ทำความเข้าใจเกี่ยวกับตัวเก็บประจุแบบฟิล์มในบทความเดียว: ความรู้หลักจากวัสดุสู่โครงสร้าง

I. วัสดุหลัก: ฟิล์มบางอิเล็กทริก

ฟิล์มอิเล็กทริกคือ “หัวใจ” ของ ตัวเก็บประจุฟิล์ม กำหนดขีดจำกัดบนของประสิทธิภาพพื้นฐานของตัวเก็บประจุโดยตรง ส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภท:

1. ฟิล์มบางแบบดั้งเดิม (ไม่มีขั้ว)

โพรพิลีน (PP, BOPP):

• ลักษณะการทำงาน: การสูญเสียต่ำมาก (DF ~ 0.02%) ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่เสถียร ลักษณะอุณหภูมิและความถี่ที่ดี และความต้านทานของฉนวนสูง ปัจจุบันเป็นวัสดุฟิล์มบางที่มีประสิทธิภาพโดยรวมและใช้งานได้หลากหลายที่สุด
• การใช้งาน: แอปพลิเคชันความถี่สูง พัลส์สูง และกระแสสูง เช่น อินเวอร์เตอร์ อุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง วงจรเรโซแนนซ์ และครอสโอเวอร์เสียงระดับไฮเอนด์

โพลีเอสเตอร์ (สัตว์เลี้ยง):

• ลักษณะการทำงาน: ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง (~ 3.3) ต้นทุนต่ำ และความแข็งแรงเชิงกลที่ดี อย่างไรก็ตาม มีการสูญเสียค่อนข้างสูง (DF ~0.5%) และมีลักษณะอุณหภูมิและความถี่ต่ำ
• การใช้งาน: การใช้งาน DC และความถี่ต่ำที่มีข้อกำหนดสำหรับอัตราส่วนความจุต่อปริมาตร แต่ไม่มีข้อกำหนดสูงสำหรับการสูญเสียและความเสถียร เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค การบล็อก DC ทั่วไป และบายพาส

โพลีฟีนิลีนซัลไฟด์ (PPS):

• ลักษณะการทำงาน: ทนต่ออุณหภูมิสูง (สูงถึง 125°C ขึ้นไป) ความคงตัวของขนาด และการสูญเสียต่ำกว่า PET อย่างไรก็ตามต้นทุนจะสูงกว่า
• การใช้งาน: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์ อุปกรณ์ยึดพื้นผิวที่อุณหภูมิสูง (SMD) ตัวกรองที่มีความแม่นยำ

โพลีอิไมด์ (PI):

• ลักษณะการทำงาน: ราชาแห่งการต้านทานอุณหภูมิสูง (สูงถึง 250°C หรือสูงกว่า) แต่มีราคาแพงและแปรรูปยาก
• การใช้งาน: การบินและอวกาศ การทหาร สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง

2. ฟิล์มบางที่เกิดขึ้นใหม่ (ขั้วโลก) - แสดงถึงอุณหภูมิสูงและความหนาแน่นของพลังงานสูง

โพลีเอทิลีนแนฟทาเลต (PEN):

• ประสิทธิภาพอยู่ระหว่าง PET และ PPS และทนความร้อนได้ดีกว่า PET

โพลีเบนโซซาโซล (PBO):

• ด้วยความต้านทานความร้อนสูงเป็นพิเศษและความเป็นฉนวนสูงเป็นพิเศษ จึงเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสำหรับตัวเก็บประจุแบบฟิล์มขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าในอนาคต

ฟลูออโรโพลีเมอร์ (เช่น PTFE, FEP):

• มีลักษณะความถี่สูงและการสูญเสียต่ำมาก แต่ประมวลผลได้ยากและมีต้นทุนสูง จึงใช้ในวงจรไมโครเวฟความถี่สูงพิเศษ

ข้อเสียเปรียบหลักในการเลือกวัสดุ:

• ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (εr): ส่งผลต่อประสิทธิภาพเชิงปริมาตร (ปริมาตรที่ต้องการเพื่อให้ได้ความจุเท่ากัน)
• การสูญเสียแทนเจนต์ (tanδ/DF): ส่งผลต่อประสิทธิภาพ การสร้างความร้อน และค่า Q
• ความเป็นฉนวน: ส่งผลต่อการทนต่อแรงดันไฟฟ้า
• ลักษณะอุณหภูมิ: ส่งผลต่อช่วงอุณหภูมิในการทำงานและความเสถียรของความจุ
• ต้นทุนและความสามารถในการแปรรูป: ผลกระทบต่อการค้า

ครั้งที่สอง โครงสร้างหลัก: เทคโนโลยีการทำให้เป็นโลหะและอิเล็กโทรด

สาระสำคัญของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางอยู่ที่การสร้างอิเล็กโทรดบนฟิล์มบาง และจากนี้ จึงสามารถได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันออกไป

1. ประเภทอิเล็กโทรด

อิเล็กโทรดฟอยล์โลหะ:

• โครงสร้าง: โลหะฟอยล์ (โดยปกติคืออะลูมิเนียมหรือสังกะสี) จะถูกเคลือบโดยตรงและพันด้วยฟิล์มพลาสติก
• ข้อดี: ความสามารถที่แข็งแกร่งในการส่งกระแสสูง (ความต้านทานอิเล็กโทรดต่ำ) ความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าเกิน/กระแสเกินที่ดี
• ข้อเสีย: ขนาดใหญ่ไม่มีความสามารถในการรักษาตัวเอง

อิเล็กโทรด Metallized (เทคโนโลยีกระแสหลัก):

• โครงสร้าง: ภายใต้สุญญากาศสูง โลหะ (อะลูมิเนียม สังกะสี หรือโลหะผสม) จะถูกระเหยไปบนพื้นผิวของฟิล์มบาง ๆ ในรูปแบบอะตอมเพื่อสร้างชั้นโลหะที่บางมากซึ่งมีความหนาเพียงสิบนาโนเมตร
• ข้อดี: ขนาดเล็กและมีปริมาณเฉพาะสูง มีความสามารถในการ “ซ่อมแซมตัวเอง” ได้ เมื่อวัสดุอิเล็กทริกแตกตัวบางส่วน กระแสไฟสูงที่เกิดขึ้นทันทีที่จุดสลายตัวจะทำให้ชั้นโลหะบาง ๆ โดยรอบระเหยและระเหยออกไป ดังนั้นจึงแยกข้อบกพร่องและฟื้นฟูประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุ

2. เทคโนโลยีที่สำคัญสำหรับอิเล็กโทรดที่เป็นโลหะ (การปรับปรุงความน่าเชื่อถือ)

การออกจากขอบและการทำให้ขอบหนาขึ้น:

• การออกจากขอบ: ในระหว่างการสะสมไอ พื้นที่ว่างจะถูกทิ้งไว้ที่ขอบของฟิล์มเพื่อป้องกันไม่ให้อิเล็กโทรดทั้งสองเกิดการลัดวงจรเนื่องจากการสัมผัสกับขอบหลังจากการพัน
• ขอบหนา (เทคโนโลยีฟิวส์ปัจจุบัน): ชั้นโลหะบนพื้นผิวสัมผัส (พื้นผิวเคลือบทอง) ของอิเล็กโทรดมีความหนาขึ้น ในขณะที่ชั้นโลหะในพื้นที่แอคทีฟส่วนกลางยังคงบางมาก ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความต้านทานการสัมผัสที่พื้นผิวสัมผัสต่ำ และส่งผลให้ต้องใช้พลังงานน้อยลงในการรักษาตัวเอง ทำให้ปลอดภัยและเชื่อถือได้มากขึ้น

เทคโนโลยีอิเล็กโทรดแบบแยกส่วน:

• การแบ่งส่วนตาข่าย/ลายทาง: การแบ่งอิเล็กโทรดที่สะสมไอออกเป็นพื้นที่เล็กๆ หลายจุดที่มีฉนวนร่วมกัน (เช่น อวนจับปลาหรือแถบ)
• ข้อดี: โดยจำกัดพลังงานและพื้นที่ในการรักษาตัวเองได้อย่างมาก ป้องกันการสูญเสียความจุที่เกิดจากการรักษาตัวเองในพื้นที่ขนาดใหญ่ และปรับปรุงความทนทานและความปลอดภัยของตัวเก็บประจุอย่างมีนัยสำคัญ นี่เป็นเทคโนโลยีมาตรฐานสำหรับตัวเก็บประจุไฟฟ้าแรงสูงและกำลังสูง

