소자 구조
필름 커패시터 카테고리에 속하는 소자들은 본질적으로 정전식이며, 종이 또는 다양한 폴리머와 같은 유전체를 얇은 시트 또는 “필름” 형태로 만들어 사용하며 전극 소재 사이에 끼워 커패시터를 형성합니다. "필름 커패시터"라는 용어는 이런 종류의 공정을 사용해 만들어진 모든 소자들을 총칭하며, "필름"이라는 용어는 사용된 유전체의 본질에 관련된 것입니다. “금속 필름” 또는 "금속화 필름"처럼 "금속"이라는 용어가 "필름"의 수식어로 사용되면, 이는 진공 증착 공정을 통해 수십 나노미터의 매우 얇은 층으로 된 지지 기판 위에 전극을 증착하는 필름 커패시터의 하위 유형을 보다 구체적으로 거론하는 것입니다. 자주 사용되는 기판은 유전체로도 사용되지만, 항상 그렇지는 않습니다. 이와 대조적으로 “포일” 전극 커패시터는 기계적으로 자체 지지가 가능할 정도로 충분히 두꺼운(마이크로미터 단위) 가정용 알루미늄 포일에 더 가까운 전극 소재를 사용합니다.
메탈 필름 전극을 기반으로 하는 필름 커패시터들은 자기 회복이 가능한 장점이 있습니다. 유전체 일부에 발생한 결점 근처의 전극 소재는 해당 결점으로 인한 누설 전류에 의해 기화될 수 있을 정도로 얇아서, 정전용량이 일부 줄어드는 대신 해당 결점을 제거(또는 “없어지게”)합니다. 이러한 자기 회복 능력은 신뢰성 또는 생산 수율 문제로 인해 실현 가능한 것보다 얇은 유전체를 사용 할 수 있어서, 결과적으로 체적당 정전용량이 높아집니다. 포일 전극 커패시터의 장점은 두꺼운 전극으로 인해 ESR이 낮아서 자기 회복 능력과 체적당 달성 가능한 정전용량이 감소되는 대신 RMS 및 펄스 전류 처리 능력이 향상된다는 것입니다.
기본적인 필름 및 포일 전극 유형의 많은 기발한 조합과 변경이 널리 사용됩니다. 예를 들어, 포일 및 필름 전극은 “부유 전극” 구성을 사용하여 종종 단일 소자에 통합되며, 이 구성은 (유사하게 지정된 세라믹 커패시터와 마찬가지로) 사실상 두 개 이상의 커패시터가 직렬로 연결된 것입니다. “외부” 전극은 포일 유형으로 그리고 “부유” 전극은 필름 유형으로 만듦으로써, 전류 처리 능력이 뛰어나고, 자기 회복 능력이 있으며, 체적당 정전용량이 향상된 커패시터를 구현할 수 있습니다. 자주 사용되는 또 다른 기술은 무늬가 있는 필름 전극의 사용입니다. 전극을 여러 개의 상호 연결된 부분으로 분할함으로써, 자기 회복을 하는 동안 연결부는 결함 부위에 흐를 수 있는 전류량을 제한하는 퓨즈 역할을 할 수 있어서 연쇄 또는 단락 고장의 위험을 줄일 수 있습니다.
일반적인 용도와 응용 분야:
일부 유형의 필름 커패시터는 소자에 인가되는 전압의 반전이 발생하는 전력 응용 분야에서 지배적인 커패시터 기술입니다. 금속화 필름 유형은 자기 회복 특성과 많은 고장 상태에서 고장 시 오픈이 되기 때문에 안전 등급 응용 분야에 아주 적합합니다. 금속 포일 유형은 AC 모터의 시동/구동 시 또는 대량 전력 배전을 위한 용량성 리액턴스 제공 시와 같은 높은 리플 전류 진폭이 예상되는 응용 분야에 종종 사용됩니다. 또한, 필름 커패시터는 아날로그 오디오 신호 처리 장비와 같이 높은 정전용량 값 뿐만 아니라 온도에 대한 선형성과 안정성이 요구되는 저전압 신호 응용 분야에 종종 사용됩니다.
소자에 걸리는 전압의 극성이 반전되지 않는 DC 버스 필터링과 같은 응용 분야에서, 필름 커패시터는 알루미늄 전해 유형의 대안이 (또는 그 반대가) 될 수 있습니다. 필름 커패시터를 비슷한 전압 정격 및 정전용량의 알루미늄 전해 유형과 비교해보면, 필름 커패시터가 약 10배 더 크고 비싼 경향이 있지만 ESR 값은 약 100배 더 낮습니다. 필름 커패시터의 액체 전해질 결여는 알루미늄 전해 소자들이 직면하는 (전해액)증발 및 저온에서의 ESR 증가 문제들을 해결하며, 알루미늄 전해 소자는 장시간 사용하지 않는 동안 유전체 열화를 겪지만 필름 커패시터는 그렇지 않습니다. 또한, 필름 커패시터의 낮은 ESR 특성으로 인해 일부 응용 분야에서 전해 소자가 필요로 하는 정전용량보다 더 작은 값을 사용할 수 있어서, 전해 유형에 비해 필름 기술의 비용상 단점을 상쇄합니다.
