Förstå filmkondensatorer i en artikel: Kärnkunskap från material till struktur

I. Kärnmaterial: Dielektrisk tunnfilm

Den dielektriska filmen är "hjärta" av en filmkondensator , som direkt bestämmer den övre gränsen för kondensatorns grundläggande prestanda. De är huvudsakligen indelade i två kategorier:

1. Traditionella (icke-polära) tunna filmer

Polypropen (PP, BOPP):

• Prestandaegenskaper: Extremt låg förlust (DF ~0,02%), stabil dielektricitetskonstant, bra temperatur- och frekvensegenskaper och hög isolationsresistans. Det är för närvarande det tunna filmmaterialet med den övergripande prestandan och det bredaste utbudet av applikationer.
• Applikationer: Tillämpningar med hög frekvens, hög puls och hög ström, såsom växelriktare, switchande strömförsörjning, resonanskretsar och avancerade ljudfilter.

Polyester (PET):

• Prestandaegenskaper: Hög dielektricitetskonstant (~3,3), låg kostnad och god mekanisk hållfasthet. Den har dock relativt höga förluster (DF ~0,5%) och dåliga temperatur- och frekvensegenskaper.
• Applikationer: DC- och lågfrekventa applikationer där det finns krav på kapacitet-till-volymförhållande men inte höga krav på förlust och stabilitet, såsom hemelektronik, allmän DC-blockering och bypass.

Polyfenylensulfid (PPS):

• Prestandaegenskaper: Hög temperaturbeständighet (upp till 125°C och högre), dimensionsstabilitet och lägre förlust än PET. Kostnaden är dock högre.
• Applikationer: Bilelektronik, ytmonteringsanordningar för hög temperatur (SMD), precisionsfilter.

Polyimid (PI):

• Prestandaegenskaper: Kungen av högtemperaturbeständighet (upp till 250°C eller högre), men den är dyr och svår att bearbeta.
• Applikationer: Flyg-, militär-, högtemperaturmiljöer.

2. Framväxande (polära) tunna filmer - representerar hög temperatur och hög energitäthet

Polyetylennaftalat (PEN):

• Dess prestanda ligger mellan PET och PPS, och dess värmebeständighet är bättre än PET.

Polybensoxazol (PBO):

• Med ultrahög värmebeständighet och ultrahög dielektrisk styrka är det ett potentiellt material för framtida elektriska fordonsdrivfilmkondensatorer.

Fluoropolymerer (som PTFE, FEP):

• Det har högfrekventa egenskaper och extremt låga förluster, men det är svårt att bearbeta och har höga kostnader, så det används i speciella högfrekventa mikrovågskretsar.

Kärnavvägningar i materialval:

• Dielektrisk konstant (εr): Påverkar volymetrisk effektivitet (volymen som krävs för att uppnå samma kapacitans).
• Förlusttangent (tanδ/DF): Påverkar effektivitet, värmeutveckling och Q-värde.
• Dielektrisk styrka: Påverkar motstå spänning.
• Temperaturegenskaper: Påverka driftstemperaturområdet och kapacitetsstabiliteten.
• Kostnad och processbarhet: Inverkan på kommersialisering.

II. Kärnstruktur: Metalliseringsteknik och elektroder

Kärnan i tunnfilmskondensatorer ligger i hur man bygger elektroder på tunna filmer, och från detta kan produkter med olika egenskaper härledas.

1. Elektrodtyp

Metallfolieelektrod:

• Struktur: Metallfolie (vanligtvis aluminium eller zink) lamineras direkt och lindas med en plastfilm.
• Fördelar: Stark förmåga att bära hög ström (lågt elektrodresistans), bra överspännings-/överströmstolerans.
• Nackdelar: Stor storlek, ingen självläkande förmåga.

