Filmcondensatoren begrijpen in één artikel: kernkennis van materialen tot structuur

I. Kernmateriaal: diëlektrische dunne film

De diëlektrische film is de “hart” van een film condensator , waardoor direct de bovengrens van de basisprestaties van de condensator wordt bepaald. Ze zijn hoofdzakelijk onderverdeeld in twee categorieën:

1. Traditionele (niet-polaire) dunne films

Polypropyleen (PP, BOPP):

• Prestatiekenmerken: Extreem laag verlies (DF ~0,02%), stabiele diëlektrische constante, goede temperatuur- en frequentiekarakteristieken en hoge isolatieweerstand. Het is momenteel het dunnefilmmateriaal met de algehele prestaties en het breedste scala aan toepassingen.
• Toepassingen: Hoogfrequente, hoge puls- en hogestroomtoepassingen, zoals omvormers, schakelende voedingen, resonantiecircuits en hoogwaardige audio-crossovers.

Polyester (PET):

• Prestatiekenmerken: Hoge diëlektrische constante (~3,3), lage kosten en goede mechanische sterkte. Het heeft echter relatief hoge verliezen (DF ~0,5%) en slechte temperatuur- en frequentiekarakteristieken.
• Toepassingen: DC- en laagfrequente toepassingen waarbij eisen worden gesteld aan de verhouding tussen capaciteit en volume, maar geen hoge eisen aan verlies en stabiliteit, zoals consumentenelektronica, algemene DC-blokkering en bypass.

Polyfenyleensulfide (PPS):

• Prestatiekenmerken: Bestand tegen hoge temperaturen (tot 125°C en hoger), maatvastheid en minder verlies dan PET. De kosten zijn echter hoger.
• Toepassingen: Auto-elektronica, oppervlaktemontageapparaten (SMD) voor hoge temperaturen, precisiefilters.

Polyimide (PI):

• Prestatiekenmerken: De koning van de hoge temperatuurbestendigheid (tot 250°C of hoger), maar duur en moeilijk te verwerken.
• Toepassingen: Ruimtevaart, militaire omgevingen en omgevingen met hoge temperaturen.

2. Opkomende (polaire) dunne films – die hoge temperaturen en hoge energiedichtheid vertegenwoordigen

Polyethyleennaftalaat (PEN):

• De prestaties liggen tussen die van PET en PPS, en de hittebestendigheid is beter dan die van PET.

Polybenzoxazool (PBO):

• Met zijn ultrahoge hittebestendigheid en ultrahoge diëlektrische sterkte is het een potentieel materiaal voor toekomstige aandrijffilmcondensatoren voor elektrische voertuigen.

Fluorpolymeren (zoals PTFE, FEP):

• Het heeft hoogfrequente eigenschappen en extreem lage verliezen, maar is moeilijk te verwerken en heeft hoge kosten, daarom wordt het gebruikt in speciale hoogfrequente microgolfcircuits.

Kernafwegingen bij materiaalkeuze:

• Diëlektrische constante (εr): Heeft invloed op de volumetrische efficiëntie (het volume dat nodig is om dezelfde capaciteit te bereiken).
• Verliestangens (tanδ/DF): Heeft invloed op de efficiëntie, warmteontwikkeling en Q-waarde.
• Diëlektrische sterkte: Heeft invloed op de weerstand tegen spanning.
• Temperatuurkenmerken: Beïnvloed het bedrijfstemperatuurbereik en de capaciteitsstabiliteit.
• Kosten en verwerkbaarheid: Impact op commercialisering.

II. Kernstructuur: metallisatietechnologie en elektroden

De essentie van dunnefilmcondensatoren ligt in het bouwen van elektroden op dunne films, en hieruit kunnen producten met verschillende kenmerken worden afgeleid.

1. Elektrodetype

Metaalfolie-elektrode:

• Structuur: Metaalfolie (meestal aluminium of zink) wordt direct gelamineerd en omwikkeld met een plastic folie.
• Voordelen: Sterk vermogen om hoge stroom te transporteren (lage elektrodeweerstand), goede tolerantie voor overspanning/overstroom.
• Nadelen: Groot formaat, geen zelfherstellend vermogen.