일반적인 고장 메커니즘/중요한 설계 고려 사항:
필름 커패시터는 일반적으로 상당히 내구성이 있지만, 몇 가지 장기 마모 메커니즘에 취약합니다. 시간이 지남에 따라, 사용된 유전체는 약해져 부서지기 쉬워지고, 내전압 성능 저하를 겪게 되어, 결국에는 절연 파괴 고장으로 이어지게 됩니다. 이 과정은 온도 및 전압 스트레스에 의해 가속화되며, 둘 중 하나를 줄이면 사용 기간을 연장할 수 있습니다. 절연 파괴 이벤트의 심각성에 따라 고장 모드는 비교적 양호한 정도에서 매우 굉장한 정도까지 다양할 수 있습니다. 필름 커패시터의 자기 회복 특성에 의해 억제된 경미한 절연 파괴 이벤트는 정전용량의 점진적인 감소로 나타날 것입니다. 시간이 흐르면서 이러한 이벤트가 더 많이 발생함에 따라, 누적 효과는 소자의 성능이 더 이상 사양을 만족하지 못하고 모수적 고장(parametric failure)으로 여겨질 때까지 정전용량의 감소와 ESR의 증가를 야기합니다.
모수적 고장인 소자를 제거하지 않으면 모수적 고장에 뒤이어 보다 극단적인 경우가 발생할 수 있으며, 이 경우 자기 회복 도중 방출되는 열 에너지가 주변에 추가적인 절연 파괴를 촉발하면 연쇄 고장이 발생할 수 있습니다. 자기 회복 이벤트는 회로에서 커패시터 부분을 감소시키기 때문에, 자기 회복이 진행됨에 따라 적용 스트레스는 계속해서 줄어드는 부분에 전반적으로 재분산되어, 회로에 실제로 남아 있는 부분에 가해지는 스트레스가 증가합니다. 그러면 커패시터의 다음으로 약한 부분이 고장나 남은 다른 부분에 부담이 전가되고, 더 많은 절연 파괴 이벤트를 촉발하여 더 많은 스트레스가 집중되고, 다시 더 많은 절연 파괴 이벤트가 발생하는 기하급수적 방식으로 늘어납니다. 이 과정이 충분히 빠르게 발생한다면, 자기 회복 과정에서 발생하는 가스 부산물은 소자의 케이스를 완전히 파열시키기에 충분한 압력을 가할 수 있습니다. 큰 소자들은 이런 사태가 발생할 경우 날아다니는 파편으로 인한 부수적 피해를 억제/예방하기 위한 배기 메커니즘을 갖추고 있으며, 내부 과압 상태가 발생할 경우 회로로부터 소자를 분리할 수 있는 퓨즈 메커니즘도 갖추고 있을 수 있습니다. 모수적 고장이 발생한 소자를 계속 동작시킨다면 반복적인 자기 회복으로 인한 모수적 고장은 더 큰 재앙과 폭발성 고장으로 가는 그야말로 길목이 될 수 있습니다.
필름 커패시터에서 발견되는 또 다른 과도한 스트레스성 고장 모드는 커패시터의 "플레이트"가 외부 리드와 접합되는 영역에서의 퓨즈와 유사한 동작으로 인해 최대 전류 한계를 초과할 때 발생합니다. 금속화 필름 유형의 매우 작은 전극 두께와 그로 인한 외부와의 연약한 연결로 인해 금속화 필름에서 특히 일반적입니다. 대부분의 필름 유형 커패시터들은 커패시터에 가해지는 최대 전압 변화율(dV/dt)을 지정합니다. 일반적으로 전압이 전류보다 측정하기 편하긴 하지만, I(t)=C*dV/dt이기 때문에 이는 소자를 통과하는 최대 전류를 지정하는 것과 같습니다.
환경 조건도 필름 커패시터의 수명에 한 몫 합니다. 다른 소자와 마찬가지로 높은 온도는 소자의 수명을 상당히 단축시킵니다. 필름 소자의 보다 독특한 점은 습기에 대한 취약성입니다. 고습 환경 또는 조립 후 세척 사이클에 장시간 노출되면 소자 리드 주변 에폭시와 금속간 밀봉의 불완전함을 통해 또는 소자의 폴리머 케이스를 통한 흡습확산에 의해 소자에 수분이 침투할 수 있습니다. 수분 침투는 여러 부분에서 불리합니다. 유전체의 질을 떨어뜨리고 전극 소재의 부식도 촉진시킵니다. 특히 전극 두께가 불과 수십 나노미터에 불과한 금속 필름 유형 소자에서는 아주 적은 부식으로도 문제를 일으킬 수 있습니다. 게다가 고진동 환경도 소자 리드 또는 리드와 전극 간의 부착분에 기계적 고장을 초래하거나 수분 침투 문제를 악화시킬 수 있어서 문제가 될 수 있습니다.
