Comprendere i condensatori a film in un articolo: conoscenze di base dai materiali alla struttura

I. Materiale del nucleo: film sottile dielettrico

Il film dielettrico è il “cuore” di a condensatore a film , determinando direttamente il limite superiore delle prestazioni di base del condensatore. Si dividono principalmente in due categorie:

1. Film sottili tradizionali (non polari).

Polipropilene (PP, BOPP):

• Caratteristiche prestazionali: Perdita estremamente bassa (DF ~0,02%), costante dielettrica stabile, buone caratteristiche di temperatura e frequenza ed elevata resistenza di isolamento. Attualmente è il materiale a film sottile con le prestazioni complessive e la più ampia gamma di applicazioni.
• Applicazioni: Applicazioni ad alta frequenza, ad alto impulso e ad alta corrente, come inverter, alimentatori a commutazione, circuiti risonanti e crossover audio di fascia alta.

Poliestere (PET):

• Caratteristiche prestazionali: Elevata costante dielettrica (~3,3), basso costo e buona resistenza meccanica. Tuttavia, presenta perdite relativamente elevate (DF ~0,5%) e caratteristiche di temperatura e frequenza scadenti.
• Applicazioni: Applicazioni CC e a bassa frequenza in cui sono presenti requisiti di rapporto capacità/volume ma non requisiti elevati di perdita e stabilità, come l'elettronica di consumo, il blocco CC generale e il bypass.

Polifenilene Solfuro (PPS):

• Caratteristiche prestazionali: Resistenza alle alte temperature (fino a 125°C e oltre), stabilità dimensionale e perdite inferiori rispetto al PET. Tuttavia, il costo è più elevato.
• Applicazioni: Elettronica automobilistica, dispositivi a montaggio superficiale ad alta temperatura (SMD), filtri di precisione.

Poliimmide (PI):

• Caratteristiche prestazionali: Il re della resistenza alle alte temperature (fino a 250°C o più), ma è costoso e difficile da lavorare.
• Applicazioni: Ambienti aerospaziali, militari, ad alta temperatura.

2. Film sottili emergenti (polari) - che rappresentano l'alta temperatura e l'alta densità di energia

Polietilene naftalato (PEN):

• Le sue prestazioni sono tra quelle del PET e del PPS e la sua resistenza al calore è migliore di quella del PET.

Polibenzossazolo (PBO):

• Con una resistenza al calore ultraelevata e una rigidità dielettrica ultraelevata, è un materiale potenziale per i futuri condensatori a film per la guida di veicoli elettrici.

Fluoropolimeri (come PTFE, FEP):

• Ha caratteristiche ad alta frequenza e perdite estremamente basse, ma è difficile da elaborare e ha costi elevati, quindi viene utilizzato in speciali circuiti a microonde ad alta frequenza.

Compromessi fondamentali nella selezione dei materiali:

• Costante dielettrica (εr): Influisce sull'efficienza volumetrica (il volume richiesto per ottenere la stessa capacità).
• Perdita tangente (tanδ/DF): Influisce sull'efficienza, sulla generazione di calore e sul valore Q.
• Rigidità dielettrica: Influisce sulla resistenza alla tensione.
• Caratteristiche della temperatura: Influiscono sull'intervallo della temperatura operativa e sulla stabilità della capacità.
• Costo e lavorabilità: Impatto sulla commercializzazione.

II. Struttura del nucleo: tecnologia di metallizzazione ed elettrodi

L'essenza dei condensatori a film sottile risiede nel modo in cui costruire elettrodi su film sottile e da questo si possono derivare prodotti con caratteristiche diverse.

1. Tipo di elettrodo

Elettrodo a lamina metallica:

• Struttura: La lamina metallica (solitamente alluminio o zinco) viene laminata direttamente e avvolta con una pellicola di plastica.
• Vantaggi: Forte capacità di trasportare corrente elevata (bassa resistenza dell'elettrodo), buona tolleranza a sovratensione/sovracorrente.
• Svantaggi: Grandi dimensioni, nessuna capacità di autoguarigione.

