Высоконадежные керамические конденсаторы для работы в критически важных приложениях при жестких условиях окружающей среды

Системы критически значимой электроники для обеспечения надежной и влияющей на безопасность для жизни человека функциональности опираются на широкий спектр электронных узлов сверхвысокой надежности, которые, в свою очередь, спровоцировали новую волну в разработке более совершенных пассивных компонентов, способных выполнять важные задачи в рамках различных критически значимых конечных устройств.

В этой статье будет представлена обновленная информация о двух современных технологиях керамических многослойных конденсаторов, которые позволяют им выдерживать максимально высокие электрические и механические нагрузки, гарантируя высокую надежность и устойчивость к жестким воздействиям окружающей среды.

MLCC — конденсаторы с нежесткой терминацией для работы в жестких условиях

Внедрение все новых и новых систем автомобильной электроники растет с ошеломляющей скоростью. Приток новых спецификаций и конструкций вызвал развитие множества самых различных систем, влияющих на управление автомобиля, в том числе новых семейств электронных модулей, разработанных специально для использования в приложениях с высокими температурами, высоким уровнем вибрации и резкой циклической сменой температуры, то есть подверженных так называемым термоударам.

Рис. 1. Диаграмма демонстрирует, насколько хорошо работает технология терминации с технологией FLEXITERM ® от компании AVX в MLCC конденсаторах. Это первая технология нежесткой терминации, внедренная на рынок, которая выдерживает значительно больший изгиб на заготовке с точками разнесения приложенного усилия 90 мм, по сравнению со стандартными MLCC конденсаторами, выполненными на основе широко используемой керамики NP0 и X7R

При разработке этих модулей для широко используемых в них многослойных керамических конденсаторов (multilayer ceramic capacitor, MLCC) потребовалась такая система их терминации (конструктивная организация выводов для подключения), которая могла бы выдерживать физические изгибы и деформации, возникающие из-за несоответствий коэффициентов теплового расширения между такими конденсаторами и печатной платой, на которой они установлены. Здесь нужно учитывать тот факт, что речь идет об SMD-элементах (SMD — surface mounted device) под технологию поверхностного монтажа (surface mount technology, SMT), которые имеют жесткую механическую привязку к печатной плате, которая в обычных, традиционных элементах не демпфируется выводами.

Возможность выдерживать механические напряжения вследствие воздействия температуры и вибрации была достигнута путем добавления в систему их терминации конденсаторов специального эластичного токопроводящего эпоксидного слоя. Свойства слоя этого материала позволяют выдерживать изгиб платы до 5 мм, причем не просто с сохранением работоспособности, но и без каких-либо ограничений в отношении деградации, связанной с повышением эффективного последовательного сопротивления ESR (ESR — effective series resistance) или его изменением с течением времени, а также из-за воздействия условий окружающей среды (рис. 1).

В настоящее время в приложениях, требующих высокой степени надежности, в том случае, когда отказ одного конденсатора может отключить всю систему, различные семейства таких компонентов используют те или иные специальные конструктивные решения, позволяющие уменьшить жесткость терминации, и такие решения уже широко используются. Примеры применения таких элементов с нежесткой терминацией включают входные конденсаторы с малым током утечки в автомобильных модулях, высоковольтные или высокотемпературные конденсаторы в демпферах (снабберах), силовых приводах или фильтрах. С момента их внедрения стоимость многослойных керамических конденсаторов MLCC с нежесткой терминацией продолжает снижаться. А принимая во внимание расходы на конечную систему, связанные с ее ремонтами и заменами, и особенно с простоями по причине неисправности на уровне системы, они становятся экономически конкурентными. Такое снижение затрат в сочетании со способностью конденсаторов с нежесткой терминацией надежно противостоять физическому изгибу и механическим напряжениям, возникающим вследствие теплового расширения, привели к значительному расширению типов приложений, в которых они находят применение.

