Kondensatory wielowarstwowe MLCC firmy Samsung Electro-Mechanics

Samsung Electro-Mechanics (SEMCO) jest jednym z wiodących producentów elektronicznych komponentów pasywnych. Oferuje on między innymi duży wybór kondensatorów wielowarstwowych MLCC. Dodatkowo do swojej tradycyjnej już obecności na rynkach telekomunikacyjnym, przemysłowym oraz elektroniki konsumenckiej, Samsung na dobre zadomowił się też na rynku komponentów dla branży motoryzacyjnej, gdzie musi być spełnione wymaganie „zero defect”. Dla tej wymagającej branży, SEMCO dostarcza kondensatory MLCC z certyfikatem AECQ-200 oznaczającym, że przeszły one rygorystyczne testy i mogą być zintegrowane we wszystkich częściach pojazdu (system informacyjno-rozrywkowy, poduszki powietrzne, sterowanie hamulcami, skrzynia biegów, akumulator, nadwozie i podwozie oraz inne).

Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne, inaczej zwane MLCC, są wytwarzane w postaci bloków zawierających określoną liczbę warstw ceramicznych ułożonych na stosie. Tworzą one zespół kondensatorów połączonych równolegle. Ta struktura nie wydaje się zbyt skomplikowana, jednak jej wytworzenie wymaga przeprowadzenia szeregu złożonych procesów technologicznych, jak również użycia zaawansowanych technik i materiałów, aby sprostać rosnącym wymaganiom rynku odnośnie do niezawodności oraz jakości. W tekście skoncentrujemy się na kluczowych fazach procesu wytwarzania kondensatorów MLCC oraz omówimy ich rodzaje podkreślając wyróżniające je rozwiązania stosowane przez SEMCO.

Produkcja kondensatorów MLCC

Pierwsza faza produkcji polega na przygotowaniu surowca do wytwarzania kondensatorów. Jest on dostarczany w postaci zawiesiny, w której proszek ceramiczny jest zmieszany ze spoiwem oraz rozpuszczalnikiem.

Materiał ceramiczny jest wytwarzany przez Samsung. Umożliwia to firmie pełną kontrolę przebiegu procesu oraz uzyskanie wysokiej jakości gotowych komponentów, ponieważ właściwości materiału ceramicznego mają kluczowe znaczenie dla parametrów kondensatora MLCC. Dzięki temu Samsung produkuje kondensatory MLCC o dużej pojemności, wysokiej stabilności termicznej oraz odporne na przebicie.

Następnie, zawiesinę nakłada się na cienką warstwę folii i w kolejnym procesie jest wytwarzany cienki, jednolity arkusz ceramiczny. Na tym arkuszu są nanoszone okładziny z metalicznego niklu. Dalej, arkusze ceramiki są układane w stosy w taki sposób, aby otrzymać komponent wielowarstwowy. Liczba warstw, rodzaj użytego dielektryka oraz jego grubość określają możliwą do uzyskania wartość pojemności. W kolejnym procesie bloki ceramiczne są przycinane, aby otrzymać wymagany kształt oraz pojemność kondensatora. Po kilku dodatkowych krokach (laminowanie, wypalanie, bębnowanie) doprowadzenia wewnętrzne są spiekane, aby zapewnić dobrą przewodność pomiędzy warstwami i utworzyć elektrody zewnętrzne. Dodatkowo, te elektrody są pokrywane miedzią.

Do tego momentu opis procesu produkcji kondensatorów MLCC nie odbiega od standardowego. Różnica pomiędzy tym stosowanym przez Samsunga a metodami konwencjonalnymi polega na tym, że Samsung zapewnia większe bezpieczeństwo i niezawodność gotowego kondensatora dzięki ochronie delikatnej ceramiki przed pękaniem. Na przykład, zewnętrzne elektrody MLCC są pokrywane żywicą epoksydową z nanocząsteczkami miedzi. Dzięki temu Samsung zabezpiecza je przed pękaniem spowodowanym przez naprężenia mechaniczne i szok termiczny podczas lutowania na płytce drukowanej.

W ostatniej fazie produkcji, aby ochronić kondensatory przed korozją i ułatwić ich lutowanie, ich doprowadzenia są pokrywane cienką warstwą niklu i cyny.

