Filmkondensatoren in einem Artikel verstehen: Kernwissen vom Material bis zur Struktur

I. Kernmaterial: Dielektrischer Dünnfilm

Der dielektrische Film ist der „Herz“ von einem Folienkondensator , wodurch direkt die Obergrenze der Grundleistung des Kondensators bestimmt wird. Sie sind hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt:

1. Traditionelle (unpolare) dünne Filme

Polypropylen (PP, BOPP):

• Leistungsmerkmale: Extrem geringer Verlust (DF ~0,02 %), stabile Dielektrizitätskonstante, gute Temperatur- und Frequenzeigenschaften und hoher Isolationswiderstand. Es ist derzeit das Dünnschichtmaterial mit der besten Gesamtleistung und dem breitesten Anwendungsspektrum.
• Anwendungen: Hochfrequenz-, Hochimpuls- und Hochstromanwendungen, wie Wechselrichter, Schaltnetzteile, Resonanzkreise und High-End-Audio-Frequenzweichen.

Polyester (PET):

• Leistungsmerkmale: Hohe Dielektrizitätskonstante (~3,3), niedrige Kosten und gute mechanische Festigkeit. Es weist jedoch relativ hohe Verluste (DF ~0,5 %) und schlechte Temperatur- und Frequenzeigenschaften auf.
• Anwendungen: Gleichstrom- und Niederfrequenzanwendungen, bei denen Anforderungen an das Kapazität-Volumen-Verhältnis, aber keine hohen Anforderungen an Verlust und Stabilität bestehen, wie z. B. Unterhaltungselektronik, allgemeine Gleichstromblockierung und Bypass.

Polyphenylensulfid (PPS):

• Leistungsmerkmale: Hohe Temperaturbeständigkeit (bis 125 °C und mehr), Dimensionsstabilität und geringerer Verlust als PET. Allerdings sind die Kosten höher.
• Anwendungen: Automobilelektronik, Hochtemperatur-Oberflächenmontagegeräte (SMD), Präzisionsfilter.

Polyimid (PI):

• Leistungsmerkmale: Der König der Hochtemperaturbeständigkeit (bis zu 250 °C oder höher), aber teuer und schwierig zu verarbeiten.
• Anwendungen: Luft- und Raumfahrt, Militär, Hochtemperaturumgebungen.

2. Aufkommende (polare) dünne Filme – repräsentieren hohe Temperatur und hohe Energiedichte

Polyethylennaphthalat (PEN):

• Seine Leistung liegt zwischen der von PET und PPS und seine Hitzebeständigkeit ist besser als die von PET.

Polybenzoxazol (PBO):

• Mit seiner extrem hohen Hitzebeständigkeit und extrem hohen Durchschlagsfestigkeit ist es ein potenzielles Material für künftige Antriebsfilmkondensatoren für Elektrofahrzeuge.

Fluorpolymere (wie PTFE, FEP):

• Es verfügt über Hochfrequenzeigenschaften und extrem geringe Verluste, ist jedoch schwierig zu verarbeiten und mit hohen Kosten verbunden, weshalb es in speziellen Hochfrequenz-Mikrowellenschaltungen verwendet wird.

Kernkompromisse bei der Materialauswahl:

• Dielektrizitätskonstante (εr): Beeinflusst den volumetrischen Wirkungsgrad (das Volumen, das erforderlich ist, um die gleiche Kapazität zu erreichen).
• Verlusttangens (tanδ/DF): Beeinflusst Effizienz, Wärmeerzeugung und Q-Wert.
• Spannungsfestigkeit: Beeinflusst die Spannungsfestigkeit.
• Temperatureigenschaften: Beeinflussen den Betriebstemperaturbereich und die Kapazitätsstabilität.
• Kosten und Verarbeitbarkeit: Auswirkungen auf die Kommerzialisierung.

II. Kernstruktur: Metallisierungstechnologie und Elektroden

Der Kern von Dünnschichtkondensatoren liegt in der Art und Weise, wie Elektroden auf dünnen Schichten aufgebaut werden, und daraus lassen sich Produkte mit unterschiedlichen Eigenschaften ableiten.

1. Elektrodentyp

Metallfolienelektrode:

• Struktur: Metallfolie (meist Aluminium oder Zink) wird direkt mit einer Kunststofffolie laminiert und umwickelt.
• Vorteile: Starke Fähigkeit, hohen Strom zu führen (geringer Elektrodenwiderstand), gute Überspannungs-/Überstromtoleranz.
• Nachteile: Große Größe, keine Selbstheilungsfähigkeit.