Gemetalliseerde elektroden (mainstreamtechnologie):

• Structuur: Onder hoog vacuüm wordt metaal (aluminium, zink of hun legeringen) verdampt op het oppervlak van een dunne film in atomaire vorm om een extreem dunne metaallaag te vormen met een dikte van slechts tientallen nanometers.
• Voordelen: Klein van formaat en hoog in specifiek volume, het “zelfherstellende” vermogen. Wanneer een diëlektrisch materiaal gedeeltelijk kapot gaat, zorgt de onmiddellijke hoge stroom die op het doorslagpunt wordt gegenereerd ervoor dat de omringende dunne metaallaag verdampt en verdampt, waardoor het defect wordt geïsoleerd en de prestaties van de condensator worden hersteld.

2. Sleuteltechnologieën voor gemetalliseerde elektroden (verbetering van de betrouwbaarheid)

Rand verlaten en dikker maken van de rand:

• Rand verlaten: Tijdens het opdampen wordt er een blanco gebied aan de rand van de film gelaten om te voorkomen dat de twee elektroden kortsluiten als gevolg van contact aan de rand na het opwikkelen.
• Verdikte randen (huidige Fuse-technologie): De metaallaag op het contactoppervlak (verguld oppervlak) van de elektrode is verdikt, terwijl de metaallaag in het centrale actieve gebied extreem dun blijft. Dit zorgt voor een lage contactweerstand aan het contactoppervlak en zorgt ervoor dat er minder energie nodig is voor zelfherstel, waardoor het veiliger en betrouwbaarder wordt.

Gesplitste elektrodetechnologie:

• Mesh/gestreepte segmentatie: Het verdelen van de opgedampte elektrode in meerdere kleine, onderling geïsoleerde gebieden (zoals een visnet of strepen).
• Voordelen: Het lokaliseert potentiële zelfherstel, waardoor de zelfherstellende energie en het zelfherstellende oppervlak aanzienlijk worden beperkt, capaciteitsverlies als gevolg van zelfherstel over grote oppervlakken wordt voorkomen en de duurzaamheid en veiligheid van condensatoren aanzienlijk worden verbeterd. Dit is een standaardtechnologie voor hoogspanningscondensatoren met hoog vermogen.

III. Structureel ontwerp: wikkelen en lamineren

1. Type wikkeling

Proces: Twee of meer lagen gemetalliseerde dunne films worden als een rol tot een cilindrische kern gewikkeld.

Soorten:

• Inductieve wikkeling: Aan beide uiteinden van de kern worden elektroden naar buiten geleid, wat resulteert in een relatief grote inductie.
• Niet-inductieve wikkeling: De elektroden strekken zich uit vanaf het gehele eindvlak van de kern (het metalen eindvlak wordt gevormd door een goudspuitproces). Het stroompad is parallel en de inductie is extreem laag, waardoor het geschikt is voor hoogfrequente en pulserende toepassingen.

Voordelen:

• Volwassen technologie, breed capaciteitsbereik en eenvoudig te produceren.

Nadelen:

• Geen platte vorm, wat in sommige PCB-indelingen kan resulteren in een lage ruimte-efficiëntie.

2. Gelamineerd type (type uit één stuk)

Proces: De dunne films met vooraf afgezette elektroden worden parallel gestapeld en vervolgens worden de elektroden afwisselend via een verbindingsproces naar buiten geleid om een meerlaagse “sandwich”-structuur te vormen.

Voordelen:

• Extreem lage inductie (minimale ESL), geschikt voor ultrahoge frequentietoepassingen.
• Normale vorm (vierkant/rechthoekig), geschikt voor SMT-plaatsing met hoge dichtheid.
• Betere warmteafvoer.

Nadelen:

• Het proces is complex en het is moeilijk om grote capaciteit/hoge spanning te bereiken, en de kosten zijn relatief hoog.

Toepassingen:

• Hoogfrequente radiofrequentiecircuits, ontkoppeling, microgolftoepassingen.

IV. Conclusie: synergetische effecten van materialen en structuren

De prestaties van filmcondensatoren zijn het resultaat van een precieze synergie tussen hun materiaaleigenschappen en structureel ontwerp.

Toekomstige ontwikkelingstrends:

Materialeninnovatie: Ontwikkel nieuwe polymeerfilms met hogere temperaturen (>150°C) en hogere energieopslagdichtheden (hoge εr, hoge Eb).

Verfijnde structuur: Nauwkeurigere controle van dampafzettingspatronen (segmentatie op nanoschaal) maakt betere zelfherstellende controle en prestaties mogelijk.

Integratie en modularisatie: Integratie van meerdere condensatoren met inductoren, weerstanden, enz., in een enkele module om een holistische oplossing te bieden voor vermogenselektronische systemen.