク電流を引き起こす。
【実施例】
【００２９】
例１：異なる化学組成を有するポリマーに依って作られたＰＭＣの自己修復特性を比較する為に、少なくとも多数の自己修復事象後のキャパシタのリーク電流を決定する為に試験を行った。最初に、２０００個の有効なキャパシタ層を含有するマザーキャパシタ材料（１０平方フィートの面積を有する）を、異なるポリマー誘電体材料に依ってだが、同じ誘電体厚さ（０．６５マイクロメートル）及び電極抵抗率（２５オーム／スクエア）を保って生産した。個々のチップ（夫々５００ｍｍ２の面積を有する）をマザーキャパシタ材料から分割し、キャパシタへと加工した。比誘電率に依存して、キャパシタは３０〜３５マイクロＦの範囲のキャパシタンスを有した。各バッチからの少なくとも５０〜８０個のキャパシタを３００Ｖ又はより多大なＤＣ電圧に暴露した。３００ＶＤＣに等しいか又は其れを超える電圧への斯かる薄いポリマー誘電体の暴露は、キャパシタの誘電体材料中のウィークスポット又は欠陥のクリアリングを引き起こした。ＤＣ電圧への暴露後に、キャパシタンス、散逸率、等価直列抵抗（ＥＳＲ）、及びリーク電流を包含する種々のキャパシタパラメータを測定した。受け入れられる自己修復特性を有するポリマー誘電体を有するキャパシタは、１マイクロａｍｐ未満のリーク電流を有した。受け入れられる自己修復特性を有さないポリマー誘電体を有するキャパシタは、５０マイクロａｍｐを超えるリーク電流を有した。放射硬化可能なモノマーの化学的性質が、自己修復事象に依って発生するリーク電流と、結果的に、破局的故障が起こる前にキャパシタに印加され得る最大電圧とに有意なインパクトを有すると言う事が経験的に決定された。例えば、又１２個の炭素を脂肪族鎖中に有するドデカンアクリレートポリマー誘電体材料（図１Ｂを見よ）を含むモノマーの使用に依って構造化されたキャパシタと明確に対比して、２−フェニルフェニルアクリレート（此れの鎖は図１Ａに模式的に示されている）を含むポリマー誘電体を有するキャパシタは、不良な自己修復特性を実証した。
【００３０】
２−フェニルフェニルアクリレートはＨ：Ｃ＝０．８の水素対炭素比及び０．１３の酸素対炭素比Ｏ：Ｃを有し、一方で、ドデカンアクリレートはＨ：Ｃ＝１．８６及びＯ：Ｃ＝０．１４を特徴とする。一般的に、我々は、高温用途の為に設計されたＰＭＣキャパシタが最小限の劣化に依って最大電圧に耐える為には、斯かるキャパシタのポリマー誘電体材料の形成の為に用いられるモノマー分子又はモノマーの混合物が水素対炭素比Ｈ：Ｃ＞１及び酸素対炭素比Ｏ：Ｃ＞０．１、好ましくはＨ：Ｃ＞１．２及びＯ：Ｃ＞０．１を有する事が必要であると言う事を見出した。（例えば窒素及びフッ素等の）ポリマー表面から炭素を取り除く事が出来るガス状生成物の形成に至り得る他の原子の存在も又有益であると言う事が認識された。一方で、基準を策定する為には、モノマーの多くはない関連する実施形態を評価した。
【００３１】
自己修復特性の最大化にとって等しく重大であるパラメータはメタライズキャパシタ電極の厚さである（此れ等は多くの用途では薄いメタライズアルミニウム層を含む）。厚さ測定はナノメートルサイズの金属層について執り行う事が極端に困難であるので、アルミニウム電極の厚さは、スクエア当りのオームで測定される其れ等の電気伝導率又は表面抵抗率に依って定量される。此の相関は、（アルミニウム、アルミニウム合金等の）高導電性の低融点金属を包含する電極、（アルミニウム／亜鉛、アルミニウム／銅、亜鉛／銀、及び他の物等の）２層電極について良好に働く。妥当なＨ：Ｃ及びＯ：Ｃ比を有するポリマーを選択する事に加えて、メタライズ電極の抵抗率は、自己修復特性を最大化する為に思慮深く定義された範囲内である事を必要とする事が経験的に見出された。抵抗率の斯かる選び方は、実際に、電極ヘビーエッジを有するより低い電極厚さ（有効キャパシタ面積の外側に於いて、アルミニウム層はより厚い）に応用されて、キャパシタ自己修復特性にインパクトを与える事無しに良好な電気的接触を保証する。
【００３２】
自己修復特性がより良好である程、破局的故障を引き起こす事無しにキャパシタに印加され得る電圧（Ｖ）はより高いと言う事にも又留意されるべきである。因って、キャパシタエネルギー密度はより多大である  −  所与のキャパシタンスＣについて、キャパシタエネルギーは１／２＊Ｃ＊Ｖ２として決定される。実験は、従来の捲回型キャパシタに於いては、空気が詰まったマイクロギャップがＡｌ２Ｏ３の形成とＣＯ及びＣＯ２の形態の炭素の取り除きとに寄与し、此れが自己修復プロセスを助けると言う事を指示した。ＰＭＣは如何なるエアギャップも有さない。因って、自己修復特性を最大化する為には、（上で記載されている通り）ポリマーに依って供給される酸素に加えて、電極抵抗値は従来の捲回型フィルムキャパシタの抵抗値よりも多大である事を必要とする。然し乍ら、電極抵抗の増大に依って、キャパシタ等価直列抵抗（ＥＳＲ）は増大し、此れは、電極に於いて散逸する熱の形態のキャパシタ損失（Ｉ２Ｒ。式中、Ｒ＝ＥＳＲ）をも又増大させる。連続電流が高い高リップル電流用途では、損失を最小化し約０．０２よりも小さい散逸率を維持する為に、シート抵抗の最大値は１００オーム／スクエア未満に限定されるべきであると言う事が決定された。然し乍ら、此の範囲は、より低い平均連続電流を有する低繰返し率の高パルス電圧／電流印加には当てはまらない。此れ等の用途では、本発明の実施形態に従って、ＰＭＣが、５００オーム／スクエア程も高いシート抵抗値と０．０２よりも多大な散逸率とを有する電極を有し得ると言う事を我々は見出した。高いキャパシタンス損失を齎し得る高いＥＳＲを回避する為に、平行な数千の電極層（略して電極）を用いる事と、キャパシタを充電する為に電流が伝わらなければ成らない距離を限定する（所与の寸法及び／又は体積について、最小化する）キャパシタ形状を選ぶ事とに依って、高い電極抵抗率を相殺する。此の様式で、より高い電極抵抗率は自己修復プロセスを最大化し、此れは翻ってＰＭＣキャパシタの破壊電圧及びエネルギー密度を増大させ、其れに依ってより小さいキャパシタ体積及び重量を齎す。