Metallisierte Elektroden (Mainstream-Technologie):

• Struktur: Unter Hochvakuum wird Metall (Aluminium, Zink oder deren Legierungen) in atomarer Form auf die Oberfläche eines dünnen Films verdampft, um eine extrem dünne Metallschicht mit einer Dicke von nur mehreren zehn Nanometern zu bilden.
• Vorteile: Kleine Größe und hohes spezifisches Volumen, seine „Selbstheilungs“-Fähigkeit. Wenn ein dielektrisches Material teilweise durchbricht, führt der an der Durchschlagsstelle erzeugte augenblickliche hohe Strom dazu, dass die umgebende dünne Metallschicht verdampft und verdampft, wodurch der Defekt isoliert und die Leistung des Kondensators wiederhergestellt wird.

2. Schlüsseltechnologien für metallisierte Elektroden (Verbesserung der Zuverlässigkeit)

Randbelassen und Randverdickung:

• Kantenabgang: Beim Aufdampfen bleibt am Rand der Folie ein freier Bereich, um einen Kurzschluss der beiden Elektroden durch Kontakt am Rand nach dem Aufwickeln zu verhindern.
• Verdickte Kanten (Current Fuse Technology): Die Metallschicht auf der Kontaktfläche (vergoldete Oberfläche) der Elektrode wird verdickt, während die Metallschicht im zentralen aktiven Bereich extrem dünn bleibt. Dies gewährleistet einen geringen Übergangswiderstand an der Kontaktfläche und führt dazu, dass weniger Energie für die Selbstheilung benötigt wird, was sie sicherer und zuverlässiger macht.

Split-Elektroden-Technologie:

• Mesh-/Streifensegmentierung: Aufteilung der aufgedampften Elektrode in mehrere kleine, voneinander isolierte Bereiche (wie ein Fischernetz oder Streifen).
• Vorteile: Es lokalisiert potenzielle Selbstheilungskräfte, begrenzt die Selbstheilungsenergie und -fläche erheblich, verhindert Kapazitätsverluste durch großflächige Selbstheilungskräfte und verbessert die Haltbarkeit und Sicherheit von Kondensatoren erheblich. Dies ist eine Standardtechnologie für Hochspannungs-Hochleistungskondensatoren.

III. Strukturelles Design: Wickeln und Laminieren

1. Wicklungstyp

Prozess: Zwei oder mehr Schichten metallisierter Dünnfilme werden wie eine Rolle zu einem zylindrischen Kern aufgewickelt.

Typen:

• Induktive Wicklung: An beiden Enden des Kerns sind Elektroden herausgeführt, wodurch sich eine relativ große Induktivität ergibt.
• Nichtinduktive Wicklung: Die Elektroden erstrecken sich von der gesamten Endfläche des Kerns (die Metallendfläche wird durch einen Goldspritzprozess geformt). Der Strompfad ist parallel und die Induktivität ist extrem niedrig, wodurch es für Hochfrequenz- und Hochimpulsanwendungen geeignet ist.

Vorteile:

• Ausgereifte Technologie, großer Kapazitätsbereich und einfache Herstellung.

Nachteile:

• Keine flache Form, was bei einigen PCB-Layouts zu einer geringen Platzeffizienz führen kann.

2. Laminierter Typ (einteiliger Typ)

Prozess: Die dünnen Filme mit vorab abgeschiedenen Elektroden werden parallel gestapelt, und dann werden die Elektroden abwechselnd durch einen Verbindungsprozess herausgeführt, um eine „Sandwich“-Mehrschichtstruktur zu bilden.

Vorteile:

• Extrem niedrige Induktivität (minimale ESL), geeignet für Ultrahochfrequenzanwendungen.
• Regelmäßige Form (quadratisch/rechteckig), geeignet für die SMT-Bestückung mit hoher Dichte.
• Bessere Wärmeableitung.

Nachteile:

• Der Prozess ist komplex, es ist schwierig, eine große Kapazität/hohe Spannung zu erreichen, und die Kosten sind relativ hoch.

Anwendungen:

• Hochfrequenz-Hochfrequenzschaltungen, Entkopplung, Mikrowellenanwendungen.

IV. Fazit: Synergistische Effekte von Materialien und Strukturen

Die Leistung von Folienkondensatoren ist das Ergebnis einer präzisen Synergie zwischen ihren Materialeigenschaften und ihrem strukturellen Design.

Zukünftige Entwicklungstrends:

Materialinnovation: Entwickeln Sie neuartige Polymerfilme mit höheren Temperaturen (>150 °C) und höheren Energiespeicherdichten (hohes εr, hohes Eb).

Raffinierte Struktur: Eine genauere Kontrolle der Dampfabscheidungsmuster (Segmentierung im Nanomaßstab) ermöglicht eine bessere Kontrolle und Leistung der Selbstheilung.

Integration und Modularisierung: Integration mehrerer Kondensatoren mit Induktivitäten, Widerständen usw. in ein einziges Modul, um eine ganzheitliche Lösung für leistungselektronische Systeme bereitzustellen.