Compreendendo os capacitores de filme em um artigo: conhecimento básico dos materiais à estrutura

I. Material do núcleo: Filme fino dielétrico

O filme dielétrico é o “coração” de um capacitor de filme , determinando diretamente o limite superior do desempenho básico do capacitor. Eles são divididos principalmente em duas categorias:

1. Filmes finos tradicionais (não polares)

Polipropileno (PP, BOPP):

• Características de desempenho: Perda extremamente baixa (DF ~0,02%), constante dielétrica estável, boas características de temperatura e frequência e alta resistência de isolamento. Atualmente é o material de filme fino com desempenho geral e a mais ampla gama de aplicações.
• Aplicações: Aplicações de alta frequência, alto pulso e alta corrente, como inversores, fontes de alimentação chaveadas, circuitos ressonantes e crossovers de áudio de última geração.

Poliéster (PET):

• Características de desempenho: Alta constante dielétrica (~3,3), baixo custo e boa resistência mecânica. No entanto, apresenta perdas relativamente altas (DF ~0,5%) e características ruins de temperatura e frequência.
• Aplicações: Aplicações de CC e de baixa frequência onde há requisitos de relação capacidade/volume, mas não requisitos elevados de perda e estabilidade, como produtos eletrônicos de consumo, bloqueio geral de CC e bypass.

Sulfeto de polifenileno (PPS):

• Características de desempenho: Resistência a altas temperaturas (até 125°C e acima), estabilidade dimensional e menor perda que o PET. No entanto, o custo é mais elevado.
• Aplicações: Eletrônica automotiva, dispositivos de montagem em superfície de alta temperatura (SMD), filtros de precisão.

Poliimida (PI):

• Características de desempenho: O rei da resistência a altas temperaturas (até 250°C ou superior), mas é caro e difícil de processar.
• Aplicações: Ambientes aeroespaciais, militares e de alta temperatura.

2. Filmes Finos Emergentes (Polares) - Representando Alta Temperatura e Alta Densidade de Energia

Naftalato de polietileno (PEN):

• Seu desempenho está entre o PET e o PPS, e sua resistência ao calor é melhor que a do PET.

Polibenzoxazol (PBO):

• Com resistência ao calor ultra-alta e rigidez dielétrica ultra-alta, é um material potencial para futuros capacitores de filme de acionamento de veículos elétricos.

Fluoropolímeros (como PTFE, FEP):

• Possui características de alta frequência e perdas extremamente baixas, mas é difícil de processar e tem alto custo, por isso é utilizado em circuitos especiais de micro-ondas de alta frequência.

Principais compensações na seleção de materiais:

• Constante dielétrica (εr): Afeta a eficiência volumétrica (o volume necessário para atingir a mesma capacitância).
• Perda Tangente (tanδ/DF): Afeta a eficiência, a geração de calor e o valor Q.
• Força dielétrica: Afeta a tensão suportável.
• Características de temperatura: Afeta a faixa de temperatura operacional e a estabilidade da capacidade.
• Custo e Processabilidade: Impacto na comercialização.

II. Estrutura Central: Tecnologia de Metalização e Eletrodos

A essência dos capacitores de filme fino está em como construir eletrodos em filmes finos e, a partir disso, podem ser derivados produtos com características diferentes.

1. Tipo de eletrodo

Eletrodo de folha metálica:

• Estrutura: A folha metálica (geralmente alumínio ou zinco) é laminada diretamente e enrolada com um filme plástico.
• Vantagens: Forte capacidade de transportar alta corrente (baixa resistência do eletrodo), boa tolerância a sobretensão/sobrecorrente.
• Desvantagens: Tamanho grande, sem capacidade de autocura.