필름 커패시터의 신뢰성과 수명에 있어 중요한 요인은 온도 다음으로 인가 전압입니다. 공급업체의 사용 수명 모델은 다양하지만, 온도의 영향이 온도가 10°C 상승할 때마다 반으로 줄어드는 아레니우스 관계식을 따를 때 전압은 일반적으로 정격 전압과 인가 전압의 비에 (보통 5와 10 사이의) 큰 지수를 취한 값을 기반으로 합니다. 두 효과 간, 전압을 30% 그리고 온도를 20% 낮추면 사용 수명 추정치는 거의 두 자리가 증가합니다.
유전체 유형, 특징 및 대상 용도:
아크릴:
아크릴레이트 소재는 필름 커패시터의 유전체로서는 비교적 최신 소재입니다. 현재 이용 가능한 소자들은 압전 효과 및 DC 바이어스에 따른 정전용량 손실을 방지할 수 있는 세라믹 유전체의 리플로우 가능한 필름 대체제로서 또는 저-ESR 탄탈럼의 대체제로서 판매되곤 합니다.
종이:
크라프트지는 현대의 폴리머 개발 이전에 싼 가격과 가용성으로 인해 필름 커패시터에 사용된 가장 초기 유전체 중 하나였습니다. 틈새를 채우고 수분 흡수를 막기 위해 왁스, 다양한 오일 또는 에폭시를 일반적으로 주입하며, 낮은 절연 강도와 높은 수분 흡수성으로 인해 종이는 유전체로서의 인기를 대부분 잃게 되었지만, 비용에 매우 민감하다거나 기존 사양의 변경을 실현하기가 매우 어려운 응용 분야에서 여전히 제한적으로 사용될 수 있습니다. 메탈 필름이 폴리머 소재보다는 종이에 상대적으로 쉽게 부착될 수 있어서, 종이는 이따금 유전체 그 자체로서가 아니라 실제 유전체 역할을 하는 폴리프로필렌과 같은 비금속화 폴리머와 함께 금속화 전극 소재의 기계적 캐리어로 사용됩니다.
폴리에스테르/폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET):
폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 PET라고도 알려진 폴리에스테르는 폴리프로필렌과 함께 필름 커패시터에 가장 일반적으로 사용되는 유전체 중 하나입니다. 폴리프로필렌에 비하여, 폴리에스테르는 일반적으로 유전 상수가 높고, 절연 강도는 낮으며, 온도 내성이 높고 유전 손실도 높습니다. 간단히 말해, 폴리에스테르 유전체는 정전용량의 품질보다 용량을 중시하고 표면 장착형 폼 팩터를 필요로 하지 않는 필름 커패시터 용도에 적합합니다. 폴리에스테르 필름 커패시터를 표면 장착 패키지로 사용이 가능하도록 고온 내성을 위해 설계된 특정 제형의 폴리에스테르가 있지만, 이러한 소자는 그 수가 비교적 적습니다.
폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN):
폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 표면 장착형의 리플로우 사용 가능한 패키지에 필름 커패시터 기술을 사용 할 수 있도록 고온을 견딜 수 있게 설계된 고분자 유전체입니다. 적용 개념 상, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 정전용량의 품질보다 용량을 구현하는 폴리에틸렌(PET)의 리플로우 사용 가능한 버전으로 생각할 수 있습니다. 리플로우 솔더링이 가능해지는 대신, PEN은 체적당 정전용량인 비정전 용량(specific capacitance)이 약간 떨어지며, 유전 흡수(dielectric absorption)는 높아지며, 수분 흡수 문제가 발생하기 쉽지만, 저주파에서의 손실 계수(dissipation factor)가 폴리에틸렌에 비해 약간 개선됩니다.
폴리프로필렌(PP):
폴리프로필렌은 흔히 사용되는 필름 커패시터 유전체 중 가장 낮은 유전 손실, 가장 낮은 유전 상수, 그리고 가장 낮은 최대 동작 온도를 보여줍니다. 또한 이러한 폴리머 중에서 가장 높은 절연 강도를 보여줄 뿐만 아니라 온도에 따른 우수한 파라미터 안정성도 보여줍니다. 전체적으로, 폴리프로필렌은 정전용량의 용량보다 품질을 필요로 하는 필름 커패시터 적용 시 선택할 수 있는 유전체입니다.
