Процесс производства твердотельного многослойного полимерного конденсатора (MLPC)

Твердотельные ламинированные полимерные конденсаторы или проводящие ламинированные полимерные конденсаторы типа чипа, английское название — многослойный полимерный конденсатор (сокращенно MLPC), представляют собой новый тип твердотельных конденсаторов, разработанный в последние годы.

MLPC, для краткости можно назвать его многослойным твердотельным конденсатором. Отличие его от традиционного твердотельного конденсатора заключается в точке «укладки».

Традиционные твердотельные конденсаторы, такие как жидкие алюминиевые электролитические конденсаторы, обычно намотаны. Намотав положительную алюминиевую фольгу, электролитическую бумагу и отрицательную алюминиевую фольгу вместе, чтобы сделать цилиндр, затем пропитайте его электролитом или проводящим полимером, поместите его в алюминиевую оболочку и наденьте на него резиновую заглушку, и в основном завершите простой после герметизации. Обмоточные конденсаторы.

Согласно личным исследованиям некоторых патентов и литературы, общий процесс производства твердотельных стековых конденсаторов выглядит примерно следующим образом:

Сначала разъедайте алюминиевую фольгу, чтобы сформировать пористый оксидный слой, затем нанесите проводящий полимер на оксидный слой в качестве катода, затем сложите несколько слоев вышеупомянутой алюминиевой фольги вместе, затем покройте углеродной пастой, чтобы сформировать углеродное покрытие, и покройте серебряной пастой. для формирования серебряного покрытия и, наконец, герметизации эпоксидной смолой.

Ранее также подчеркивалось, что разница между ламинированными твердотельными конденсаторами и традиционными намотанными твердотельными конденсаторами заключается в точке «укладки». Однако, независимо от того, сложены ли они или намотаны, в качестве катода конденсатора по-прежнему используются проводящие полимеры. Поэтому технической проблемой по-прежнему остается технология нанесения проводящих полимеров на катод. Ниже обсуждаются родственные технологии проводящих полимеров.

Какой проводящий полимер используется?

К настоящему времени разработана технология проводящих полимеров, и полианилин, полипиридин и политиофен применялись для твердотельных конденсаторов. В настоящее время в обычных твердотельных конденсаторах в качестве проводящих полимеров в основном используются производные политиофена — поли 3,4-этилендиокситиофен (ПЭДОТ).

В предыдущих исследованиях и разработках многослойных твердотельных конденсаторов проектная группа в основном использовала PEDOT в качестве проводящего полимера. Однако, поскольку структура многослойного твердотельного конденсатора соответствует конструкции традиционного твердотельного конденсатора с обмоткой, нельзя сказать, что PEDOT все еще используется.

Я ссылался на анонсы продуктов на официальных сайтах Panasonic, Aihua и Jianghai, но ни один из них не указал, используется ли PEDOT в многослойном конденсаторе. В публичном документе Aihua Group от 2017 года о строительстве линии по производству ламинированных твердотельных конденсаторов, а именно «Форме отчета о воздействии на окружающую среду проекта производства ламинированных твердотельных алюминиевых электролитических конденсаторов», упоминается, что EDOT используется в качестве сырья, поэтому по крайней мере, точно известно, что проводящий полимер, используемый Aihua Group, должен быть PEDOT.

Хотя в патентах компании Fujian Guoguang описано множество процессов использования полипиррола для изготовления ламинированных твердотельных конденсаторов, но в патентах на ламинированные твердотельные конденсаторы лидера отрасли Panasonic в основном в большинстве из них в качестве проводящего полимера используется PEDOT. Поэтому, на мой взгляд, PEDOT по-прежнему является наиболее зрелой технологией в качестве проводящего полимера.

Технология нанесения ПЭДОТ

Взяв в качестве примера традиционный твердотельный конденсатор с обмоткой, текущие методы осаждения PEDOT включают электрохимическую полимеризацию, исходную полимеризацию и использование дисперсии PEDOT/PSS.

Электрохимическая полимеризация

Для электрохимической полимеризации сначала необходимо нанести вспомогательный электродный слой на поверхность изолирующего диэлектрика (такой как исходная полимеризация или пиролитическое осаждение диоксида марганца, упомянутое ниже), а затем контактировать внешний электрод со вспомогательным электродным слоем. Электролитно-окислительную полимеризацию проводили в растворе электролита, приготовленном из мономера и фонового электролита.

В процессе полимеризации, чтобы полимеры в каждой части были распределены равномерно, необходимо контролировать силу тока и положение электрода в области катода, а общих контрольных точек много и они сложны. Между тем, инвестиции в оборудование для метода электрохимической полимеризации намного выше, чем для традиционного процесса пропитки, а надежный контакт каждого отдельного анода является сложной задачей для массового производства. Поэтому технология электрохимической полимеризации PEDOT в настоящее время мало используется.

Однако основными преимуществами электрохимической полимеризации являются высокая степень использования материала и хорошая однородность формируемого полимера внешнего слоя.

Полимеризация на месте

При исходной полимеризации мономеры полимеризуются под действием окислителя. Среди них ионы окислителя или другие ионы используются в качестве примесей. Мономер и окислитель можно вводить последовательно или предварительно реагировать и смешивать перед введением в пористую структуру анода.

Взяв в качестве примера PEDOT, трехвалентное железо обычно используется в качестве окислителя (например, п-толуолсульфонат железа) для окислительной полимеризации, а п-толуолсульфонат используется в качестве противоиона, легированного в полимер, для стабилизации положительного заряда в основной цепи. ПЕДОТ.