【００３３】
例２：高電流ＤＣリンク用途の為に設計されたＰＭＣキャパシタ（１．０よりも多大な水素対炭素比及び０．１よりも多大な酸素対炭素比；ガラス転移温度Ｔｇ＞１００℃；誘電体厚さ０．６マイクロｍ、並びに有効キャパシタ面積に於ける３０〜４０オーム／スクエア及びヘビーエッジの面積に於ける５オーム／スクエア未満のシート抵抗を有するアルミニウムに基づく電極を特徴とする、ポリマー誘電体化学構造を有する６０，０００層を有する）は、０．０２よりも小さい散逸率と２５０Ｖ未満の破壊電圧に対応する破壊強度とを有するパーツを生み出した。（内部で）直列に接続された３つの斯かるキャパシタを用いて、５００マイクロＦ／６００Ｖキャパシタシステムを生産した。此れ等は、より低いＥＳＲ（即ち、より低いＩ２Ｒ加熱損失）を有する従来技術ＰＰキャパシタよりも凡そ３倍小さかった。同時に、其の様に生産されたＰＭＣキャパシタシステムの作動温度は、従来用いられているＰＰキャパシタの１０５℃に対して、１４０℃であった。此れは、多くを求める自動車用途の為の本発明の実施形態に従って構成されたキャパシタのエネルギー密度及び信頼性の劇的な改善を証明した。此れは、翻って、より小さく且つより効率的で且つより低コストのインバータにも又応用され、其れを齎す。
【００３４】
例３：別の例では、上で論じられている物と同じ誘電体材料及び厚さを有し且つ同じ数の層を包含するＰＭＣキャパシタを、高エネルギー密度パルス電圧用途の為に設計し、有効キャパシタ面積に於ける凡そ２００オーム／スクエア及びヘビーエッジの面積に於ける１０オーム／スクエア未満のシート抵抗を有する電極に依って生産した。斯かる設計は、２５℃に於ける散逸率＞０．０２と５５０Ｖを超える破壊強度とを有するパーツを生み出した。キャパシタのエネルギー密度が電圧の二乗として変わる事を考えると、論じられている通り、より高抵抗率の電極を有するＰＭＣキャパシタは、同じ誘電体厚さだがより低抵抗率の電極を有するＰＭＣキャパシタよりも約４倍高いエネルギー密度を特徴とする。事実、此れ等のサンプルの有効キャパシタ面積のエネルギー密度は、９．５Ｊ／ｃｃと言うフルサイズのポリマーキャパシタの記録値を有した（５００Ｖの最大電圧を想定する）。斯かる作動パラメータは予期されていず、真に並外れており、ポリマー誘電体（セルフシール特性を永続させる為に好都合な化学組成を有する）と、キャパシタ自己修復特性を最大化する様に設計されたメタライズ電極と、信頼性良い高電流接触を可能にするヘビーエッジ電極との組み合わせに帰せられると言う事を、当業者は直ちに認識するであろう。
【００３５】
例４：別の例では、例２及び３に開示されている物と同じポリマー誘電体の化学的性質を用いてだが、より低電圧の用途の為に設計された０．２ミクロンの厚さのポリマー層に依って、１８，０００層キャパシタを生産した。我々は、より低い電圧に於いては  −  典型的には約１２ＶＤＣから約４８ＶＤＣ迄の範囲に於いては、有効キャパシタ面積に於ける電極抵抗が更により重大なパラメータに成ると言う事を見出した。此れは、破壊が起こる時には、キャパシタが自己修復する為に電極材料を溶融及び蒸発させる為の有意な量のエネルギーが要求されるからである。此の要求されるエネルギーは、其れが短絡に放電する際にキャパシタ其れ自体に依って供給され、キャパシタが充電される電圧の二乗に比例する。より低い電圧では、高抵抗短絡に至る複数の破壊事象を受ける事を強制される場合に、キャパシタが効率的に自己修復し得ない条件が見出され得る。此の状況の自明な解決手段は、複数の自己修復事象を回避する（其れに依って短絡を回避する）為に所与の電圧レベルに於いて十分に厚い誘電体を有する事であろう。一方で、斯かる解決手段はより低いエネルギー密度を有するより大きいキャパシタに至る。斯かる別様に自明な解決手段には反して、破壊電圧及びエネルギー密度を最大化する為に、より高電圧の用途の為の０．６マイクロメートル誘電体に用いられるであろう３０〜４０オーム／スクエアの代わりに約６０から約８０オーム／スクエアの有効キャパシタ面積に於けるシート抵抗を有する様に、１８，０００層キャパシタを本発明の実施形態に従って生産した。此の解決手段は、高抵抗の短絡に至る事無しに複数の破壊を受け得るキャパシタを齎した。
【００３６】
