Strategie zachowania bezpieczeństwa MLCC w przypadku wymagających zastosowań motoryzacyjnych

Budowa standardowego samochodowego MLCC klasy II

Warstwy ceramiczne są zwykle nadrukowywane stanowiącą elektrodę pastą niklową, a następnie układane jedna na drugiej. Pojemność kondensatora zależy od materiału ceramicznego, rozmieszczenia elektrod i liczby warstw. Zakończenie MLCC stanowi warstwa miedzi, która łączy elektrody i zapewnia dobrą przewodność. W odróżnieniu od popularnych wyrobów, MLCC od SEMCO mogą zawierać  dodatkową, miedzianą warstwę epoksydową, powszechnie znaną jako soft termination. Dodatkowa warstwa działa jako bufor chroniąc komponent przed naprężeniami mechanicznymi i chroni tym samym wrażliwą ceramikę przed pękaniem. Na koniec, aby uniknąć utleniania i zapewnić lutowność, jako ostatnią warstwę zewnętrzną, dodaje się warstwę niklowo-cynową.

Minimalizacja ryzyka

Dlaczego właściwie potrzebna jest dodatkowa ochrona w postaci elastycznego zakończenia i co się stanie, jeśli ceramika pęknie?

Gdy maleje rezystancja izolacji znajdującej się pomiędzy warstwami, może wystąpić zwarcie, a to z kolei - w zależności od przyłożonego napięcia - może doprowadzić do ogromnych strat mocy cieplnej, mogących zniszczyć komponent i spowodować awarię całego układu. Jest to bezpośrednia opracowywania przez  producentów samochodów własnych standardów jakości MLCC: na przykład Grupa VW zdefiniowała standard VW80808, opisujący ‘strategię bezpieczeństwa dla MLCC’. Strategia ta ma na celu zminimalizowanie opisanego wcześniej ryzyka zwarcia poprzez określenie wytycznych, które produkty mogą być używane w jakich zastosowaniach.

Jeśli zwarcie powoduje utratę mocy na poziomie > 2.5W lub jeśli znacząco upośledza działanie systemu, należy zastosować dodatkowe środki bezpieczeństwa. Dzieje się tak zwłaszcza w przypadku, gdy napięcie akumulatora jest przykładane bezpośrednio do komponentu.

Standard VW oferuje cztery opcje zachowania ‘strategii bezpieczeństwa’. Spośród 4 dostępnych opcji SEMCO stosuje w swych produktach metodę elastycznego zakończenia a jego produkty są kwalifikowane zgodnie z AEC-Q200. Pierwsza z wymienionych poniżej opcji może być stosowana w każdym układzie elektrycznym, podczas gdy pozostałe są ograniczone do układów elektrycznych 12V.

I. Połączenie szeregowe dwóch wzajemnie ortogonalnych kondensatorów

Pierwszą opcją, która może być używana niezależnie od napięcia układu elektrycznego, jest ortogonalne rozmieszczenie dwóch kondensatorów szeregowo. Rysunek poniżej przedstawia tę konfigurację w uproszczonym schemacie obwodu.

Jeśli jeden z dwóch kondensatorów zostanie umieszczony w sposób narażający go na stres mechaniczny, prostopadłe ułożenie zapewnia, że ​​kondensator rezerwowy pozostanie nienaruszony. Ponieważ oba kondensatory są połączone szeregowo, izolacja uziemienia będzie nadal zapewniona.

II. Kondensator szeregowy

Kondensator szeregowy lub kondensator ‘flexisafe’ wykorzystuje wcześniej opisaną  zasadę szeregowego połączenia dwóch kondensatorów w jednym elemencie. Przeciwstawne warstwy o różnym potencjale nie znajdują się bezpośrednio nad sobą i łączy je warstwa elastyczna – pokazano to na rysunku poniżej.

Jednak taka struktura wewnętrzna komponentu w bardzo dużym stopniu ogranicza wartość osiąganej pojemności. W porównaniu do poprzedniego rozwiązania, rolę odgrywa zasada łączenia szeregowego a korzyścią jest zastosowanie jednego tylko komponentu.

III. Kondensator Open Mode

Jeśli pęknięcie wystąpiłoby w zaznaczonym na poniższym rysunku na czerwono obszarze ryzyka, jest mniej prawdopodobne, że awaria taka zakończy się zwarciem, ponieważ ze względu na krótsze elektrody, zetknąć się mogą tylko warstwy o tym samym potencjale.

IV. Kondensator Soft Termination (z elastycznym zakończeniem)

Zalety stosowania kondensatora z elastycznym zakończeniem obejmują wyższą odporność mechaniczną i idealne wykorzystanie dostępnych wymiarów elementu. Jeśli w kondensatorze soft termination struktura warstw jest identyczna ze standardowym komponentem, pomiędzy takimi komponentami nie ma różnic w wydajności.

Wszystkie kondensatory SEMCO Automotive klasy II mają miękkie zakończenie. Jednak właściwie dlaczego standardowe komponenty, tj. bez elastycznego zakończenia, są nieodpowiednie w szczególnie wymagających aplikacjach? Powodem jest to, że użycie komponentu z elastycznym zakończeniem jest dozwolone w Grupie VW pod warunkiem jeśli został on przetestowany zgodnie z VW 80808-2 (Załącznik A Kwalifikacja MLCC z miękkim zakończeniem). Norma ta wymaga wykonania szeregu testów naprężeń termicznych i mechanicznych, a najbardziej krytycznymi próbami są zginanie płytki w zakresie 5 mm i test odporności na wilgoć.

Standardowe komponenty samochodowe firmy SEMCO również są testowane zgodnie z VW80808-2, ale z granicą zginania 3 mm. Zakres tego testu znajduje się powyżej standardu rynkowego, wynoszącego 2 mm dla porównywalnych komponentów. Przejście testu gwarantuje możliwość zastosowania komponentu w sektorze motoryzacyjnym, jednak nie w zastosowaniach szczególnie odpornych na awarie, krytycznych. Kiedy mowa o komponentach soft termination, zwykle kojarzy się je z wytrzymałością na zginanie w zakresie 5 mm. W tym przypadku komponenty SEMCO posiadające wytrzymałość na zginanie 5 mm są oznaczone literami ‘PJ’ i przeszły one kwalifikację zgodnie z VW 80808-2.

W przypadku kondensatorów o niskich i średnich wartościach pojemności, na górze i na dole wewnątrz korpusu komponentu umieszczane są dodatkowe warstwy o tym samym potencjale. W przypadku pęknięcia MLCC ryzyko zwarcia jest znacznie zmniejszone, co skutkuje zwiększoną stabilnością mechaniczną całego MLCC.

Testy miękkiego zakończenia zgodnie z VW 80808-2 zostały pomyślnie zakończone dla wszystkich aktywnie promowanych komponentów SEMCO Automotive.

Downsizing

Tendencja do miniaturyzacji zmniejszania rozmiaru jeszcze bardziej przemawia za korzystaniem z opcji elastycznego zakończenia. Kluczem do małych i bezpiecznych komponentów jest zarówno solidne zakończenie, jak i drobny proszek ceramiczny, który zapewnia cieńszą strukturę warstw.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow Electronics