Elettrodi metallizzati (tecnologia tradizionale):

• Struttura: Sotto vuoto spinto, il metallo (alluminio, zinco o loro leghe) viene vaporizzato sulla superficie di una pellicola sottile in forma atomica per formare uno strato metallico estremamente sottile con uno spessore di sole decine di nanometri.
• Vantaggi: Di piccole dimensioni e con un volume specifico elevato, la sua capacità di “autoguarigione”. Quando un materiale dielettrico si rompe parzialmente, l'elevata corrente istantanea generata nel punto di rottura provoca la vaporizzazione e l'evaporazione del sottile strato metallico circostante, isolando così il difetto e ripristinando le prestazioni del condensatore.

2. Tecnologie chiave per gli elettrodi metallizzati (miglioramento dell'affidabilità)

Bordo in uscita e ispessimento del bordo:

• Bordo in uscita: Durante la deposizione del vapore, viene lasciata un'area vuota sul bordo del film per evitare che i due elettrodi vadano in cortocircuito a causa del contatto sul bordo dopo l'avvolgimento.
• Bordi ispessiti (tecnologia del fusibile attuale): Lo strato metallico sulla superficie di contatto (superficie placcata in oro) dell'elettrodo è ispessito, mentre lo strato metallico nella zona attiva centrale rimane estremamente sottile. Ciò garantisce una bassa resistenza di contatto sulla superficie di contatto e comporta una minore energia necessaria per l'autoriparazione, rendendola più sicura e affidabile.

Tecnologia degli elettrodi divisi:

• Segmentazione a maglie/strisce: Dividere l'elettrodo depositato dal vapore in più piccole aree reciprocamente isolate (come una rete da pesca o strisce).
• Vantaggi: Localizza il potenziale di autoriparazione, limitando notevolmente l'energia e l'area di autoriparazione, prevenendo la perdita di capacità causata dall'autoriparazione di un'ampia area e migliorando significativamente la durata e la sicurezza dei condensatori. Questa è una tecnologia standard per condensatori ad alta tensione e alta potenza.

III. Progettazione strutturale: avvolgimento e laminazione

1. Tipo di avvolgimento

Processo: Due o più strati di film sottili metallizzati vengono avvolti in un nucleo cilindrico come un rotolo.

Tipi:

• Avvolgimento induttivo: Gli elettrodi escono da entrambe le estremità del nucleo, risultando in un'induttanza relativamente grande.
• Avvolgimento non induttivo: Gli elettrodi si estendono dall'intera superficie terminale del nucleo (la superficie terminale metallica è formata mediante un processo di spruzzatura d'oro). Il percorso della corrente è parallelo e l'induttanza è estremamente bassa, il che lo rende adatto per applicazioni ad alta frequenza e ad alto impulso.

Vantaggi:

• Tecnologia matura, ampia gamma di capacità e facilità di produzione.

Svantaggi:

• Non ha una forma piatta, il che potrebbe comportare una scarsa efficienza dello spazio in alcuni layout PCB.

2. Tipo laminato (tipo a pezzo singolo)

Processo: I film sottili con elettrodi predepositati vengono impilati in parallelo, quindi gli elettrodi vengono alternativamente condotti fuori attraverso un processo di connessione per formare una struttura multistrato “sandwich”.

Vantaggi:

• Induttanza estremamente bassa (ESL minima), adatta per applicazioni ad altissima frequenza.
• Forma regolare (quadrata/rettangolare), adatta al posizionamento SMT ad alta densità.
• Migliore dissipazione del calore.

Svantaggi:

• Il processo è complesso ed è difficile ottenere una grande capacità/alta tensione e il costo è relativamente elevato.

Applicazioni:

• Circuiti a radiofrequenza ad alta frequenza, disaccoppiamento, applicazioni a microonde.

IV. Conclusione: effetti sinergici di materiali e strutture

Le prestazioni dei condensatori a film sono il risultato di una precisa sinergia tra le proprietà dei materiali e il design strutturale.

Tendenze di sviluppo futuro:

Innovazione nei materiali: Sviluppare nuovi film polimerici con temperature più elevate (>150°C) e densità di accumulo di energia più elevate (alto εr, alto Eb).

Struttura raffinata: Un controllo più preciso dei modelli di deposizione del vapore (segmentazione su nanoscala) consente un migliore controllo e prestazioni di autoriparazione.

Integrazione e modularizzazione: Integrazione di più condensatori con induttori, resistori, ecc. in un singolo modulo per fornire una soluzione olistica per i sistemi elettronici di potenza.