上の例２、３、及び４では、ポリマー誘電体はＴｇ＞１００℃を有した。より低温の用途では、ポリマーＨ：Ｃ比、Ｏ：Ｃ比、及び電極抵抗基準が満たされる限り、高いＴｇは必要ではない。Ｔｇを下げる事は、ポリマーの化学的性質を変える可能性を開き、自己修復要件を満たす利用可能なポリマーの数を増大させる（此れ等の多くは、より高い  −  例えばｋ＝９程も高い比誘電率ｋを有する）。関連する実施形態に於いて、目下のキャパシタ構造（単数又は複数）への斯かるポリマーの使用はキャパシタエネルギー密度を更に増大させ得る。約１０オーム／スクエアから約１００オーム／スクエア迄の範囲の（尚更、１００オーム／スクエアから５００オーム／スクエア迄の範囲の）電極シート抵抗値との、より高比誘電率のポリマーを用いる事及びＨ：Ｃ及びＯ：Ｃ基準を満たす事の組み合わせは、最大化されたエネルギー密度を有するＰＭＣを生み出す事が実証された。何故なら、斯かる組み合わせは、キャパシタ構造の最大の自己修復特性を有する誘電体材料に依るより高エネルギーの貯蔵の実現に至ったからである。
【００３７】
温度関連パラメータ
上昇した温度（最高で１２５℃及びより高く迄、例えば１４０度）に於いて信頼性良く作動する事が出来るモノリシックポリマーキャパシタの生成に対処する為に、ポリマー誘電体材料の誘電損失の挙動を考えた。ＰＭＣの安定な作動の為には、所望の作動温度範囲に渡って散逸率が安定であると言う事が重要である。図２の曲線２１０、２２０、及び２３０は、本発明の実施形態に従うモノリシックポリマーキャパシタを生産する為に用いられた３つの放射硬化ポリマー誘電体の散逸率を示している。此れ等の曲線は、具体的なポリマー誘電体材料の化学的性質に基づいて、キャパシタのＤＦが種々の温度に於いて増大し得ると言う事を実証している。曲線２１０に依って示されている４−ｔｅｒｔ−ブチルシクロヘキシルアクリレートを包含するポリマー誘電体を有するキャパシタのＤＦは約３０℃に於いて鋭く増大し、一方で、曲線２２０に依って示されているジシクロペンタニルアクリレートを包含するポリマー誘電体を有するキャパシタのＤＦは１２０℃に於いて増大し始める。ＤＦが上方に向かう温度に於いてキャパシタが作動させられる場合には、損失はキャパシタ温度を増大させるであろう。此れは、翻って、更に高いＤＦに依ってキャパシタをより高い温度に追い遣り、此れは、翻って熱損失を更に増大させるであろう。此のプロセスは終極的にはＰＭＣの熱暴走故障に至り得る。当業者は直ちに認識するであろう通り、温度の関数としての散逸率のデータは、殆どの放射硬化ポリマーについては、公知ではないか又は公開されていないか何方かである。従って、本発明の発想を実装する為に、異なるモノマー調合を有する数十のモノマーをキャパシタ誘電体へと変換し、最高で１６０℃及びより多大な温度迄の温度の関数としてのＤＦについて測定した。意外にも、殆どの放射硬化ポリマーでは、ＤＦの増大はガラス転移温度（Ｔｇ）と一致すると言う事が決定された。ＤＦとは違って、多くの放射硬化可能なポリマーのＴｇは典型的にはモノマー生産者に依って報告されている。因って、斯かる経験的な決定の結果として、ＰＭＣの作製のプロセスの間にポリマー誘電体材料を形成する為に用いられる時に、上昇した温度に於いて実質的に同じである散逸率を有するキャパシタを齎し得るモノマーを選択する為に、Ｔｇが用いられ得ると言う事が認識された。例えば、図２の曲線２３０に依って示されている通り、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート及びトリアリルイソシアヌレート（此れ等の両方はＴｇ＞２００℃を有する）の混合物を包含するポリマー誘電体材料の使用は、最高で２００℃迄安定であるＤＦを有するキャパシタを齎す。
【００３８】
ＤＦ安定性に加えて、Ｔｇの値は、ＰＭＣの為のポリマー誘電体の選択に別の限定を課す。特に、より低いＴｇ値を有するポリマーの使用はキャパシタに依る湿気の吸収に至る事が決定された。即ち、キャパシタが周囲条件の湿度及びＴｇよりも低い温度に於いて作動する場合には、誘電体層は周囲の湿気を吸収するであろう。此れは翻ってＰＭＣのキャパシタンスの安定性にインパクトを与える。ポリプロピレン等のポリマーフィルムは室温よりも低いＴｇを有する一方で、ポリプロピレンの化学的性質の低い極性が原因で、其れ等は水を吸収しない。比較して、アクリレート及び他の放射硬化可能な化学的性質は（例えばＣＯ、ＣＮ、ＣＦ等の）より高極性の結合を組み込んでおり、此れは有利であり得る。何故なら、其れ等はより高極性の化学的性質を齎し、此れはより高い比誘電率と、因って齎されるＰＭＣに依るエネルギー貯蔵の増大とに至るからである。然し乍ら、同じ高極性の化学的性質は湿気吸収の増大にも又至る。Ｔｇが到達される迄、湿気吸収は最小限である。Ｔｇ温度を越えると、Ｔｇに於いて起こる分子緩和は湿気吸収を劇的に増大させ得る。
【００３９】
湿気の吸収はキャパシタ性能の性能の短期的及び長期的両方の信頼性の問題を引き起こす。短期的には、キャパシタンス値が水の高い比誘電率が原因で増大し、より長期的には、水が薄いキャパシタ電極を腐食させ、永久的なキャパシタンス損失に至る。此れは図３及び４に依って実証されている。図３は、２つの型のＰＭＣキャパシタについて時間の関数としてのキャパシタンスのパーセント変化のプロットを図示している。此れ等のＰＭＣは夫々２０００個のキャパシタ層を有するが、同じ比誘電率ｋ＝３．２を有する２つの異なるポリマー誘電体材料に依って構築されている。図３の曲線３１０は４３℃のＴｇ１を有する第１のポリマー誘電体を表し、一方、曲線３２０は１００℃のＴｇ２を有する第２のポリマー誘電体を表す。６０℃及び９０％相対湿度（ＲＨ）を特徴とする周囲環境に、電圧バイアス無しで５００時間に渡ってキャパシタを暴露した。キャパシタ誘電体への湿気の最大の効果を可能にする為に、意図的に封止成形しなかった。更に其の上、キャパシタのエッジに於いて誘電体層に浸透する何れかの湿気がキャパシタンスへのより著しい効果を有する様に、小さいキャパシタチップ（約１２ｍｍ２の面積を有する）を用いた。水はｋ＝７５から８０の範囲の比誘電率を有し、３．２のｋを有するポリマー誘電体に依って吸収される時には、其れはポリマー誘電体の比誘電率を増大させ、其れに依ってキャパシタンスの増大を齎す。次の通り、図３から、６０℃の試験温度（此れはＴｇ１よりも高い）では、第１のポリマー誘電体に依って組立てられたＰＭＣのキャパシタンスの値は、有意に、且つ第２のポリマー誘電体に依って組立てられたＰＭＣに対応する物よりも多く増大する。
