درک خازن های فیلم در یک مقاله: دانش اصلی از مواد تا ساختار

I. مواد هسته: فیلم نازک دی الکتریک

فیلم دی الکتریک است "قلب" از یک خازن فیلم ، به طور مستقیم حد بالایی عملکرد پایه خازن را تعیین می کند. آنها عمدتاً به دو دسته تقسیم می شوند:

1. لایه های نازک سنتی (غیر قطبی).

پلی پروپیلن (PP، BOPP):

• ویژگی های عملکرد: تلفات بسیار کم (DF ~ 0.02٪)، ثابت دی الکتریک پایدار، ویژگی های دما و فرکانس خوب، و مقاومت عایق بالا. در حال حاضر این ماده لایه نازک با عملکرد کلی و گسترده ترین طیف کاربرد است.
• برنامه های کاربردی: کاربردهای فرکانس بالا، پالس بالا و جریان بالا، مانند اینورترها، منابع تغذیه سوئیچینگ، مدارهای تشدید، و کراس اوورهای صوتی پیشرفته.

پلی استر (PET):

• ویژگی های عملکرد: ثابت دی الکتریک بالا (~3.3)، هزینه کم و استحکام مکانیکی خوب. با این حال، تلفات نسبتاً بالایی دارد (DF ~ 0.5٪) و مشخصات دما و فرکانس ضعیفی دارد.
• برنامه های کاربردی: کاربردهای DC و فرکانس پایین که در آنها الزاماتی برای نسبت ظرفیت به حجم وجود دارد، اما الزامات بالایی برای از دست دادن و پایداری وجود ندارد، مانند لوازم الکترونیکی مصرفی، مسدود کردن DC عمومی، و بای پس.

پلی فنیلن سولفید (PPS):

• ویژگی های عملکرد: مقاومت در برابر دمای بالا (تا 125 درجه سانتیگراد و بالاتر)، پایداری ابعادی و تلفات کمتر نسبت به PET. با این حال، هزینه بالاتر است.
• برنامه های کاربردی: الکترونیک خودرو، دستگاه‌های نصب سطحی با دمای بالا (SMD)، فیلترهای دقیق.

پلی آمید (PI):

• ویژگی های عملکرد: پادشاه مقاومت در برابر درجه حرارت بالا (تا 250 درجه سانتیگراد یا بالاتر)، اما پردازش آن گران و دشوار است.
• برنامه های کاربردی: هوافضا، نظامی، محیط های با دمای بالا.

2. لایه های نازک در حال ظهور (قطبی) - نشان دهنده دمای بالا و چگالی انرژی بالا

پلی اتیلن نفتالات (PEN):

• عملکرد آن بین PET و PPS است و مقاومت حرارتی آن بهتر از PET است.

پلی بنزوکسازول (PBO):

• با مقاومت حرارتی بسیار بالا و استحکام دی الکتریک فوق العاده بالا، یک ماده بالقوه برای خازن های فیلم محرک خودروهای الکتریکی آینده است.

فلوروپلیمرها (مانند PTFE، FEP):

• دارای ویژگی های فرکانس بالا و تلفات بسیار کم است، اما پردازش آن دشوار است و هزینه بالایی دارد، بنابراین در مدارهای مایکروویو فرکانس بالا استفاده می شود.

مبادلات اصلی در انتخاب مواد:

• ثابت دی الکتریک (εr): راندمان حجمی (حجم مورد نیاز برای رسیدن به همان ظرفیت) را تحت تأثیر قرار می دهد.
• مماس از دست دادن (tanδ/DF): بر راندمان، تولید گرما و مقدار Q تأثیر می گذارد.
• قدرت دی الکتریک: ولتاژ مقاومت را تحت تأثیر قرار می دهد.
• مشخصات دما: بر دامنه دمای عملیاتی و پایداری ظرفیت تأثیر می گذارد.
• هزینه و قابلیت پردازش: تاثیر بر تجاری سازی

II. ساختار هسته: فناوری متالیزاسیون و الکترودها

ماهیت خازن های لایه نازک در نحوه ساخت الکترود بر روی لایه های نازک نهفته است و از این طریق می توان محصولاتی با ویژگی های متفاوت بدست آورد.

1. نوع الکترود

الکترود فویل فلزی:

• ساختار: فویل فلزی (معمولاً آلومینیوم یا روی) مستقیماً لمینیت شده و با یک فیلم پلاستیکی پیچیده می شود.
• مزایا: توانایی قوی برای حمل جریان بالا (مقاومت الکترود کم)، تحمل خوب اضافه ولتاژ / جریان اضافه.
• معایب: اندازه بزرگ، بدون توانایی خود درمانی.

