Forstå filmkondensatorer i én artikkel: Kjernekunnskap fra materialer til struktur

I. Kjernemateriale: Dielektrisk tynnfilm

Den dielektriske filmen er "hjerte" av en filmkondensator , directly determining the upper limit of the capacitor’s basic performance. De er hovedsakelig delt inn i to kategorier:

1. Tradisjonelle (ikke-polare) tynne filmer

Polypropylen (PP, BOPP):

• Ytelsesegenskaper: Extremely low loss (DF ~0.02%), stable dielectric constant, good temperature and frequency characteristics, and high insulation resistance. Det er for tiden det tynne filmmaterialet med den generelle ytelsen og det bredeste spekteret av bruksområder.
• Søknader: Høyfrekvente, høypuls- og høystrømsapplikasjoner, for eksempel vekselrettere, svitsjestrømforsyninger, resonanskretser og high-end lydkryss.

Polyester (PET):

• Ytelsesegenskaper: High dielectric constant (~3.3), low cost, and good mechanical strength. Imidlertid har den relativt høye tap (DF ~0,5%) og dårlige temperatur- og frekvensegenskaper.
• Søknader: DC- og lavfrekvente applikasjoner der det er krav til kapasitet-til-volum-forhold, men ikke høye krav til tap og stabilitet, som forbrukerelektronikk, generell DC-blokkering og bypass.

Polyfenylensulfid (PPS):

• Ytelsesegenskaper: Høy temperaturmotstand (opptil 125°C og over), dimensjonsstabilitet og lavere tap enn PET. Imidlertid er kostnadene høyere.
• Søknader: Bilelektronikk, høytemperatur overflatemonteringsenheter (SMD), presisjonsfiltre.

Polyimid (PI):

• Ytelsesegenskaper: Kongen av høytemperaturmotstand (opp til 250°C eller høyere), men den er dyr og vanskelig å behandle.
• Søknader: Luftfart, militære miljøer med høy temperatur.

2. Fremkommende (polare) tynne filmer - som representerer høy temperatur og høy energitetthet

Polyetylennaftalat (PEN):

• Ytelsen er mellom PET og PPS, og dens varmebestandighet er bedre enn PET.

Polybenzoksazol (PBO):

• Med ultrahøy varmemotstand og ultrahøy dielektrisk styrke, er det et potensielt materiale for fremtidige elektriske kjøretøydrivfilmkondensatorer.

Fluorpolymerer (som PTFE, FEP):

• Den har høyfrekvente egenskaper og ekstremt lavt tap, men den er vanskelig å behandle og har høye kostnader, så den brukes i spesielle høyfrekvente mikrobølgekretser.

Kjerneavveininger i materialvalg:

• Dielektrisk konstant (εr): Påvirker volumetrisk effektivitet (volumet som kreves for å oppnå samme kapasitans).
• Taptangent (tanδ/DF): Påvirker effektivitet, varmeutvikling og Q-verdi.
• Dielektrisk styrke: Påvirker tåle spenning.
• Temperaturegenskaper: Påvirker driftstemperaturområdet og kapasitetsstabiliteten.
• Kostnad og bearbeidbarhet: Påvirkning på kommersialisering.

II. Kjernestruktur: Metalliseringsteknologi og elektroder

Essensen av tynnfilmkondensatorer ligger i hvordan man bygger elektroder på tynnfilm, og fra dette kan produkter med ulike egenskaper utledes.

1. Elektrodetype

Metallfolie elektrode:

• Struktur: Metallfolie (vanligvis aluminium eller sink) er direkte laminert og viklet med en plastfilm.
• Fordeler: Sterk evne til å føre høy strøm (lav elektrodemotstand), god overspenning/overstrømtoleranse.
• Ulemper: Stor størrelse, ingen selvhelbredende evne.

