Înțelegerea condensatorilor de film într-un articol: cunoștințe de bază de la materiale la structură

I. Material de bază: Film subțire dielectric

Filmul dielectric este „inima” de a condensator de film , determinând direct limita superioară a performanței de bază a condensatorului. Ele sunt împărțite în principal în două categorii:

1. Filme subțiri tradiționale (non-polare).

Polipropilenă (PP, BOPP):

• Caracteristici de performanță: Pierdere extrem de scăzută (DF ~ 0,02%), constantă dielectrică stabilă, caracteristici bune de temperatură și frecvență și rezistență ridicată de izolație. În prezent, este materialul cu peliculă subțire cu performanță generală și cea mai largă gamă de aplicații.
• Aplicatii: Aplicații de înaltă frecvență, puls ridicat și curent ridicat, cum ar fi invertoare, surse de alimentare comutatoare, circuite rezonante și crossovere audio de ultimă generație.

Poliester (PET):

• Caracteristici de performanță: Constantă dielectrică ridicată (~3,3), cost scăzut și rezistență mecanică bună. Cu toate acestea, are pierderi relativ mari (DF ~ 0,5%) și caracteristici de temperatură și frecvență slabe.
• Aplicatii: Aplicații de curent continuu și de joasă frecvență în care există cerințe pentru raportul capacitate-volum, dar nu cerințe ridicate pentru pierderi și stabilitate, cum ar fi electronice de larg consum, blocare generală a curentului continuu și bypass.

Sulfura de polifenilen (PPS):

• Caracteristici de performanță: Rezistență la temperaturi ridicate (până la 125°C și mai sus), stabilitate dimensională și pierderi mai mici decât PET. Cu toate acestea, costul este mai mare.
• Aplicatii: Electronice auto, dispozitive de montare pe suprafață la temperatură înaltă (SMD), filtre de precizie.

Poliimidă (PI):

• Caracteristici de performanță: Regele rezistenței la temperaturi înalte (până la 250°C sau mai mare), dar este scump și greu de prelucrat.
• Aplicatii: Medii aerospațiale, militare, cu temperaturi ridicate.

2. Filme subțiri emergente (polare) - Reprezentând temperatură ridicată și densitate mare de energie

Naftalat de polietilenă (PEN):

• Performanța sa este între cea a PET și PPS, iar rezistența la căldură este mai bună decât cea a PET.

Polibenzoxazol (PBO):

• Cu rezistență la căldură ultra-înaltă și rezistență dielectrică ultra-înaltă, este un material potențial pentru viitorii condensatori de film de antrenare a vehiculelor electrice.

Fluoropolimeri (cum ar fi PTFE, FEP):

• Are caracteristici de înaltă frecvență și pierderi extrem de reduse, dar este dificil de procesat și are costuri ridicate, așa că este folosit în circuite speciale de microunde de înaltă frecvență.

Compensații de bază în selecția materialelor:

• Constanta dielectrică (εr): Afectează eficiența volumetrică (volumul necesar pentru a obține aceeași capacitate).
• Tangenta de pierdere (tanδ/DF): Afectează eficiența, generarea de căldură și valoarea Q.
• Rezistenta dielectrica: Afectează tensiunea de rezistență.
• Caracteristicile temperaturii: Afectează intervalul de temperatură de funcționare și stabilitatea capacității.
• Cost și procesabilitate: Impactul asupra comercializării.

II. Structura de bază: Tehnologia de metalizare și electrozi

Esența condensatoarelor cu peliculă subțire constă în modul de construire a electrozilor pe pelicule subțiri și, din aceasta, pot fi derivate produse cu caracteristici diferite.

1. Tip electrod

Electrod din folie metalica:

• Structura: Folia metalică (de obicei aluminiu sau zinc) este laminată direct și înfășurată cu o folie de plastic.
• Avantaje: Capacitate puternică de a transporta curent ridicat (rezistență scăzută a electrodului), toleranță bună la supratensiune/supracurent.
• Dezavantaje: Dimensiune mare, fără capacitate de auto-vindecare.

