Otimização da capacitância de capacitores de filme via ampliação da área metalizada

Abstract

Capacitores de filme desempenham um papel fundamental em diversos sistemas eletrônicos. Como fazem parte de uma cadeia industrial ampla e economicamente relevante, seu desenvolvimento é constantemente impulsionado por demandas de melhoria na sua eficiência e desempenho. A propriedade mais importante de um capacitor é a capacidade de armazenar energia, conhecida como capacitância. Este trabalho estuda alternativas para aumentar essa propriedade por meio do aumento da área metalizada, do dielétrico e da redução controlada da camada de aspersão térmica (composta por uma camada de Alumínio para conectar as folhas metalizadas e Estanho-Cobre para camada de solda), sem alterar as dimensões finais do capacitor. A metodologia envolveu inicialmente alterações no processo de fabricação dos capacitores a fim de aumentar a área metalizada e reduzir a espessura da camada de Schoopagem e na sequência os capacitores produzidos foram avaliados em termos dimensionais, elétricos e mecânicos. As amostras foram submetidas a medições elétricas de capacitância cujos resultados demonstraram que com aumento da altura das bobinas (o que resulta em maior área capacitiva, ou seja, maior capacitância) foi possível alcançar em média 16,8% de capacitância, além de também ser possível obter aproximadamente a mesma capacitância da referência com menor altura de corte do capacitor. Nos testes que submetiam as peças à estresses elétricos de carga e descarga foi possível verificar que mesmo com a mudança estrutural do capacitor, as amostras ainda apresentaram uma variação de capacitância e fator de dissipação dentro da tolerância exigida, porém, com uma vida útil menor em ciclos de carga e descarga com tensões a partir de 200V, muito acima do especificado para este produto. Com relação às propriedades mecânicas, os ensaios de tração demonstraram que não houve perda na resistência da solda, enquanto a média das medições de tração de solda da referência e dos capacitores produzidos para este trabalho foram 13,3N e 13,4N, respectivamente, se obteve menor variação de resultados em relação à referência, melhorando a capabilidade do processo. Por fim, no teste de vibração foi possível verificar que a capacitância e o fator de dissipação das amostras se mantiveram dentro da variação exigida após serem submetidas a estresses mecânicos, indicando que mesmo após redução da camada metálica de alumínio e estanho-cobre a estrutura interna do capacitor não foi comprometida. Os ensaios mecânicos foram essenciais para verificar como a redução na camada metálica afetou a integridade mecânica da solda e nas conexões internas do capacitor, enquanto os ensaios elétricos tiveram um papel necessário para avaliar a vida útil das amostras em relação aos produtos originais. Assim, os resultados obtidos neste trabalho demonstram a possibilidade de tornar os capacitores mais eficientes, sem alterar as dimensões do produto final, e com menor gasto de matéria-prima.

Film capacitors play a fundamental role in a wide range of electronic systems. As part of a broad and economically relevant industrial chain, their development is continuously driven by demands for improved efficiency and performance. The most important property of a capacitor is its ability to store energy, known as capacitance. This work investigates alternatives to increase this property by enlarging the metallized area and the dielectric, as well as by the controlled reduction of the thermal spraying layer (composed of an aluminum layer to connect the metallized films and a tin–copper layer for soldering), without altering the final dimensions of the capacitor. The methodology initially involved modifications to the capacitor manufacturing process in order to increase the metallized area and reduce the thickness of the Schoopage layer. Subsequently, the produced capacitors were evaluated through dimensional, electrical, and mechanical analyses. Electrical capacitance measurements showed that increasing the winding height of the capacitors, which results in a larger capacitive area and therefore higher capacitance, led to an average capacitance increase of 16.8%. In addition, it was also possible to obtain approximately the same capacitance as the reference capacitor using a smaller cutting height. Electrical charge and discharge stress tests showed that, despite the structural changes applied to the capacitor, the samples presented capacitance and dissipation factor variations within the required tolerance. However, a reduced lifetime was observed under charge and discharge cycles at voltages above 200 V, which are significantly higher than those specified for this product. Regarding mechanical properties, tensile tests demonstrated no loss in solder strength. The average solder pull strength of the reference capacitors and the capacitors produced in this work was 13.3 N and 13.4 N, respectively, with lower result dispersion compared to the reference, indicating improved process capability. Finally, vibration tests showed that both capacitance and dissipation factor remained within the required variation limits after mechanical stress, indicating that even after the reduction of the aluminum and tin–copper metallization layers, the internal structure of the capacitor was not compromised. Mechanical tests were essential to evaluate how the reduction of the metallization layer affected solder mechanical integrity and internal connections, while electrical tests played a key role in assessing the lifetime of the samples compared to the original products. Overall, the results demonstrate the feasibility of producing more efficient film capacitors without changing the final product dimensions and with reduced raw material consumption.