Metalliserte elektroder (mainstream-teknologi):

• Struktur: Under høyvakuum fordampes metall (aluminium, sink eller deres legeringer) på overflaten av en tynn film i atomform for å danne et ekstremt tynt metalllag med en tykkelse på bare titalls nanometer.
• Fordeler: Liten i størrelse og høy i spesifikt volum, dens "selvhelbredende" evne. Når et dielektrisk materiale delvis brytes ned, får den øyeblikkelige høye strømmen som genereres ved nedbrytningspunktet det omkringliggende tynne metalllaget til å fordampe og fordampe, og derved isolere defekten og gjenopprette kondensatorens ytelse.

2. Nøkkelteknologier for metalliserte elektroder (forbedrer påliteligheten)

Kant som forlater og fortykker kanten:

• Edge Leaving: Under dampavsetning etterlates et blankt område ved kanten av filmen for å forhindre at de to elektrodene kortslutter på grunn av kontakt ved kanten etter vikling.
• Fortykkede kanter (nåværende sikringsteknologi): Metalllaget på kontaktflaten (gullbelagt overflate) av elektroden er fortykket, mens metalllaget i det sentrale aktive området forblir ekstremt tynt. Dette sikrer lav kontaktmotstand ved kontaktflaten og resulterer i at det kreves mindre energi for selvhelbredelse, noe som gjør den tryggere og mer pålitelig.

Split Electrode Technology:

• Mesh/stripet segmentering: Dele den dampavsatte elektroden i flere små, gjensidig isolerte områder (som et fiskenett eller striper).
• Fordeler: Den lokaliserer potensiell selvhelbredelse, begrenser den selvhelbredende energien og området i stor grad, forhindrer kapasitanstap forårsaket av selvhelbredelse på store områder, og forbedrer holdbarheten og sikkerheten til kondensatorer betydelig. Dette er en standardteknologi for høyspente kondensatorer med høy effekt.

III. Strukturell design: Vikling og laminering

1. Viklingstype

Prosess: To eller flere lag med metalliserte tynne filmer vikles inn i en sylindrisk kjerne som en rull.

Typer:

• Induktiv vikling: Elektroder ledes ut fra begge ender av kjernen, noe som resulterer i en relativt stor induktans.
• Ikke-induktiv vikling: Elektrodene strekker seg fra hele endeflaten av kjernen (metallendeflaten er dannet av en gullsprøyteprosess). Strømbanen er parallell, og induktansen er ekstremt lav, noe som gjør den egnet for høyfrekvente, høypulsapplikasjoner.

Fordeler:

• Moden teknologi, bredt kapasitetsområde og lett å produsere.

Ulemper:

• Ikke en flat form, noe som kan føre til lav plasseffektivitet i enkelte PCB-oppsett.

2. Laminert type (type i ett stykke)

Prosess: De tynne filmene med forhåndsavsatte elektroder stables parallelt, og deretter ledes elektrodene vekselvis ut gjennom en koblingsprosess for å danne en "sandwich" flerlagsstruktur.

Fordeler:

• Ekstremt lav induktans (minimum ESL), egnet for applikasjoner med ultrahøy frekvens.
• Vanlig form (kvadratisk/rektangulær), egnet for SMT-plassering med høy tetthet.
• Bedre varmeavledning.

Ulemper:

• Prosessen er kompleks, og det er vanskelig å oppnå stor kapasitet/høy spenning, og kostnadene er relativt høye.

Søknader:

• Høyfrekvente radiofrekvenskretser, frakobling, mikrobølgeapplikasjoner.

IV. Konklusjon: Synergistiske effekter av materialer og strukturer

Ytelsen til filmkondensatorer er resultatet av en presis synergi mellom deres materialegenskaper og strukturell design.

Fremtidige utviklingstrender:

Materialinnovasjon: Utvikle nye polymerfilmer med høyere temperaturer (>150 °C) og høyere energilagringstettheter (høy εr, høy Eb).

Raffinert struktur: Mer presis kontroll av dampavsetningsmønstre (nanoskalasegmentering) muliggjør bedre selvhelbredende kontroll og ytelse.

Integrasjon og modularisering: Integrering av flere kondensatorer med induktorer, motstander osv. i en enkelt modul for å gi en helhetlig løsning for kraftelektroniske systemer.