Electrozi metalizați (tehnologie principală):

• Structura: Sub vid înalt, metalul (aluminiu, zinc sau aliajele acestora) este vaporizat pe suprafața unui film subțire sub formă atomică pentru a forma un strat de metal extrem de subțire cu o grosime de doar zeci de nanometri.
• Avantaje: Mic ca dimensiune și mare în volum specific, capacitatea sa de „auto-vindecare”. Când un material dielectric se descompune parțial, curentul instantaneu ridicat generat în punctul de defalcare face ca stratul subțire de metal din jur să se vaporizeze și să se evapore, izolând astfel defectul și restabilind performanța condensatorului.

2. Tehnologii cheie pentru electrozi metalizați (îmbunătățirea fiabilității)

Ieșirea marginii și îngroșarea marginii:

• Ieșirea marginii: În timpul depunerii de vapori, la marginea filmului este lăsată o zonă goală pentru a preveni scurtcircuitarea celor doi electrozi din cauza contactului la margine după înfășurare.
• Margini îngroșate (tehnologia curentă a siguranței): Stratul metalic de pe suprafața de contact (suprafața placată cu aur) a electrodului este îngroșat, în timp ce stratul metalic din zona activă centrală rămâne extrem de subțire. Acest lucru asigură o rezistență scăzută la contact la suprafața de contact și are ca rezultat mai puțină energie necesară pentru auto-vindecare, făcându-l mai sigur și mai fiabil.

Tehnologia electrodului divizat:

• Segmentare plasă/dungi: Împărțirea electrodului depus în vapori în mai multe zone mici, izolate reciproc (cum ar fi o plasă de pescuit sau dungi).
• Avantaje: Localizează potențiala auto-vindecare, limitând foarte mult energia și zona de auto-vindecare, prevenind pierderea capacității cauzate de auto-vindecarea pe suprafețe mari și îmbunătățind semnificativ durabilitatea și siguranța condensatoarelor. Aceasta este o tehnologie standard pentru condensatoare de înaltă tensiune și putere.

III. Design structural: înfășurare și laminare

1. Tip de bobinaj

Proces: Două sau mai multe straturi de pelicule subțiri metalizate sunt înfășurate într-un miez cilindric ca o rolă.

Tipuri:

• Înfășurare inductivă: Electrozii sunt scoși de la ambele capete ale miezului, rezultând o inductanță relativ mare.
• Înfășurare non-inductivă: Electrozii se extind de pe toată suprafața de capăt a miezului (fața de capăt metalică este formată printr-un proces de pulverizare a aurului). Calea curentului este paralelă, iar inductanța este extrem de scăzută, ceea ce o face potrivită pentru aplicații de înaltă frecvență, cu puls ridicat.

Avantaje:

• Tehnologie matură, gamă largă de capacitate și ușor de fabricat.

Dezavantaje:

• Nu este o formă plată, ceea ce poate duce la o eficiență scăzută a spațiului în unele configurații PCB.

2. Tip laminat (Tip dintr-o singură bucată)

Proces: Filmele subțiri cu electrozi pre-depuși sunt stivuite în paralel, iar apoi electrozii sunt conduși alternativ printr-un proces de conectare pentru a forma o structură multistrat „sandwich”.

Avantaje:

• Inductanță extrem de scăzută (ESL minim), potrivită pentru aplicații cu frecvență ultra-înaltă.
• Formă obișnuită (pătrată/dreptunghiulară), potrivită pentru plasarea SMT de înaltă densitate.
• O mai bună disipare a căldurii.

Dezavantaje:

• Procesul este complex și este dificil să se obțină o capacitate mare/tensiune mare, iar costul este relativ ridicat.

Aplicatii:

• Circuite de radiofrecvență de înaltă frecvență, decuplare, aplicații cu microunde.

IV. Concluzie: Efecte sinergice ale materialelor și structurilor

Performanța condensatoarelor cu film este rezultatul unei sinergie precise între proprietățile lor materiale și designul structural.

Tendințe viitoare de dezvoltare:

Inovare materiale: Dezvoltați noi filme polimerice cu temperaturi mai ridicate (>150°C) și densități mai mari de stocare a energiei (εr ridicat, Eb ridicat).

Structură rafinată: Controlul mai precis al modelelor de depunere de vapori (segmentarea la scară nanometrică) permite un control și o performanță mai bune de auto-vindecare.

Integrare și modularizare: Integrarea mai multor condensatori cu inductori, rezistențe etc., într-un singur modul, pentru a oferi o soluție holistică pentru sistemele electronice de putere.