Eletrodos metalizados (tecnologia convencional):

• Estrutura: Sob alto vácuo, o metal (alumínio, zinco ou suas ligas) é vaporizado na superfície de uma película fina em forma atômica para formar uma camada metálica extremamente fina com espessura de apenas dezenas de nanômetros.
• Vantagens: Pequeno em tamanho e alto volume específico, sua capacidade de “autocura”. Quando um material dielétrico se rompe parcialmente, a alta corrente instantânea gerada no ponto de ruptura faz com que a fina camada de metal circundante vaporize e evapore, isolando assim o defeito e restaurando o desempenho do capacitor.

2. Tecnologias-chave para eletrodos metalizados (melhorando a confiabilidade)

Borda saindo e engrossando a borda:

• Saída de borda: Durante a deposição de vapor, uma área em branco é deixada na borda do filme para evitar que os dois eletrodos entrem em curto-circuito devido ao contato na borda após o enrolamento.
• Bordas espessadas (tecnologia de fusível atual): A camada metálica na superfície de contato (superfície banhada a ouro) do eletrodo é espessada, enquanto a camada metálica na área ativa central permanece extremamente fina. Isso garante baixa resistência de contato na superfície de contato e resulta na necessidade de menos energia para a autocura, tornando-a mais segura e confiável.

Tecnologia de eletrodo dividido:

• Segmentação de malha/listrada: Dividir o eletrodo depositado por vapor em múltiplas áreas pequenas e mutuamente isoladas (como uma rede de pesca ou listras).
• Vantagens: Ele localiza a autocura potencial, limitando bastante a energia e a área de autocura, evitando a perda de capacitância causada pela autocura em grandes áreas e melhorando significativamente a durabilidade e a segurança dos capacitores. Esta é uma tecnologia padrão para capacitores de alta tensão e alta potência.

III. Projeto Estrutural: Enrolamento e Laminação

1. Tipo de enrolamento

Processo: Duas ou mais camadas de filmes finos metalizados são enroladas em um núcleo cilíndrico como um rolo.

Tipos:

• Enrolamento Indutivo: Os eletrodos saem de ambas as extremidades do núcleo, resultando em uma indutância relativamente grande.
• Enrolamento Não Indutivo: Os eletrodos se estendem de toda a face final do núcleo (a face final metálica é formada por um processo de pulverização de ouro). O caminho da corrente é paralelo e a indutância é extremamente baixa, tornando-o adequado para aplicações de alta frequência e alto pulso.

Vantagens:

• Tecnologia madura, ampla faixa de capacidade e fácil de fabricar.

Desvantagens:

• Não é um formato plano, o que pode resultar em baixa eficiência de espaço em alguns layouts de PCB.

2. Tipo laminado (tipo peça única)

Processo: Os filmes finos com eletrodos pré-depositados são empilhados em paralelo e, em seguida, os eletrodos são conduzidos alternadamente através de um processo de conexão para formar uma estrutura multicamadas “sanduíche”.

Vantagens:

• Indutância extremamente baixa (ESL mínimo), adequada para aplicações de frequência ultra-alta.
• Formato regular (quadrado/retangular), adequado para colocação de SMT de alta densidade.
• Melhor dissipação de calor.

Desvantagens:

• O processo é complexo e é difícil conseguir grande capacidade/alta tensão, e o custo é relativamente alto.

Aplicações:

• Circuitos de radiofrequência de alta frequência, desacoplamento, aplicações de microondas.

4. Conclusão: Efeitos Sinérgicos de Materiais e Estruturas

O desempenho dos capacitores de filme é o resultado de uma sinergia precisa entre as propriedades do material e o design estrutural.

Tendências de Desenvolvimento Futuro:

Inovação em materiais: Desenvolva novos filmes poliméricos com temperaturas mais altas (>150°C) e densidades de armazenamento de energia mais altas (alto εr, alto Eb).

Estrutura Refinada: O controle mais preciso dos padrões de deposição de vapor (segmentação em nanoescala) permite melhor controle e desempenho de autocura.

Integração e Modularização: Integração de vários capacitores com indutores, resistores, etc., em um único módulo para fornecer uma solução holística para sistemas eletrônicos de potência.