Кроме того, расширение электронных приложений, работающих в жестких условиях среды, особенно это касается рынков автотранспортной техники и оборудования авионики, вызвало дополнительные требования к их характеристикам, или, как мы сейчас говорим, производительности, в том числе устранение угрозы разлома керамического конденсатора в результате изгиба платы. В ответ на этот вызов рынков компанией AVX был разработан новый продукт — SMD MLCC-конденсатор с нежесткой терминацией. Его преимущество заключается в том, что такой конденсатор, выполненный, как и обычный, в виде одиночного чип-конденсатора стандартного форм-фактора (рис. 2), заменяет собой структуру из двух дискретных последовательно включенных конденсаторов, размещенных под углом 90° относительно друг друга, которая обычно используется в упомянутых выше и других подобных приложениях, связанных с эксплуатацией в жестких условиях среды.

Рис. 2. Внутренняя конструкция SMD MLCC FLEXISAFE-конденсаторов от компании AVX в одном корпусе с гибкой терминацией представляет собой два последовательных конденсатора и устраняет угрозу их поломки на платах в результате ее механического или теплового изгиба

Рис. 3. Преимущества SMD MLCC FLEXISAFE-конденсаторов в сравнении с обычными многослойными керамическими конденсаторами:
а) с электрической точки зрения один MLCC FLEXISAFE- конденсатор является эквивалентом двух стандартных MLCC- конденсаторов;
б) сравнение ESL двух MLCC емкостью 220 нФ, включенных последовательно, с одним конденсатором емкостью 100 нФ технологии FLEXISAFE;
в) сравнение ESR стандартного MLCC-конденсатора емкостью 100 нФ с эквивалентным конденсатором емкостью 100 нФ технологии FLEXISAFE

Рассматриваемые SMD MLCC-конденсаторы также обеспечивают еще несколько важных электрических преимуществ по сравнению с двумя обычными последовательно включенными керамическими конденсаторами, установленными в плоскости ортогонально друг к другу, в том числе: более высокая надежность, более низкое эквивалентное последовательное сопротивление ESR и эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESL). Электроды (обкладки конденсаторов) в этой конструкции имеют уменьшенный размер по сравнению с двумя стандартными конденсаторами, включенными последовательно. Кроме того, устранение соединительных проводников на печатной плате между двумя такими конденсаторами в значительной степени снижает и паразитную индуктивность при их установке на печатную плату. Так что благодаря тому, что такое решение эффективно минимизирует и ESR и паразитные индуктивности, это в итоге благоприятно сказывается на функционировании конечного продукта с их использованием (рис. 3).

Возможность этих два-в-одном MLCC-конденсаторов с гибкой терминацией надежно показывать такие низкие значения ESR и ESL позволяет использовать их в силовых цепях намного эффективнее, чем многокомпонентные решения. Кроме того, благодаря наличию двух последовательно соединенных конденсаторов эти MLCC- конденсаторы обеспечивают чрезвычайно высокую надежность, необходимую для их использования на критических линиях передачи сигналов управления в электронном авиационном оборудовании, а также в активной безопасности и ADAS-модулях управления автотранспортными средствами.

Системы ADAS — в том числе автоматическое освещение и торможение, адаптивный круиз-контроль, подключения к смартфонам и предупреждения о полосах движения и наличии слепых зон  — теперь используются в большинстве новых автомобилей, а критические линии сигналов управления в этих системах не могут функционировать при отказе конденсатора, приводящем к выходу из строя всей системы в целом. Кроме того, это может привести к сокращению числа избыточных узлов, ответственных за правильную интерпретацию данных, что значительно снижает достоверность ответа автоматизированной системы на полученные данные.