【００４０】
試験の一部として、ＤＣ電圧バイアスの追加有りで、第１及び第２のポリマー誘電体に依って作製されたキャパシタを同じ条件の温度及び湿度に暴露した。図４の図解は、第１のＰＭＣキャパシタ（より低いＴｇ１を有する誘電体を採用する。曲線４１０に依って表されている）が暴露の開始後の相対的に短時間後にキャパシタンスを失い始め、一方で、第２のＰＭＣ（より高いＴｇ２を有する第２のポリマー誘電体を利用する。曲線４２０）のキャパシタンスは同程度に不変の儘で残ったと言う事を示している。ＤＣ電圧の印加はアルミニウムメタライズキャパシタ電極の腐食メカニズムの引き金と成り、此れは電極表面積を縮減する。因って、極端な温度に於いて（ポリプロピレン等の誘電体材料を採用する従来のキャパシタと対比して）信頼性良く機能するであろうＰＭＣを考案する為に、本発明の実施形態に従うＰＭＣを生産する為に用いられる放射硬化誘電体材料は、作動温度の範囲に渡って実質的に不変であるＤＦと所望の作動温度に等しいか又は其れよりも多大であるＴｇ値とを両方有するべきである。
【００４１】
非常に少数の放射硬化可能なモノマーが、低いＤＦ及び１２５℃よりも高いＴｇ（此れは自動車用途の為のＤＣリンクキャパシタの標的温度である）を両方組み合わせたポリマーを齎す事が見出された。殆どの斯かる高Ｔｇモノマーは環式脂肪族的な化学的性質を有するか、又は其れ等は２つよりも多くの二重結合を有するか何方かである。トリス（２−ヒドロキシエチル）イソシアヌレートトリアクリレート及びトリアリルイソシアヌレート等の三官能性モノマー（此れ等の挙動は図２の曲線２３０に依って表される）は、Ｔｇ＞１２５℃及びＤＦ＜０．０１を有し、此れは最高で此の温度迄実質的に不変である。（例えば２−メチル−２−アダマンチルアクリレート、１，３−アダマンタンジオールジアクリレート、及びトリシクロデカンジメタノールジアクリレート等の）ダイヤモンドの物に似たアダマンタン（アダマンチル）構造を包含する環式脂肪族モノマーも又Ｔｇ＞１２５℃を有する。高いリップル電流の存在及び関連する熱損失が原因で、１２５℃に於いて作動するＰＭＣが１４０℃又は更に高い温度に到達し得ると言う事を考慮すると、調合されたポリマー誘電体のＴｇが１２５℃よりも多大、好ましくは１４０℃よりも多大である限りは、比誘電率、自己修復特性、及びより低いＤＦを最大化する様に設計されるポリマーの種々の調合物は、Ｔｇ＜１２５℃を有する一定の材料を包含し得る。
【００４２】
同時に、例えばＴｇ＝４１℃を有するヘキサンジオールジアクリレート、Ｔｇ＝６２℃を有するトリメチルプロパントリアクリレート、及びＴｇ＝９６℃を有するジメチルプロパンテトラアクリレート等の高度に架橋されたポリマー誘電体を齎す一定のモノマー（少なくとも２つのアクリレート基）も又、モノマーの分子量及び架橋性質が原因で１２５℃を超える温度に於いて安定なＤＦを有すると言う事が発見された。斯かるポリマー材料に因ってＰＭＣキャパシタを生産する時に、斯かるキャパシタが１２５℃に於いてＤＣ電圧の印加有りで寿命試験される時には、キャパシタ特性を急速に劣化させる高い湿気吸収がある、と言う事を我々は見出した。因って、ＤＦの温度依存的挙動の測定だけでは、其れを本発明にとって使用可能にするであろうＴｇをポリマーが有するかどうかを決定する為に充分ではない。ポリマー誘電体材料のＴｇを決定する為に、ＰＭＣを生産する為に用いられた物と同じ放射硬化条件を用いて、２０００層のポリマーのみのスタックを生産した。其れから、動的機械分析（ＤＭＡ）方法論を用いてポリマー誘電体の複素弾性率を温度の関数として測定して、Ｔｇを決定した。因って、高性能の高温ポリマー誘電体に至るモノマー調合物を選択するプロセスは複雑であり、当業者にとって自明ではない。
【００４３】
キャパシタ幾何学
本開示の教示に従うと、モノリシックポリマーキャパシタの幾何学は、例えば、高いリップル電流及び高い周囲温度を組み合わせるスイッチング用途を信頼性良く賄う様に考案される。関連技術は、モノリシックポリマーキャパシタのキャパシタエネルギー密度を増大させる為には、１０オーム／スクエアから５００オーム／スクエアの範囲のシート抵抗値に対応する抵抗率を有するキャパシタ電極を有する事が重要であると言う事を教示している）。シート抵抗に依存するキャパシタの等価直列抵抗（ＥＳＲ）はキャパシタ損失に寄与する。ＥＳＲのより低い値は、電極の導電率を増大させる事に依って容易に成し遂げられ得（此れは例えば電極厚さを増大させる事に依ってされ得る）、一方で、より厚い電極は不良な自己修復特性を齎す。本開示の目的の為に選ばれたアプローチは、少なくとも部分的には、キャパシタの幾何学の思慮深い選び方に根差しており、キャパシタの電極の厚さの総体的な増大を欠く。