Metalliserade elektroder (Mainstream Technology):

• Struktur: Under högvakuum förångas metall (aluminium, zink eller deras legeringar) på ytan av en tunn film i atomform för att bilda ett extremt tunt metallskikt med en tjocklek av endast tiotals nanometer.
• Fördelar: Liten i storlek och hög i specifik volym, dess "självläkande" förmåga. När ett dielektriskt material delvis går sönder, orsakar den momentana höga strömmen som genereras vid nedbrytningspunkten det omgivande tunna metallskiktet att förångas och förångas, vilket isolerar defekten och återställer kondensatorns prestanda.

2. Nyckelteknologier för metalliserade elektroder (förbättrar tillförlitligheten)

Kanten lämnar och förtjockar kanten:

• Edge Leaving: Under ångavsättning lämnas ett tomt område vid kanten av filmen för att förhindra att de två elektroderna kortsluts på grund av kontakt vid kanten efter lindningen.
• Förtjockade kanter (nuvarande säkringsteknik): Metallskiktet på elektrodens kontaktyta (guldpläterad yta) är förtjockat, medan metallskiktet i det centrala aktiva området förblir extremt tunt. Detta säkerställer lågt kontaktmotstånd vid kontaktytan och resulterar i att mindre energi krävs för självläkning, vilket gör den säkrare och mer pålitlig.

Teknik för delad elektrod:

• Mesh/randig segmentering: Dela upp den ångavsatta elektroden i flera små, ömsesidigt isolerade områden (som ett fiskenät eller ränder).
• Fördelar: Den lokaliserar potentiell självläkning, vilket i hög grad begränsar den självläkande energin och området, förhindrar kapacitansförlust orsakad av självläkning på stora ytor och förbättrar avsevärt hållbarheten och säkerheten hos kondensatorer. Detta är en standardteknik för högspänningskondensatorer med hög effekt.

III. Strukturell design: Lindning och laminering

1. Lindningstyp

Process: Två eller flera lager av metalliserade tunna filmer lindas till en cylindrisk kärna som en rulle.

Typer:

• Induktiv lindning: Elektroder leds ut från båda ändar av kärnan, vilket resulterar i en relativt stor induktans.
• Icke-induktiv lindning: Elektroderna sträcker sig från hela ändytan av kärnan (metalländytan bildas genom en guldsprutningsprocess). Strömvägen är parallell och induktansen är extremt låg, vilket gör den lämplig för högfrekventa, högpulsapplikationer.

Fördelar:

• Mogen teknologi, brett kapacitetsområde och lätt att tillverka.

Nackdelar:

• Inte en platt form, vilket kan resultera i låg utrymmeseffektivitet i vissa PCB-layouter.

2. Laminerad typ (typ i ett stycke)

Process: De tunna filmerna med fördeponerade elektroder staplas parallellt och sedan leds elektroderna växelvis ut genom en anslutningsprocess för att bilda en "sandwich" flerskiktsstruktur.

Fördelar:

• Extremt låg induktans (minimum ESL), lämplig för applikationer med ultrahög frekvens.
• Regelbunden form (kvadrat/rektangulär), lämplig för SMT-placering med hög densitet.
• Bättre värmeavledning.

Nackdelar:

• Processen är komplex och det är svårt att uppnå stor kapacitet/hög spänning och kostnaden är relativt hög.

Applikationer:

• Högfrekventa radiofrekvenskretsar, frånkoppling, mikrovågsapplikationer.

IV. Slutsats: Synergistiska effekter av material och strukturer

Prestandan hos filmkondensatorer är resultatet av en exakt synergi mellan deras materialegenskaper och strukturell design.

Framtida utvecklingstrender:

Materialinnovation: Utveckla nya polymerfilmer med högre temperaturer (>150°C) och högre energilagringstätheter (hög εr, hög Eb).

Förfinad struktur: Mer exakt kontroll av ångavsättningsmönster (nanoskala segmentering) möjliggör bättre självläkande kontroll och prestanda.

Integration och modularisering: Integrering av flera kondensatorer med induktorer, resistorer etc. i en enda modul för att tillhandahålla en helhetslösning för kraftelektroniksystem.