Понимание пленочных конденсаторов в одной статье: основные знания от материалов до структуры

I. Материал сердечника: тонкая диэлектрическая пленка

Диэлектрическая пленка – это «сердце» из пленочный конденсатор , непосредственно определяя верхний предел основных характеристик конденсатора. В основном они делятся на две категории:

1. Традиционные (неполярные) тонкие пленки.

Полипропилен (ПП, БОПП):

• Характеристики производительности: Чрезвычайно низкие потери (DF ~0,02%), стабильная диэлектрическая проницаемость, хорошие температурные и частотные характеристики, а также высокое сопротивление изоляции. В настоящее время это тонкопленочный материал с общими характеристиками и самым широким спектром применения.
• Приложения: Высокочастотные, высокоимпульсные и сильноточные приложения, такие как инверторы, импульсные источники питания, резонансные цепи и высококачественные аудиокроссоверы.

Полиэстер (ПЭТ):

• Характеристики производительности: Высокая диэлектрическая проницаемость (~3,3), низкая стоимость и хорошая механическая прочность. Однако он имеет относительно высокие потери (DF ~0,5%) и плохие температурные и частотные характеристики.
• Приложения: Приложения постоянного тока и низкочастотные приложения, где есть требования к соотношению емкости к объему, но не высокие требования к потерям и стабильности, такие как бытовая электроника, общая блокировка постоянного тока и байпас.

Полифениленсульфид (ППС):

• Характеристики производительности: Высокая термостойкость (до 125°C и выше), стабильность размеров и меньшие потери, чем у ПЭТ. Однако стоимость выше.
• Приложения: Автомобильная электроника, высокотемпературные устройства поверхностного монтажа (SMD), прецизионные фильтры.

Полиимид (ПИ):

• Характеристики производительности: Царь жаростойкости (до 250°С и выше), но он дорог и сложен в обработке.
• Приложения: Аэрокосмическая, военная, высокотемпературная среда.

2. Появляющиеся (полярные) тонкие пленки, представляющие высокую температуру и высокую плотность энергии.

Полиэтиленнафталат (ПЕН):

• Его характеристики находятся между показателями ПЭТ и ППС, а его термостойкость лучше, чем у ПЭТ.

Полибензоксазол (ПБО):

• Обладая сверхвысокой термостойкостью и сверхвысокой диэлектрической прочностью, он является потенциальным материалом для будущих пленочных конденсаторов для приводов электромобилей.

Фторполимеры (такие как ПТФЭ, ФЭП):

• Он обладает высокочастотными характеристиками и чрезвычайно низкими потерями, но сложен в обработке и имеет высокую стоимость, поэтому его применяют в специальных высокочастотных схемах СВЧ.

Основные компромиссы при выборе материала:

• Диэлектрическая проницаемость (εr): Влияет на объемный КПД (объем, необходимый для достижения той же емкости).
• Тангенс потерь (tanδ/DF): Влияет на эффективность, тепловыделение и значение Q.
• Диэлектрическая прочность: Влияет на выдерживаемое напряжение.
• Температурные характеристики: Влияет на диапазон рабочих температур и стабильность мощности.
• Стоимость и технологичность: Влияние на коммерциализацию.

II. Основная структура: технология металлизации и электроды

Сущность тонкопленочных конденсаторов заключается в том, как построить электроды на тонких пленках, и на основе этого можно получить изделия с разными характеристиками.

1. Тип электрода

Электрод из металлической фольги:

• Структура: Металлическую фольгу (обычно алюминиевую или цинковую) непосредственно ламинируют и обматывают пластиковой пленкой.
• Преимущества: Сильная способность выдерживать большой ток (низкое сопротивление электродов), хорошая устойчивость к перенапряжению/перегрузке по току.
• Недостатки: Большой размер, нет способности к самовосстановлению.