【００４４】
我々は、（スイッチング回路に於ける高周波リップル電流等の）ＡＣ電流を使用する用途では、高い抵抗率はキャパシタ等価直列抵抗（ＥＳＲ）を増大させ、此れがＩ２Ｒに依るパワーの損失に至ると言う事を発見した（式中、ＲはＥＳＲを表現し、ＩはＡＣ電流を表現する）。パワー損失から齎される物は、キャパシタの加熱を増大させた。此れは其れ自体で又は高い周囲温度との組み合わせでキャパシタ故障に至り得る。我々は、電流の熱効果を最小化し乍ら、自己修復プロセスを助けるより高いレベルのシート抵抗を有する電極をも又維持する為には、キャパシタの幾何学は、其れが現実的である程にキャパシタのＥＳＲを縮減する様に選ばれなければ成らないと言う事を決定した。此のゴールは、別の直交する方向よりも多大な度合迄１つの方向に延ばされて細長である様に、キャパシタの本体を成形する事と、其の様に成形されたキャパシタの長手側に終端構造を確立する事とに依って達成され得る。電極のシート抵抗の標的値がより高い程、終端エッジの大きさ対別のエッジの物の比はより高くなければ成らない。例えば、（キャパシタの層に対して垂直に眺められる時に）正方形として成形され、且つ５０オーム／スクエアのシート抵抗を有する電極を有する２０００層キャパシタは、凡そ２５ｍオームと言う共振周波数に於けるＥＳＲを有する。然し乍ら、キャパシタが終端側に沿って其の幅の５倍長い場合には、ＥＳＲ値は、５ｍオーム迄凡そ５倍落ち、加熱損失も同様である。図５Ａ、５Ｂ、及び５Ｃは対応する図解を提供している。此れ等のうち図５Ａ、５Ｂは２つのＰＭＣ５１０、５５０の例を示しており、図５Ｃはキャパシタ５１０、５５０の何れかの縮尺無しの断面を図解している。図５Ａに示されている通り、例えば、キャパシタは一般的に角柱として成形される（又は、異なって言い表すと、角柱形状を有する）。角柱は、２つの合同な底面を有し、且つ底面に対して直交する追加の側として平行四辺形を有する多面体として定義される。示されている通り、Ｌ×Ｗの寸法の２つの対向するファセットは角柱形状のキャパシタ５１０の底面を表す。１つの特定の実装に於いて、キャパシタは、直角柱  −  即ち、底面に対して垂直なエッジを有する角柱として構成され得る。キャパシタ５１０、５５０の夫々は数千の図５Ｃに示されているキャパシタ電極層５１２を包含する。複数の層５１２はキャパシタ構造の終端ファセット５１４に於いて終端コーティング５２０（例えば電気アーク溶射に依って形成される）に依って接続され、此れは電極層５１２を一緒に電気的に短絡させ、全体としてのキャパシタを充放電する為の接点を確立する。ＰＭＣの構造の機械的強度を改善し及び接触抵抗を縮減する為に、電極５１２は、有効キャパシタ面積の外側に且つ終端コーティング５２０の近傍にヘビーエッジ５３０を有する様に構成される。その結果、個々の電極層のより厚いエッジ部分はキャパシタ自己修復特性に影響を及ぼさない。キャパシタ自己修復プロセスを最大化する為には（此れは、ＥＳＲへのより高いシート抵抗のインパクトをも又最小化し乍ら、より高いシート抵抗値を有する電極の使用を要求する）、本発明の実施形態に従って考案されるＰＭＣの一般的な幾何学及び比Ｌ／Ｗは、Ｌ／Ｗ≧１且つ好ましくはＬ／Ｗ＞２のキャパシタ５１０の物を踏襲すべきであると言う事が発見された。
【００４５】
１つの実装に於いて、斯かる幾何学は、ＰＭＣ構造の内部に於いて電極を直列に接続する事に依って、キャパシタ電圧を増大させると同時に、現実的ではないキャパシタ形状に頼る事無しに、達成される。此れは図５Ｄの例に模式的に図解されており、此処では、ＰＭＣ５６０が直列な電極の３つの内部セクション５４０を含有する事が示されている。此れは、斯かる直列接続を欠く図５Ｃに示されているケースと比較して３の係数だけ、３つのサブキャパシタ構造の夫々のＬ／Ｗ比を有効に増大させる。ＰＭＣを取扱中の損傷から保護する為に、追加の保護誘電体層がマザーキャパシタ材料の両側に成膜されると言う事にも又留意されるべきである。
【００４６】
本発明を実施し、少なくとも１２５℃程も高い温度に於いて信頼性良く動き得るＰＭＣを生産する為には、キャパシタ電極はパッシベーションされなければ成らない。全てのメタライズフィルムキャパシタの可能性としての故障に至るメカニズムは、高温及び高湿度を有する環境に於けるキャパシタの寿命中の過剰なキャパシタンス損失を包含する。典型的には、殆どの用途では、キャパシタンスの損失が約５％から１０％を超える場合には、キャパシタは故障したと考えられる。
【００４７】
斯かる腐食メカニズムを最小化する為の２つの異なる方法を本発明の実施形態に従って考案した。１つの斯かる方法は、ＰＭＣが一定の温度（特に、２００℃から２８０℃の範囲の温度）よりも上に加熱される時には、有機金属結合が金属電極の表面とポリマー誘電体との間に形成され、電極の金属への水のアクセスをブロックする事を齎すと言う発見に起因する。金属電極は真空中に於いて酸化性ガスの非存在下で形成されるので、電極の高度に反応性の表面（アルミニウム、亜鉛、又は他の金属から作られる）は、ＰＭＣの既に形成されたポリマー誘電体材料中のポリマー又は残存モノマーと反応する事を強制され得る。電極表面の有機金属結合は水の分子が表面に到達する事をブロックし、其れ故に電極の耐食性を増大させる。例えば、２千層のヘキサンジオールジアクリレート放射硬化モノマーを用いて生産されたＰＭＣキャパシタは、１２５℃且つ３０ｐｓｉの水蒸気で１時間に渡って加速腐食試験チャンバーに置かれた時に、電極の丸々の腐食を見せる。其の結果として、元々は金属の電極表面の殆どが透明な酸化アルミニウムへと換わる。
