Comprensión de los condensadores de película en un artículo: conocimientos básicos desde los materiales hasta la estructura

I. Material del núcleo: película delgada dieléctrica

La película dieléctrica es la “corazón” de un condensador de película , determinando directamente el límite superior del rendimiento básico del condensador. Se dividen principalmente en dos categorías:

1. Películas delgadas tradicionales (no polares)

Polipropileno (PP, BOPP):

• Características de rendimiento: Pérdida extremadamente baja (DF ~0,02%), constante dieléctrica estable, buenas características de temperatura y frecuencia y alta resistencia de aislamiento. Actualmente es el material de película delgada con el rendimiento general y la más amplia gama de aplicaciones.
• Aplicaciones: Aplicaciones de alta frecuencia, alto pulso y alta corriente, como inversores, fuentes de alimentación conmutadas, circuitos resonantes y cruces de audio de alta gama.

Poliéster (PET):

• Características de rendimiento: Alta constante dieléctrica (~3,3), bajo costo y buena resistencia mecánica. Sin embargo, tiene pérdidas relativamente altas (DF ~0,5%) y características deficientes de temperatura y frecuencia.
• Aplicaciones: Aplicaciones de CC y de baja frecuencia donde existen requisitos de relación capacidad-volumen pero no requisitos elevados de pérdida y estabilidad, como electrónica de consumo, bloqueo general de CC y derivación.

Sulfuro de polifenileno (PPS):

• Características de rendimiento: Resistencia a altas temperaturas (hasta 125 °C y más), estabilidad dimensional y menor pérdida que el PET. Sin embargo, el costo es mayor.
• Aplicaciones: Electrónica automotriz, dispositivos de montaje superficial (SMD) de alta temperatura, filtros de precisión.

Poliimida (PI):

• Características de rendimiento: El rey de la resistencia a altas temperaturas (hasta 250°C o más), pero es caro y difícil de procesar.
• Aplicaciones: Entornos aeroespaciales, militares y de alta temperatura.

2. Películas delgadas (polares) emergentes: que representan alta temperatura y alta densidad de energía

Naftalato de polietileno (PEN):

• Su rendimiento está entre el del PET y el PPS, y su resistencia al calor es mejor que la del PET.

Polibenzoxazol (PBO):

• Con una resistencia al calor ultraalta y una rigidez dieléctrica ultraalta, es un material potencial para futuros condensadores de película para vehículos eléctricos.

Fluoropolímeros (como PTFE, FEP):

• Tiene características de alta frecuencia y pérdidas extremadamente bajas, pero es difícil de procesar y tiene un alto costo, por lo que se utiliza en circuitos especiales de microondas de alta frecuencia.

Principales compensaciones en la selección de materiales:

• Constante dieléctrica (εr): Afecta la eficiencia volumétrica (el volumen requerido para lograr la misma capacitancia).
• Tangente de pérdida (tanδ/DF): Afecta la eficiencia, la generación de calor y el valor Q.
• Rigidez dieléctrica: Afecta la tensión soportada.
• Características de temperatura: Afecta el rango de temperatura de funcionamiento y la estabilidad de la capacidad.
• Costo y Procesabilidad: Impacto en la comercialización.

II. Estructura central: tecnología de metalización y electrodos.

La esencia de los condensadores de película delgada radica en cómo construir electrodos sobre películas delgadas, y de esto se pueden derivar productos con diferentes características.

1. Tipo de electrodo

Electrodo de lámina metálica:

• Estructura: La lámina metálica (normalmente aluminio o zinc) se lamina directamente y se enrolla con una película plástica.
• Ventajas: Gran capacidad para transportar alta corriente (baja resistencia del electrodo), buena tolerancia a sobretensión/sobrecorriente.
• Desventajas: De gran tamaño, sin capacidad de autocuración.