Металлизированные электроды (основная технология):

• Структура: В высоком вакууме металл (алюминий, цинк или их сплавы) испаряется на поверхность тонкой пленки в атомарной форме, образуя чрезвычайно тонкий металлический слой толщиной всего лишь десятки нанометров.
• Преимущества: Небольшой размер и высокий удельный объем, способность к «самовосстановлению». Когда диэлектрический материал частично разрушается, мгновенный сильный ток, генерируемый в точке пробоя, вызывает испарение и испарение окружающего тонкого металлического слоя, тем самым изолируя дефект и восстанавливая работоспособность конденсатора.

2. Ключевые технологии изготовления металлизированных электродов (повышение надежности)

Оставление края и утолщение края:

• Край оставляя: Во время осаждения из паровой фазы на краю пленки оставляют пустую область, чтобы предотвратить короткое замыкание двух электродов из-за контакта на краю после намотки.
• Утолщенные края (современная технология предохранителей): Слой металла на контактной поверхности (позолоченная поверхность) электрода утолщается, в то время как слой металла в центральной активной зоне остается чрезвычайно тонким. Это обеспечивает низкое контактное сопротивление на контактной поверхности и приводит к тому, что для самовосстановления требуется меньше энергии, что делает его более безопасным и надежным.

Технология разделенного электрода:

• Сетчатая/полосатая сегментация: Разделение электрода, осажденного из паровой фазы, на несколько небольших, взаимно изолированных участков (например, рыболовная сеть или полосы).
• Преимущества: Он локализует потенциальное самовосстановление, значительно ограничивая энергию и площадь самовосстановления, предотвращая потерю емкости, вызванную самовосстановлением большой площади, и значительно повышая долговечность и безопасность конденсаторов. Это стандартная технология для высоковольтных конденсаторов большой мощности.

III. Структурный расчет: намотка и ламинирование

1. Тип обмотки

Процесс: Два или более слоев металлизированных тонких пленок намотаны в цилиндрический сердечник наподобие рулона.

Типы:

• Индуктивная обмотка: Электроды выведены с обоих концов сердечника, что приводит к относительно большой индуктивности.
• Неиндуктивная обмотка: Электроды простираются от всей торцевой поверхности сердечника (металлический торец формируется методом напыления золота). Путь тока параллелен, а индуктивность чрезвычайно мала, что делает его пригодным для высокочастотных и высокоимпульсных применений.

Преимущества:

• Отработанная технология, широкий диапазон производительности и простота изготовления.

Недостатки:

• Неплоская форма, что может привести к низкой эффективности использования пространства в некоторых макетах печатных плат.

2. Ламинированный тип (цельный тип)

Процесс: Тонкие пленки с предварительно нанесенными электродами укладываются параллельно, а затем электроды поочередно выводятся через процесс соединения, образуя многослойную структуру «сэндвич».

Преимущества:

• Чрезвычайно низкая индуктивность (минимум ESL), подходит для сверхвысокочастотных приложений.
• Обычная форма (квадратная/прямоугольная), подходит для размещения SMT с высокой плотностью размещения.
• Лучше рассеивание тепла.

Недостатки:

• Процесс сложен, и трудно достичь большой мощности/высокого напряжения, а стоимость относительно высока.

Приложения:

• Высокочастотные радиочастотные цепи, развязка, СВЧ-приложения.

IV. Заключение: синергетический эффект материалов и конструкций.

Характеристики пленочных конденсаторов являются результатом точного взаимодействия свойств их материалов и конструкции конструкции.

Будущие тенденции развития:

Инновационные материалы: Разработать новые полимерные пленки с более высокими температурами (>150°C) и более высокой плотностью хранения энергии (высокое εr, высокое Eb).

Уточненная структура: Более точный контроль структуры осаждения из паровой фазы (наномасштабная сегментация) обеспечивает лучший контроль самовосстановления и производительность.

Интеграция и модульность: Интеграция нескольких конденсаторов с катушками индуктивности, резисторами и т. д. в один модуль для обеспечения целостного решения для силовых электронных систем.