【００４８】
有利には、本発明の実施形態に従って作製されたＰＭＣの電極を同じチャンバーに依って２６０℃で６時間に渡ってベーキングした時には、キャパシタ電極は如何なる明らかな劣化も見せなかった。異なる誘電体材料を採用するキャパシタでは、要求されるパッシベーション温度はポリマーの化学的性質と上昇した温度へのキャパシタの暴露の時間とに依って変わり得る。本発明の実施形態に用いられ得る殆どの放射硬化ポリマー誘電体材料について、１６０℃に於けるパッシベーションは少なくとも６から７日のベーキングを要求し、一方で、２００℃に於けるパッシベーションは此のプロセスの持続時間を２４時間迄縮減し、２４０℃に於けるパッシベーションは所望の結果を達成する為に１２時間のベーキングのみを要求すると言う事が経験的に示された。
【００４９】
本発明の別の実装に従うと、キャパシタ電極は、成膜プロセスの間に其れらを酸化性プラズマに暴露する事に依ってパッシベーションされる。プラズマは酸素又は電極表面と反応する他のガスを含有し得る。真空チャンバーに於いて成膜された（例えばアルミニウム電極等の）金属電極がチャンバーに於いて酸素含有ガスに暴露される時には、高品質なＡ２Ｏ３酸化物が其の表面に形成され、此れは、空気（酸素及び湿気両方を含有する）への金属表面の暴露に依って形成される水和酸化物（Ａｌ２Ｏ３・（Ｈ２Ｏ））よりも優れている。関連する実施形態に於いては、Ｏ２、Ａｒ、ＣＯ２、Ｎ２、及びＮ２Ｏ、並びに其れ等の混合物を包含する異なるプラズマガスが此のプロセスに首尾良く用いられた。
【００５０】
電極パッシベーションを向上させる為の尚別の方法は、其の上への電極層の成膜に先行して、キャパシタのポリマー誘電体層を酸化性ガスを含有するプラズマに暴露する事に依って発見された。酸化性ガスは、（例えばカルボキシル及びヒドロキシル基等の）ポリマーの表面上の官能基を作り出す事が示された。此れ等は電極層の金属と反応し、パッシベーションプロセスを助ける。
【００５１】
際立って、信頼性良いＰＭＣの作製に伴う課題の１つは、層５２０に依って一緒に短絡させられる「ヘビーエッジ」５３０を薄いキャパシタ電極５１２が意図的に備えるＰＭＣ構造の個々の電極層（例えば、図５Ｃ及び５Ｄの実施形態の電極５１２）との信頼性良く且つ機械的に強い電気的接触を、如何にして確立するかである。ヘビーエッジ５３０を一緒に有効に短絡させる為に、図６Ａの終端エッジ表面のＳＥＭ由来の像に依って示されている通り、キャパシタエッジのポリマーはプラズマアッシングに依って取り除かれる。個々の電極の暴露される部分６１２の長さはキャパシタ設計及び電極間の誘電体材料６１４の厚さに依って変わる。電極の部分６１２を暴露した後には、具体的な用途と溶射された終端にリードが取り付けられる様式とに依存して、例えば暴露された部分６１２を金属（例えば、単に少数を挙げると、アルミニウム、亜鉛、真鍮、半田、又は其れ等の組み合わせ）の１つ以上の層に依ってアーク溶射する事に依って、電極を一緒に接続する事が遂行され得る。齎される終端は殆どの用途にとって充分であるが、サーフェスマウント用途では、加えて、アーク溶射された終端は導電性エポキシに依ってコーティングされ、其れから再びアーク溶射され、半田付け可能なコーティングに依って鍍金され得る。導電性エポキシは熱機械的ショックアブソーバーとして作用して、キャパシタ終端を損傷させる事無しにプリント基板上の構造の熱膨張及び収縮を容易化する。
【００５２】
関連する実施形態に於いては、代替的な終端方法を開発した。此れに従うと、プラズマアッシングを行って、図６ＢのＳＥＭに依ってキャプチャした断面に依って示されている通り、ヘビーエッジ５３０のコントロールされた長さ６１８を暴露した。其れから、電極の其の様に暴露された部分６１８を図６Ｃに示されている多層スパッタコーティング６２４に依ってコーティングした。多層スパッタコーティング６２４は、（アルミニウム）電極の暴露された部分６１８、及び部分６１８同士を離間するポリマー誘電体材料の暴露された表面６３０に、並びに次の加工ステップに用いられる材料に、其れ自体を結合する様に作用する。此のステップは用途に依存して変わり、スパッタされた電極の半田付け（スパッタコーティングが例えば銅を包含する時）、又はスパッタされた電極を導電性エポキシに依ってコーティングする事を包含し得る。此れはアーク溶射され、其れから金属鍍金される。
【００５３】
本発明の実施形態に従うキャパシタを生産する中では、追加の加工ステップが任意に行われ得る。此れ等のプロセスの幾つかは関連技術に依って論及されており（例えば、米国特許第５，０１８，０４８号；米国特許第５，７１６，５３２号；及び米国特許第６，０９２，２６９号を見よ。此れ等の夫々の開示は参照に依って本願に組み込まれる）、単に少数を挙げると、脱金属ゾーンを作り出す事（例えば、シャドーマスク法又はオイル蒸気マスク法を用いる内部直列接続の為に用いられる物；マザーキャパシタ材料を裁断する事；より高い電圧に於けるフラッシュオーバーを防ぐ為に個々のキャパシタの暴露されたエッジをエッチングする事；キャパシタスタックの底部及び頂部に保護層（例えば、此れ等はメタライズ及びポリマーのみの層を包含し得る）を包含する事、リード取り付け、並びに齎される構造の封止成形を包含する。