ที่สาม การออกแบบโครงสร้าง: การม้วนและการเคลือบ

1. ประเภทที่คดเคี้ยว

กระบวนการ: ฟิล์มบางที่เคลือบด้วยโลหะตั้งแต่ 2 ชั้นขึ้นไปจะถูกพันเป็นแกนทรงกระบอกเหมือนม้วน

ประเภท:

• ขดลวดเหนี่ยวนำ: อิเล็กโทรดจะถูกดึงออกมาจากปลายทั้งสองของแกน ส่งผลให้มีการเหนี่ยวนำค่อนข้างมาก
• ขดลวดแบบไม่เหนี่ยวนำ: อิเล็กโทรดยื่นออกมาจากส่วนปลายทั้งหมดของแกน (ส่วนปลายที่เป็นโลหะเกิดขึ้นจากกระบวนการพ่นด้วยทองคำ) เส้นทางกระแสไฟฟ้าเป็นแบบขนาน และความเหนี่ยวนำต่ำมาก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความถี่สูงและพัลส์สูง

ข้อดี:

• เทคโนโลยีที่สมบูรณ์ ช่วงกำลังการผลิตที่กว้าง และง่ายต่อการผลิต

ข้อเสีย:

• ไม่ใช่รูปทรงแบนซึ่งอาจส่งผลให้ประสิทธิภาพพื้นที่ต่ำในเค้าโครง PCB บางส่วน

2. แบบเคลือบ (แบบชิ้นเดียว)

กระบวนการ: ฟิล์มบางที่มีอิเล็กโทรดที่ฝากไว้ล่วงหน้าจะเรียงซ้อนกันแบบขนาน จากนั้นอิเล็กโทรดจะถูกนำออกมาสลับกันผ่านกระบวนการเชื่อมต่อเพื่อสร้างโครงสร้างหลายชั้นแบบ "แซนวิช"

ข้อดี:

• ความเหนี่ยวนำต่ำมาก (ESL ขั้นต่ำ) เหมาะสำหรับการใช้งานความถี่สูงพิเศษ
• รูปร่างปกติ (สี่เหลี่ยมจัตุรัส/สี่เหลี่ยม) เหมาะสำหรับตำแหน่ง SMT ที่มีความหนาแน่นสูง
• กระจายความร้อนได้ดีขึ้น

ข้อเสีย:

• กระบวนการนี้ซับซ้อน และเป็นการยากที่จะบรรลุกำลังการผลิตขนาดใหญ่/ไฟฟ้าแรงสูง และต้นทุนก็ค่อนข้างสูง

การใช้งาน:

• วงจรความถี่วิทยุความถี่สูง การแยกส่วน การใช้งานไมโครเวฟ

IV. สรุป: ผลเสริมฤทธิ์กันของวัสดุและโครงสร้าง

ประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันที่แม่นยำระหว่างคุณสมบัติของวัสดุและการออกแบบโครงสร้าง

แนวโน้มการพัฒนาในอนาคต:

นวัตกรรมวัสดุ: พัฒนาฟิล์มโพลีเมอร์ชนิดใหม่ที่มีอุณหภูมิสูงขึ้น (>150°C) และความหนาแน่นในการกักเก็บพลังงานที่สูงขึ้น (εr สูง Eb สูง)

โครงสร้างที่ประณีต: การควบคุมรูปแบบการสะสมไอที่แม่นยำยิ่งขึ้น (การแบ่งส่วนระดับนาโน) ช่วยให้สามารถควบคุมและประสิทธิภาพการรักษาตนเองได้ดีขึ้น

การบูรณาการและการทำให้เป็นโมดูล: การรวมตัวเก็บประจุหลายตัวเข้ากับตัวเหนี่ยวนำ ตัวต้านทาน ฯลฯ ให้เป็นโมดูลเดียวเพื่อมอบโซลูชันแบบองค์รวมสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง