由于其高介电强度,薄膜电容器常用于高功率、高电压应用,包括可再生能源或电动汽车充电电路中的现代谐振功率转换器。本文一起来了解它的生产工艺。
薄膜电容器生产工艺步骤主要是:薄膜金属化、分切、卷绕、压扁、喷金、热处理、激活、焊接端子、封装。
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1、薄膜金属化(Metallizing
传统电容器使用独立的金属箔作为电极,而金属化薄膜电容器则通过蒸镀技术,在介质薄膜表面形成一层厚度仅为几十到几百纳米的极薄金属层(通常为锌铝复合材料)来代替金属箔。

 

这层金属层不仅充当电极,更赋予了薄膜电容器其标志性的 “自愈” 特性。

金属化过程在大型真空镀膜机中完成,基本步骤如下:

  • 抽真空:将卷状的聚丙烯薄膜置入真空室并抽至高真空状态,排除空气干扰,确保镀膜纯净均匀;
  • 蒸发金属:在真空室内,通过电子束轰击金属材料,使金属迅速蒸发汽化;
  • 蒸镀成膜:汽化的金属原子在真空环境中均匀地沉积在高速通过的塑料薄膜表面,冷却后形成一层连续、致密且有特定图案的金属层。

     

蒸镀出的金属层并非完整的一片,而是通过掩膜技术被精确地分割成复杂的图案,最常见的是栅格状
这种栅格形状的作用在于能有效地将蒸发区域限制在最小的孤立单元内,防止损坏蔓延,使电容器仅损失微小的电容值后便能恢复正常工作。这就是“自愈”的物理本质。
图源自松下
2、薄膜分切(Film Slitting

不同型号和容量的电容器需要不同宽度的薄膜带。分切工序将1 米宽幅的原膜(宽度可能超过1米)精确分切成设计所需的宽度,从几毫米到几十厘米不等。

分切过程必须产生洁净、平整、无毛刺的膜边。边缘的任何缺陷(如缺口、裂痕、料屑)都会在后续卷绕中导致对齐不准、层间短路或电场集中,成为可靠性的致命弱点。
3、卷绕(Winding

电容的基本原理是两个电极中间由绝缘介质隔开。卷绕工序就是通过将两层介质薄膜叠在一起进行卷绕,从而在紧凑的体积内创造出巨大的电极表面积。

两层薄膜在宽度方向上会设置一个微小的错位,目的是让上下两层薄膜的金属化边缘分别从芯子的两端露出,以便后续的喷金(Schooping) 工序能在这两个端面形成可靠的电气连接。

卷绕而成的芯子,其电容量与薄膜的介电常数、卷绕层数(即有效面积)成正比,与介质厚度成反比。

4、压扁(Flattening
方形的芯子可以紧密地排列在方形或矩形的外壳中,极大地减少内部空隙,从而在相同的容积下实现更高的电容容量,因此,压扁工序必不可少。
此外,压扁后的芯子与外壳的接触面积更大、更紧密,热量能更有效地通过外壳传导并散发到环境中。
压扁工序通常在专用的压扁机上进行,其过程高度可控:
  • 预热:对于一些较厚或刚性较强的薄膜(如PET),可能会先进行轻微预热,使薄膜更具塑性,减少压扁过程中内应力和薄膜破损的风险。
  • 加压成型:将圆柱形芯子放入模具中,在特定温度下,从两侧或四周施加精确控制的压力,使其发生塑性变形,直至达到预设的厚度和宽度。
  • 定型保压:压力会维持一段时间,使芯子形状稳定下来,防止回弹。

     

5、喷金(Schooping)/端面金属化
在卷绕好的电容器芯子的两个端面上,通过特殊工艺形成一层金属电极层,从而将内部无数层薄膜的电极并联引出,建立起芯子与外部电路连接的电气通路,这一步叫喷金,也叫端面金属化、末端电极喷涂。
喷金技术利用金属熔射原理,将低熔点的金属丝(最常用的是或锌合金)在高温电弧或火焰中瞬间熔化,同时用压缩气体将熔融的金属液滴高速喷射到芯子的端面上。