【００５４】
本願は、従来のＰＭＣの物よりも優れた自己修復特性を持つポリマー誘電体材料を含有するＰＭＣに対処する。本発明の実施形態は、１２５℃及びより高い温度に於いて作動し、一方で作動温度の範囲に渡って安定な散逸率を維持し、耐食性の電極を持つ様に構成される。此れ等のモノリシックポリマーキャパシタのポリマー誘電体材料は、選ばれた作動温度よりも高いガラス転移温度を特徴とし、安定な散逸率及び縮減された湿気吸収に寄与する。角柱状のキャパシタ形状（此れは特定の長さ対幅比を有する）と組み合わせられたガラス転移温度の斯かる選び方は、ＤＣ電圧を高周波リップル電流と組み合わせる高温スイッチング用途を賄う為に独特に適したＰＭＣを齎す。
【００５５】
上で略述されている解決手段の使用に依る単一のＰＭＣの作製は、ボンネット内の自動車用途にとって典型的な条件に於いて用いられる時に、関連技術のメタライズポリプロピレンキャパシタと比較して優れた性能及び耐久性を有するキャパシタを生み出す。
【００５６】
本開示及び添付の請求項の目的の為には、目下の値、要素、特性、又は特徴の記述子を参照しての用語「実質的に」、「凡そ」、「約」、及び類似の用語の使用は、参照されている値、要素、特性、又は特徴が、必ずしも厳密に述べられている通りではないが、其れにも関わらず、現実的な目的の為には、当業者に依って述べられている通りと考えられるであろうと言う事を強調する事を意図される。此れ等の用語は、指定されている特徴又は品質記述子に適用される際に、「殆ど」、「主に」、「可成り」、「全般的に」、「本質的に」、「多大な又は有意な程度迄」、「必ずしも全体的にではないが大体は同じ」を意味して、例えば概算の言葉を適当に表現し、其の範囲が当業者に依って理解される様に指定されている特徴又は記述子を記載する。１つの特定のケースでは、用語「凡そ」、「実質的に」、及び「約」は、数値を参照して用いられる時には、指定されている値からプラス又はマイナス２０％、より好ましくはプラス又はマイナス１０％、更により好ましくはプラス又はマイナス５％、最も好ましくは指定されている値からプラス又はマイナス２％の範囲を表す。限定しない例として、互いに「実質的に等しい」２つの値は、２つの値の間の差が、値其れ自体の＋／−２０％の範囲内、好ましくは値其れ自体の＋／−１０％範囲内、より好ましくは値其れ自体の＋／−５％の範囲内、更により好ましくは値其れ自体の＋／−２％以下の範囲内であり得ると言う事を含意する。
【００５７】
選ばれた特徴又は概念を記載する際の此れ等の用語の使用は、非限定性について及び指定されている特徴又は記述子に数的限定を追加する事について、何れかの根拠を含意も提供もしない。当業者に依って理解される通り、述べられている物からの斯かる値、要素、又は特性の厳密な値又は特徴の現実的な偏差は、斯かる目的の為に当分野に於いて受け入れられている測定方法を用いる時に典型的である実験測定誤差に依って定義される数的範囲に属し、その中で変わり得る。異なる現実的な状況に適用される用語「実質的に」、「約」、及び／又は「凡そ」の意味の他の特定の例は、本開示の他所に於いて提供されてい得る。
【００５８】
本明細書に於いて成される「１つの実施形態」、「実施形態」、「関連する実施形態」、又は類似の言葉への参照は、言われている「実施形態」との繋がりに於いて記載されている具体的な特質、構造、又は特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態に包含されると言う事を意味する。其れ故に、此れ等の言い回し及び用語の出現は同じ実装を言い得るが、必ずしもではない。本開示の如何なる部分も、単独で及び図との可能な繋がりに於いて取り上げられて、本発明の全ての特質の完全な記載を提供する事を意図されてはいないと言う事は理解されるであろう。
【００５９】
総体的には、キャパシタ技術の現実的な実装に影響を及ぼす課題の１つは、電極厚さ及び使用される誘電体材料の化学的性質の課題を包含すると言う事を当業者は直ちに認識するであろう。此の課題の対処は大体は関連技術の注目を逃れて来た。何故なら、此の課題に対処する事はキャパシタ技術の低電圧用途にとって重大であるとは考えられていないからである。例として、０．１マイクロファラドから１マイクロファラドの容量を有する５０Ｖ定格の従来の当分野に於いて公知のＰＭＣキャパシタは、１マイクロメートル厚のポリマー誘電体層を利用する。従って、例えば５００マイクロファラド〜１０００マイクロファラドの範囲及び５００Ｖ〜１０００Ｖ範囲の定格を有する電気輸送機器インバータ用途の為のキャパシタは、ずっと厚い誘電体を要求し、因って無理があるくらい大きいであろう。対照的に、本発明のＰＭＣキャパシタは、厚さが０．６マイクロメートルであるポリマー誘電体の３つの内部直列では６００Ｖ程も高い定格であり得る（即ち、誘電体材料の厚さの１マイクロメートル当り３３３Ｖ）。キャパシタエネルギー密度が電圧の二乗（Ｖ２）に比例すると言う事を考えると、本発明の発想に従って実装されるＰＭＣキャパシタは、関連技術の従来実装されているキャパシタの物よりも約４４×高いエネルギー密度を有する。其の様に実装されたキャパシタが、エネルギー密度の〜２×増大でさえも既に有意であると一般的に考えられる（例えば、電気及びハイブリッド輸送機器のインバータ等の）モバイルプラットフォームに用いられる時には、斯かる押し上げられたエネルギー密度特徴は、有意な作動の利点を提供する。