Electrodos metalizados (tecnología convencional):

• Estructura: En alto vacío, el metal (aluminio, zinc o sus aleaciones) se vaporiza sobre la superficie de una película delgada en forma atómica para formar una capa metálica extremadamente delgada con un espesor de sólo decenas de nanómetros.
• Ventajas: De tamaño pequeño y alto en volumen específico, su capacidad de “autocuración”. Cuando un material dieléctrico se descompone parcialmente, la alta corriente instantánea generada en el punto de ruptura hace que la fina capa metálica circundante se vaporice y evapore, aislando así el defecto y restaurando el rendimiento del condensador.

2. Tecnologías clave para electrodos metalizados (mejora de la confiabilidad)

Borde dejando y engrosando el borde:

• Borde saliendo: Durante la deposición de vapor, se deja un área en blanco en el borde de la película para evitar que los dos electrodos produzcan un cortocircuito debido al contacto en el borde después del bobinado.
• Bordes engrosados (tecnología de fusibles actual): La capa metálica de la superficie de contacto (superficie chapada en oro) del electrodo se espesa, mientras que la capa metálica de la zona activa central permanece extremadamente fina. Esto garantiza una baja resistencia de contacto en la superficie de contacto y da como resultado que se requiera menos energía para la autorreparación, lo que la hace más segura y confiable.

Tecnología de electrodo dividido:

• Segmentación de malla/rayas: Dividir el electrodo depositado por vapor en múltiples áreas pequeñas y mutuamente aisladas (como una red de pesca o rayas).
• Ventajas: Localiza el potencial de autorreparación, lo que limita en gran medida la energía y el área de autorreparación, previene la pérdida de capacitancia causada por la autorreparación de áreas grandes y mejora significativamente la durabilidad y seguridad de los capacitores. Esta es una tecnología estándar para condensadores de alta tensión y alta potencia.

III. Diseño Estructural: Bobinado y Laminación

1. Tipo de bobinado

Proceso: Se enrollan dos o más capas de películas delgadas metalizadas en un núcleo cilíndrico como un rollo.

Tipos:

• Devanado inductivo: Los electrodos salen de ambos extremos del núcleo, lo que da como resultado una inductancia relativamente grande.
• Devanado no inductivo: Los electrodos se extienden desde toda la cara frontal del núcleo (la cara frontal metálica se forma mediante un proceso de pulverización de oro). La ruta de la corriente es paralela y la inductancia es extremadamente baja, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta frecuencia y pulsos elevados.

Ventajas:

• Tecnología madura, amplio rango de capacidad y fácil de fabricar.

Desventajas:

• No tiene una forma plana, lo que puede resultar en una baja eficiencia de espacio en algunos diseños de PCB.

2. Tipo laminado (tipo de una sola pieza)

Proceso: Las películas delgadas con electrodos previamente depositados se apilan en paralelo y luego los electrodos se conducen alternativamente a través de un proceso de conexión para formar una estructura multicapa en forma de "sándwich".

Ventajas:

• Inductancia extremadamente baja (ESL mínimo), adecuada para aplicaciones de frecuencia ultraalta.
• Forma regular (cuadrada/rectangular), adecuada para colocación SMT de alta densidad.
• Mejor disipación del calor.

Desventajas:

• El proceso es complejo, es difícil lograr una gran capacidad/alto voltaje y el costo es relativamente alto.

Aplicaciones:

• Circuitos de radiofrecuencia de alta frecuencia, desacoplamiento, aplicaciones de microondas.

IV. Conclusión: efectos sinérgicos de materiales y estructuras.

El rendimiento de los condensadores de película es el resultado de una sinergia precisa entre las propiedades de sus materiales y el diseño estructural.

Tendencias de desarrollo futuras:

Innovación de materiales: Desarrollar nuevas películas poliméricas con temperaturas más altas (>150 °C) y densidades de almacenamiento de energía más altas (εr alto, Eb alto).

Estructura refinada: Un control más preciso de los patrones de deposición de vapor (segmentación a nanoescala) permite un mejor control y rendimiento de la autorreparación.

Integración y Modularización: Integrar múltiples capacitores con inductores, resistencias, etc., en un solo módulo para brindar una solución integral para sistemas electrónicos de potencia.