Высоконадежные MLCC-конденсаторы с металлическими электродами

Как уже было сказано в начале статьи, новые приложения, являющиеся критическими для жизни, также включают системы авионики и военное оборудование оборонного назначения, связи и вооружения. Эти системы требуют небольших, легких и надежных компонентов по оптимальной стоимости, поскольку цена «космических» компонентов, является, в прямом и переносном смысле, «космической» и для перечисленных выше изделий высока. Одним из эффективных решений, способных удовлетворить всем этим требованиям, являются многослойные керамические конденсаторы MLCC с электродами диэлектрической системы, выполненными на металлической основе из недрагоценных металлов (Base metal electrode, BME). Но здесь крайне важно, чтобы такие конденсаторы имели долговременную стабильность емкости, а также отличались более высокими значениями номинальной емкости и более широким диапазоном рабочих напряжений, причем в форм-факторе корпуса до четырех раз меньше, чем эквивалентные им MLCC с обкладками в виде прецизионных электродов из драгоценных металлов (precious metal electrode, PME) (рис. 4). В первую очередь такие конденсаторы предназначены для коммерческих и автомобильных приложений, для которых критичны указанные требования.

Рис. 4. Пакет из четырех BME MLCC конденсаторов (слева) в сравнении занимаемого пространства по отношению к аналогичному PME MLCC с эквивалентными значениями номинальной емкости и рабочего напряжения (справа)

 Однако в последние годы BME MLCC-конденсаторы подверглись значительным усовершенствованиям в области конструкции и технологии производства, что еще больше повысило их характеристики и, что крайне важно, надежность. Причем до уровня надежности конденсаторов технологии PME, сохраняя при этом свои сравнительно небольшие размеры, малую массу и более низкую стоимость. В результате BME MLCC-конденсаторы в настоящее время одобрены для использования не только в автомобильной технике, но и в космических и других системах критически значимой электроники, работающих в жесткой среде.

Усовершенствования конструкции и технологических процессов, используемых при изготовлении BME MLCC-конденсаторов, которые позволили им достигнуть уровней надежности, необходимых для критически важных приложений, непосредственно влияющих на человеческие жизни, включают несколько составляющих. Во-первых, уменьшение размера частиц такого диэлектрического материала, как титанат висмута, используемого в керамических конденсаторах X7R, что привело к увеличению их диэлектрической прочности (В/мкФ). Во-вторых, оптимизацию непосредственно диэлектрика для его соответствия конкретным требованиям технологического процесса системы BME. В-третьих, оптимизацию толщины диэлектрических слоев и улучшение процессов литья, печати обкладок конденсатора и укладки, используемых для чрезвычайно тонких керамических слоев, для получения легких компонентов с увеличенными значениями номинальной и емкости (рис. 5).

Рис. 5. MLCC-конденсаторы технологии BME, предназначенные для обеспечения надежности на уровне требований к аэрокосмическому оборудованию, используют весьма консервативный подход к проектированию. А именно: отдельные диэлектрические слои, слои для внешнего покрытия конденсатора, запасы перед терминацией и слой эластичного покрытия FLEXITERM, что обеспечивает этим конденсаторам повышенную устойчивость к перенапряжениям и воздействию жестких условий окружающей среды

MLCC-конденсаторы технологии BME прошли квалификацию по спецификации S-311-P-838 Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (National Aeronautics and Space Administration, NASA), одобренной для использования в европейских космических приложениях и внесенной в список аттестационных частей Европейской космической ассоциации (European Space Association, ESA) в соответствии с критериями Европейского координационного агентства по космическим компонентам (European Space Components Coordination, ESCC) 3009/041. При размерах корпусов от 0603 до 1812, значениях емкости от 2,2 до 8,2 мкФ и номинальных напряжениях от 16 В до 100 В эти BME  MLCC-конденсаторы представляют собой новое решение для сверхвысокой надежности критически важных приложений, включая радиолокационные системы, системы военной обороны и вооружения, а также фильтрацию ввода / вывода, использование как элемента накопления энергии импульсных источников питания для космических и спутниковых систем связи и оборудования запуска.

Рис. 6. Компания AVX является первой и в настоящее время остается единственной компанией, признанной квалифицированным поставщиком BME X7R MLCC-конденсаторов для космического оборудования, одобренных для использования в американских и европейских военных и аэрокосмических конструкциях согласно спецификации S-311-P388 NASA, ESA QPL и спецификации ESCA 3009/041