这些微小的金属液滴撞击并凝固在薄膜的切割边缘上,渗透并连接了从端面露出的每一层薄膜的金属化电极,最终在整个端面上形成一层厚度可达几十到几百微米的、多孔但导电性良好的金属层。

6、消除应力(Stress Relieving

薄膜在卷绕过程中会受到拉伸和弯曲,导致聚合物分子链产生内应力。这些应力若不消除,在温度变化或长期工作下可能逐渐释放,引起电容芯子尺寸的微小变化,如收缩或变形,导致电容值漂移、电气参数不稳定,甚至引发电极接触不良。

消除应力的办法是进行热处理,其核心是在低于薄膜熔点但高于其最高工作温度的条件下,进行一段时间的恒温热处理

这能使薄膜的分子结构趋于稳定,减少其在后续温度循环或长期工作中的形变,从而确保电容值(C)、损耗角正切(tanδ)和绝缘电阻(IR)等关键参数的高度稳定。

以聚丙烯(PP)薄膜电容器为例:其应力消除温度通常设定在约 90°C - 100°C 之间,远高于其常见的105°C最高工作温度,但又低于其约160°C的熔点,处理时间可能从数小时到十几小时不等,具体取决于电容器的尺寸和设计。

7、缺陷清除(healing)/赋能、老练、激活

在生产过程中,介质薄膜可能存在微小的杂质、晶点或机械损伤。这些缺陷会成为电场集中点,降低电容器的实际击穿电压,构成潜在的早期失效风险。

“Healing”工序的核心是在受控条件下,主动地、安全地触发这些薄弱点的击穿。当施加的高电压达到缺陷处的击穿阈值时,瞬间的放电电弧会产生高温,将缺陷周围的金属化电极层迅速蒸发掉,从而形成一个绝缘的隔离区。

该过程为将电容器连接至专用的赋能老练电源,施加一个高于额定工作电压但低于整体介质击穿电压的直流高压,例如,额定电压450V的DC-Link电容,可能施加600V至800V的电压。

电压会维持一段时间,或者以特定的升压程序进行,确保所有薄弱点都有机会被处理。

8、端子焊接(Terminal Welding

将外部金属端子与电容器芯子的金属化电极实现低电阻、高强度的可靠连接,主要采用以下几种高精度、低热应力的工艺:

  • 电阻焊(点焊):通过电极对焊接部位施加压力并通以强大电流,利用接触电阻产生的焦耳热瞬间局部熔化金属实现连接。其优点是快速、热影响区小,非常适合将金属端子与电容器芯子表面的金属化层进行点状或面状连接。
  • 激光焊:利用高能量密度的激光束作为热源,进行精密焊接。它具有非接触、精度极高、热变形更小、易于自动化控制等优点,特别适用于小型化、高密度或对热敏感的电容器设计。
  • 超声波金属焊接:利用高频超声振动能量,使金属原子在固态下相互扩散而形成连接。这是一种冷焊接过程,无需熔化金属,因此完全无热影响,非常适合焊接易氧化的金属或避免热损伤的场合。

     

9、浸漆(Coating

将已完成焊接的电容器芯子浸入盛有特定绝缘漆的槽中,使其表面均匀沾附一层漆液。浸漆后,电容器会进入烘箱,在严格控制温度和时间下进行加热,使漆液中的溶剂挥发,树脂发生交联反应而固化,形成坚韧的漆膜。其主要作用是增强绝缘强度、防潮防腐蚀,并提供初步的机械固定

10、封装(Potting/Molding

这一步工序是用电绝缘材料将电容器芯子完全包裹起来,形成一个坚固的整体,以提供终极的环境保护、电气绝缘和机械支撑

具体步骤为:

  • 将已完成前序工序的电容器芯子,精确地放入PPS外壳中;
  • 在真空环境下,将液态环氧树脂等灌封料注入PPS外壳内,确保完全填充,无气泡;
  • 加热使灌封料固化,与PPS外壳内壁牢固结合,形成致密的保护体。

     

 

 

经过以上工序后,薄膜电容器就制造完成了,再经过质量检测,即可打包出货。

来源:艾邦智造前沿综合整理

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作者 808, ab