【００６０】
際立って、本発明のＰＭＣキャパシタの別の用途は、ハイブリッド及び電気輸送機器インバータの為のＤＣリンク用途への使用である。電気輸送機器インバータでは、キャパシタは多くの場合に数１００Ａｍｐのリップル電流を取扱わなければ成らない。電流は電極が熱を散逸する事を引き起こす（Ｉ２Ｒに依って決定され、式中、Ｉは電流であり、Ｒはキャパシタ等価直列抵抗ＥＳＲであり、此のＥＳＲは、単一のＰＭＣキャパシタを形成する為に平行に接続されている数千のキャパシタ電極のシート抵抗に主に依存する）。他所に記載されている通り、高いシート抵抗の値を持つ電極は自己修復特性を改善するが、当然の事乍ら、斯かる電極はより多くの熱をも又散逸し、此れはキャパシタ性能に悪影響を及ぼし得る。散逸率として公知のキャパシタ特徴（此れは所与のキャパシタの加熱に寄与し、且つ此れは斯かるキャパシタが採用されるインバータの回路損失をも又引き起こす）は、ポリマーの材料調合（ポリマー調合）に依って直接的影響を及ぼされる。例えば、１０〜１００オーム／スクエアの範囲内の電極シート抵抗を有するＰＭＣでは、キャパシタ加熱の効果を管理する為に（例えば、インバータ用途に於いてキャパシタ加熱を縮減し回路損失を回避する為に）、散逸率は現実的には０．０２未満の値に限定され得る。
【００６１】
低い散逸率を有する高度自己修復ＰＭＣキャパシタを生産する為には、ＰＭＣキャパシタは高い電極シート抵抗を包含し得、此れは、斯かるＰＭＣキャパシタが其の作動の間に（例えば、比較的低いシート抵抗値を有する電極を有するＰＭＣキャパシタと比較して）より加熱する事を引き起こすであろう。本発明の幾つかの実施形態が１００℃よりも上の温度で作動する様に構成され得ると言う事を考慮すると、斯かる実施形態の構造の誘電体層（単数又は複数）が作動温度よりも下で機械的緩和を受ける事（Ｔｇに依って決定される）を防ぐ事が重要であり得る（当業者は、誘電体層が作動温度よりも下で機械的緩和を受ける事に成る場合には、其れはキャパシタ性能に悪影響を及ぼし得ると言う事を認識するであろう）。因って、ＰＭＣキャパシタの電極シート抵抗が高い様に選ばれる場合には（例えば、１０〜１００オーム／スクエア）、ＰＭＣキャパシタの対応する誘電体層（単数又は複数）のＴｇも又、高い様に選ばれるべきである（例えば、１００℃よりも多大）。際立って、高い電極シート抵抗を有するＰＭＣキャパシタのＴｇの此の条件は任意であり得、キャパシタが大きい電流を取扱いする事を要求されない用途に用いられる事が意図されているＰＭＣの実施形態にとって必要ではない。
【００６２】
自明な性質の種々の変更及び改変が成され得、全ての斯かる変更及び改変が本発明の範囲に属すると考えられると言う事は当業者には直ちに明らかであろう。
【００６３】
符号の説明
２１０  −  ４−ｔｅｒｔ−ブチルシクロヘキシルアクリレートポリマー誘電体を有するキャパシタの散逸率（ＤＦ）曲線
２２０  −  ジシクロペンタニルアクリレートポリマー誘電体を有するキャパシタのＤＦ曲線
２３０  −  トリシクロデカンジメタノールジアクリレート及びトリアリルイソシアヌレートポリマー誘電体を有するキャパシタのＤＦ曲線
３１０  −  ４３℃ガラス転移温度を有するＰＭＣキャパシタのキャパシタンス変化曲線
３２０  −  １００℃ガラス転移温度を有するＰＭＣキャパシタのキャパシタンス変化曲線
４１０  −  ＤＣ電圧バイアス有りの、４３℃ガラス転移温度を有するＰＭＣキャパシタのキャパシタンス変化曲線
４２０  −  ＤＣ電圧バイアス有りの、４３℃ガラス転移温度を有するＰＭＣキャパシタのキャパシタンス変化曲線
５１０  −  モノリシックポリマーキャパシタ（ＰＭＣ）
５１２  −  電極
５１４  −  終端ファセット
５２０  −  終端コーティング
５３０  −  ヘビーエッジ
５４０  −  直列な電極の３つの内部セクション
５５０、５６０  −  ＰＭＣ
６１２  −  個々の電極の暴露される部分
６１４  −  誘電体材料
６１８  −  ヘビーエッジの暴露される部分
６２４  −  多層スパッタコーティング
６３０  −  ポリマー誘電体材料の暴露される表面
【図１Ａ】
2020519003.tif 000003
【図１Ｂ】
2020519003.tif 000004
【図２】
2020519003.tif 000005
【図３】
2020519003.tif 000006
【図４】
2020519003.tif 000007
【図５Ａ】
2020519003.tif 000008
【図５Ｂ】
2020519003.tif 000009
【図５Ｃ】
2020519003.tif 000010
【図５Ｄ】
2020519003.tif 000011
【図６Ａ】
2020519003.tif 000012
【図６Ｂ】
2020519003.tif 000013
【図６Ｃ】
2020519003.tif 000014
【国際調査報告】
2020519003.tif 000015
2020519003.tif 000016
2020519003.tif 000017