В конкретном процессе сердечник конденсатора сначала погружают в раствор окислителя, затем прокаливают для испарения растворителя, затем погружают в EDOT, а затем полимеризуют при определенных условиях температуры и влажности. В нормальных условиях проводящий полимер, нанесенный таким способом, относительно мал и не может полностью покрыть пористую алюминиевую фольгу, поэтому ее необходимо многократно пропитывать. Перед циклической пропиткой необходимо смыть остатки мономера и соли-окислителя на аноде после предыдущей полимеризации. Если очистка грязная, это может повлиять на характеристики ESR твердотельного конденсатора.

Проблема с этим процессом полимеризации на месте заключается в том, что процесс обработки является громоздким, и каждый цикл пропитки требует двух пропиток. Более того, поскольку ЭДОТ и окислитель не могут быть полимеризованы по стехиометрическому соотношению, а требуется избыток ЭДОТ, коэффициент использования ЭДОТ очень низкий. В то же время при многократных циклах пропитки остаточные мономеры и соли-окислители необходимо очищать органическим растворителем после каждой полимеризации, что еще больше усложняет процесс.

В дополнение к вышеописанному процессу также может быть изменен порядок пропитки окислителем и ЭДОТ. Другие также предварительно смешивают мономер и окислитель в соответствии со стехиометрическим соотношением, а затем используют сердечник конденсатора для сдерживания процесса погружения предварительно перемешанного раствора.

Хотя первоначальный процесс полимеризации громоздкий, он широко используется в промышленности, а также является исходным процессом, используемым в большинстве твердотельных конденсаторов. Однако сложный и громоздкий процесс повлияет на производительность каждой партии конденсаторов, влияя на выход продукции и стабильность качества продукции.

Дисперсия PEDOT/PSS

Использование проводящей полимерной дисперсии PEDOT/PSS является тенденцией развития твердотельных конденсаторов в последние годы.

Для дисперсии PEDOT/PSS, как правило, в условиях раствора полистиролсульфоновой кислоты, EDOT окисляют персульфатом натрия для синтеза дисперсии PEDOT/PSS. Среди них роль PSS может способствовать диспергированию PEDOT в воде, а также в определенной степени играть роль противоиона.

Дисперсия PEDOT/PSS упрощает производственный процесс электрохимической полимеризации и полимеризации на месте. Для производителей конденсаторов требуется только простой процесс нанесения покрытия и осаждения, не связанный с производством полимеров и более удобный для контроля. В то же время операция по очистке побочных продуктов соли железа, влияющих на работу конденсатора, также не проводится. Кроме того, в дисперсии в качестве растворителя используется вода, что снижает использование органических растворителей, что относительно больше подходит для зеленого производства.

Конечно, это еще больше проверит технологию производства PEDOT/PSS. С точки зрения производства необходимо учитывать степень дисперсии и электропроводность PEDOT / PSS, а также более сложная рецептура. Добавки необходимы для улучшения степени адгезии и пленкообразующих характеристик токопроводящего полимера и алюминиевой фольги.

Технология напыления слоистых твердотельных конденсаторов

Выше упоминалась технология осаждения проводящих полимеров в обычных твердотельных конденсаторах. Что касается ламинированного твердотельного конденсатора, поскольку он состоит из нескольких конденсаторов, установленных параллельно, размер одного конденсатора очень мал (максимальный размер ламинированного твердотельного конденсатора составляет всего 7,3x4,3 мм), что, очевидно, меньше, чем у этого конденсатора. конденсатора обмотки. Размер алюминиевой фольги, поэтому значительно труднее наносить проводящие полимеры на такой небольшой конденсатор, чем на обычные твердые конденсаторы.

В то же время, поскольку ламинированный твердотельный конденсатор также покрыт углеродным слоем и слоем серебра с внешней стороны проводящего полимера, необходимо учитывать, что углеродный слой и слой серебра проникают в диэлектрик и влияют на ток утечки, а также необходимо учитывать механическое давление из-за технологии упаковки. Повреждение полимерного слоя. Поэтому полимерный слой ламинированного твердотельного конденсатора должен обеспечивать более плотное покрытие конденсатора.

Итак, какой процесс следует использовать?

Что касается электрохимической полимеризации, то сложность процесса самая высокая, особенно когда полимеризация проводится на таком малом размере, как ламинированный конденсатор, сложность возрастает еще больше, что увеличивает входные затраты на массовое производство. Однако, как упоминалось ранее, полимер, образованный электрохимической полимеризацией, является однородным, и за счет усовершенствования процесса на него все еще можно наносить плотное покрытие.

В основном, для многослойных твердотельных конденсаторов, использующих методы полимеризации на месте, скорость полимеризации должна более контролироваться, чтобы наносить более плотные полимерные слои.

Что касается дисперсионной жидкости PEDOT/PSS, то для реализации характеристик многослойного твердотельного конденсатора требования к производительности для нее самой выше. Таким образом, с точки зрения патентов у Panasonic больше связанных патентов в этой области, в то время как у других компаний их сравнительно немного. Подсчитано, что дисперсия PEDOT/PSS не может быть хорошо применена к ламинированным твердотельным конденсаторам.

Подведем итог

Производство твердотельных слоистых полимерных конденсаторов (MLPC) по-прежнему основано на проводящем полимере PEDOT. Полимеризация на месте является основной технологией осаждения, но направление развития по-прежнему остается дисперсией PEDOT/PSS.

Для получения дополнительной информации о конденсаторах, пожалуйста, следите за нашим блогом.