الکترودهای متالیزه (تکنولوژی اصلی):

• ساختار: تحت خلاء زیاد، فلز (آلومینیوم، روی یا آلیاژهای آنها) بر روی سطح یک لایه نازک به شکل اتمی تبخیر می‌شود تا یک لایه فلزی بسیار نازک با ضخامت تنها ده‌ها نانومتر تشکیل شود.
• مزایا: اندازه کوچک و حجم خاص بالا، قابلیت "خود ترمیم" آن. هنگامی که یک ماده دی الکتریک به طور جزئی شکسته می شود، جریان زیاد آنی تولید شده در نقطه شکست باعث می شود که لایه نازک فلزی اطراف تبخیر و تبخیر شود، در نتیجه نقص را جدا کرده و عملکرد خازن را بازیابی می کند.

2. فن آوری های کلیدی برای الکترودهای فلزی (بهبود قابلیت اطمینان)

خروج لبه و ضخیم کردن لبه:

• خروج از لبه: در طول رسوب بخار، یک ناحیه خالی در لبه فیلم باقی می ماند تا از اتصال کوتاه دو الکترود به دلیل تماس در لبه پس از سیم پیچی جلوگیری شود.
• لبه های ضخیم شده (فناوری فیوز فعلی): لایه فلزی روی سطح تماس (سطح با روکش طلا) الکترود ضخیم شده است، در حالی که لایه فلزی در ناحیه فعال مرکزی بسیار نازک باقی می ماند. این امر مقاومت کم تماس را در سطح تماس تضمین می کند و منجر به انرژی کمتری برای خود ترمیمی می شود و آن را ایمن تر و قابل اطمینان تر می کند.

فناوری اسپلیت الکترود:

• تقسیم بندی مش/راه راه: تقسیم الکترود رسوب‌شده با بخار به چندین ناحیه کوچک و عایق‌بندی شده (مانند تور ماهیگیری یا نوار).
• مزایا: این خود ترمیمی بالقوه را محلی می کند، انرژی و مساحت خود ترمیم شونده را تا حد زیادی محدود می کند، از کاهش ظرفیت خازنی ناشی از خود ترمیمی در سطح وسیع جلوگیری می کند و به طور قابل توجهی دوام و ایمنی خازن ها را بهبود می بخشد. این یک فناوری استاندارد برای خازن های ولتاژ بالا و توان بالا است.

III. طراحی سازه: سیم پیچی و لمینیت

1. نوع سیم پیچ

فرآیند: دو یا چند لایه از لایه‌های نازک متالایز شده در یک هسته استوانه‌ای مانند یک رول پیچیده می‌شوند.

انواع:

• سیم پیچ القایی: الکترودها از هر دو انتهای هسته به بیرون هدایت می شوند و در نتیجه اندوکتانس نسبتاً زیادی ایجاد می کنند.
• سیم پیچ غیر القایی: الکترودها از تمام سطح انتهایی هسته گسترش می یابند (صفحه انتهایی فلزی با فرآیند پاشش طلا تشکیل می شود). مسیر فعلی موازی است و اندوکتانس بسیار کم است که آن را برای کاربردهای با فرکانس بالا و پالس بالا مناسب می کند.

مزایا:

• فن آوری بالغ، محدوده ظرفیت گسترده، و ساخت آسان.

معایب:

• شکل مسطح نیست، که ممکن است در برخی از طرح‌بندی‌های PCB منجر به کارایی فضای کم شود.

2. نوع لمینت (نوع تک تکه)

فرآیند: لایه های نازک با الکترودهای از پیش رسوب داده شده به صورت موازی روی هم چیده می شوند و سپس الکترودها به طور متناوب از طریق یک فرآیند اتصال به بیرون هدایت می شوند تا یک ساختار چند لایه "ساندویچ" را تشکیل دهند.

مزایا:

• اندوکتانس بسیار کم (حداقل ESL)، مناسب برای کاربردهای فرکانس فوق العاده بالا.
• شکل منظم (مربع/مستطیل)، مناسب برای قرار دادن SMT با چگالی بالا.
• اتلاف گرما بهتر

معایب:

• این فرآیند پیچیده است و دستیابی به ظرفیت/ولتاژ بالا دشوار است و هزینه آن نسبتاً بالا است.

برنامه های کاربردی:

• مدارهای فرکانس رادیویی با فرکانس بالا، جداسازی، کاربردهای مایکروویو.

IV. نتیجه گیری: اثرات هم افزایی مواد و سازه ها

عملکرد خازن های فیلم نتیجه هم افزایی دقیق بین خواص مواد و طراحی ساختاری آنهاست.

روند توسعه آینده:

نوآوری در مواد: فیلم‌های پلیمری جدید با دمای بالاتر (> 150 درجه سانتیگراد) و چگالی ذخیره انرژی بالاتر (Er بالا، Eb بالا) ایجاد کنید.

ساختار تصفیه شده: کنترل دقیق تر الگوهای رسوب بخار (تقسیم بندی در مقیاس نانو) کنترل و عملکرد خود ترمیم بهتری را امکان پذیر می کند.

یکپارچه سازی و مدولارسازی: ادغام چندین خازن با سلف ها، مقاومت ها و غیره در یک ماژول واحد برای ارائه راه حلی جامع برای سیستم های الکترونیک قدرت.