우수한 손실 특성으로 인해, 폴리프로필렌 필름 커패시터는 유도 가열과 사이리스터 전환과 같은 고전류, 고주파 응용 분야 뿐만 아니라 안정적이고 선형적인 정전용량을 필요로 하고 어떠한 이유로 다른 커패시터 유형은 사용할 수 없거나 실현할 수 없는 응용 분야에서 선택할 수 있는 소자입니다.
폴리페닐렌 설파이드(PPS):
폴리페닐렌 설파이드(PPS) 유전체는 정전용량의 용량보다 품질이 중요한 응용 분야에서 폴리페닐렌의 리플로우 가능한 대안으로 생각할 수 있습니다. 폴리페닐렌에 비해, PPS 커패시터는 적용 가능한 주파수 범위에 대해 대략 2~3배 더 높은 비정전 용량과 손실 계수를 보여주지만, 온도 범위에 대한 정전용량의 안정성은 약간 향상되었습니다.
기타 유전체
많은 필름 커패시터 유전체들이 나타났다 시간이 지남에 따라 사라지거나 잊혀진 채로 남아 있습니다. 새로운 응용 분야에 사용하기에는 쉽게 사용할 수 있거나 권장되지 않지만, 참고와 비교를 위해 여기에서 언급합니다.
폴리카보네이트
폴리카보네이트는 단단하고 투명한 열가소성 플라스틱으로 흔히 보호 안경용 렌즈, 헬멧 바이저 또는 내충격성 광학용도로 사용됩니다. 유전체 필름으로 사용하기 위한 제조는 2000년경에 중단되었으며, 커패시터에 적용하기 위해 남은 재료 재고는 대부분 소비되었습니다. 군사용 온도 범위(-55°C~+125°C)에서 상대적으로 안정적인 파라미터와 높은 온도에서 거의 디레이팅 없이 사용할 수 있는 뛰어난 온도 특성을 가지지만, 대개의 경우 폴리프로필렌에 비해 약간 떨어지긴 해도 전기적 특성이 비슷하여 유전체로써 상당히 우수했습니다. 폴리페닐렌 설파이드(PPS)는 이전에 폴리카보네이트 기반의 소자를 사용한 응용 분야에 적합할 가능성이 있는 사용 가능한 대안으로 흔히 언급됩니다.
폴리이미드
폴리이미드는 흔히 캡톤이라는 상표명으로 판매되는 고온 폴리머로, 많은 전자 제품 응용 분야에서 연성 회로의 기판으로 사용됩니다. 커패시터 용도의 유전체로서 폴리이미드는 폴리에스터/PET와 비교할 만한 적당한 성능을 보여주지만, 고온 안정성으로 인해 200°C 이상의 고온에서도 동작할 수 있습니다. 폴리이미드의 높은 절연 강도는 소자의 체적 밀도가 우수할 가능성을 시사하지만, 소재를 매우 얇은 필름으로 생산하는 데 있어서의 어려움으로 인해 이 유전체를 기반으로 하는 커패시터의 매력/사용 가능성이 제한되는 경향이 있습니다.
폴리스티렌
폴리스티렌 필름 커패시터는 85°C에 불과한 매우 낮은 온도 내성으로 인해 조립 및 제조가 어렵다는 주된 이유로 인기가 시들해져, 현 시점에는 대부분 단종된 품종입니다. 적당한 동작 온도에서 폴리스티렌의 전기적 성능은 상당히 양호하며, 안정성과 전기적 성능 특성이 선택 기준에 영향력을 미칠 때 이러한 소자들이 잠시 동안은 믿을 만한 선택지였습니다. 대부분의 경우, 이러한 소자들은 폴리프로필렌 필름 커패시터로 대체되었습니다.
폴리술폰
폴리술폰은 전기적으로 그리고 비싸고 비교적 구하기 어렵다는 점에서 폴리카보네이트와 유사한 단단하고 투명한 열가소성 플라스틱입니다.
테프론/PTFE
"테프론"은 다수의 불소 폴리머를 망라하는 듀폰의 상표명으로, 주로 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)이지만 불소화 에틸렌 프로필렌(FEP) 등에서도 "테프론"이라는 이름을 찾아볼 수 있습니다. 이 폴리머는 매우 안정적인 경향이 있으며 높은 온도 내성과 시간, 온도, 전압, 주파수 등에 대한 뛰어난 안정성을 비롯하여 정밀 유전체로서 많은 우수한 특성을 가지고 있습니다. PTFE 필름의 기계적인 특성과 필름의 금속화가 어려운 점은 PTFE 기반 필름 커패시터의 생산을 어렵고 비용이 많이 드는 문제로 만들고, 그래서 그러한 소자들은 거의 시장에서 구할 수 없습니다.
영문 원본: Film Capacitors