Seria PN. Kondensatory MLCC o wyprowadzeniach z miękkiego metalu. Standard we wszystkich MLCC SEMCO Class II dla przemysłu motoryzacyjnego

Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne są narażone na pękanie pod wpływem zginania płytki drukowanej, szoku termicznego lub nieprawidłowej obsługi. Aby zaradzić problemom związanym z wymienionymi zagrożeniami, SEMCO stosuje żywicę epoksydową z nanocząsteczkami miedzi pokrywając nią zewnętrzne wyprowadzenia kondensatorów MLCC Class II przeznaczonych dla motoryzacji. Elastyczne doprowadzenia zabezpieczają przed przenoszeniem naprężenia mechanicznego z płytki do komponentu ceramicznego zapobiegając jego pękaniu. W ten sposób SEMCO gwarantuje wytrzymałość na zginanie płytki drukowanej do 3 mm dla swoich standardowych MLCC z serii PN.

Ze względu na dużą ilość energii przechowywaną przez kondensator wewnętrzne zwarcie może spowodować znaczny wzrost temperatury, co może doprowadzić do jego wybuchu. Taka awaria może nie tylko zniszczyć kondensator, ale również uszkodzić otaczające komponenty, płytkę drukowaną, sąsiednie płytki drukowane, a w ekstremalnych przypadkach spowodować pożar [1].

Jak dobrze elastyczne doprowadzenia zabezpieczają przed pęknięciem i w efekcie przed zwarciem? Czy są jakieś aplikacje w pojeździe, które są bardziej narażone na ryzyko niż inne? Aby odpowiedzieć na te pytania, producenci samochodów utworzyli własne standardy jakości i bezpieczeństwa. Wśród tych standardów jest opracowana przez koncern Volkswagen, zintegrowana, wewnętrzna norma VW 80808 zwana strategią bezpieczną (VW 80808 Failsafe Strategy).

http://product.samsungsem.com/mlcc/lineup-search.do?lineUp=HighBendingStrength&useFor=Automotive

Kondensatory MLCC o podwyższonym poziomie bezpieczeństwa

W przeciwieństwie do zwykłych, kondensatory MLCC z miękkimi wyprowadzeniami zmniejszają narażenie ceramiki na naprężenia mechaniczne powodowane przez nadmierne odkształcenie płytki drukowanej i tym samym zapobiegają zwarciom wewnętrznym. 

Czy standardowe MLCC przeznaczone do użycia w motoryzacji są w stanie zagwarantować wymagane bezpieczeństwo?

Odporność na zginanie płytki drukowanej gwarantowana przez SEMCO (3 mm) z pewnością spełnia wymagania zastosowań motoryzacyjnych i jest nawet wyższa od standardu obowiązującego na rynku (2 mm dla porównywalnych produktów). Ale to nie wystarcza do integracji MLCC w aplikacjach wymagających zachowania jeszcze bardziej podwyższonych norm bezpieczeństwa. Dlatego norma VW 80808 wprowadza jeszcze surowsze testy, niż te wymagane przez standard AEC-Q200. Standard VW klasyfikuje również aplikacje według stopni wymaganego bezpieczeństwa.

Zgodnie ze standardem VW 80808, bezpieczną strategię należy zastosować w odniesieniu do MLCC używanych w obwodach, w których ich uszkodzenie mogłoby spowodować utratę mocy powyżej 2,5 W. Dotyczy to szczególnie MLCC pracujących w obwodach umieszczonych bezpośrednio na zaciskach akumulatora (zaciski 15, 30) lub MLCC, których awaria może znacząco zmienić działanie danego systemu.

Pierwsza opcja to szeregowe połączenie kondensatorów w sposób ortogonalny. Rozwiązanie to można zastosować niezależnie od wartości napięcia w instalacji elektrycznej. Ten rodzaj kondensatorów jest odporny na zwarcie dzięki szeregowemu umieszczeniu dwóch kondensatorów w jednym elemencie. W rezultacie MLCC działa jako kondensator rezerwowy w przypadku uszkodzenia jednego z dwóch elementów.

Dla napięcia 12 V, proponowane są inne rozwiązania. Mają one zastosowanie tylko z elastycznym metalowym doprowadzeniem.

Seria XP. Bezawaryjna praca przy strukturze połączonej szeregowo

Wielowarstwowe, podwójnie zabezpieczone kondensatory z wewnętrznym połączeniem szeregowym są nazywane kondensatorami z elektrodami pływającymi lub odpornymi na zginanie. Elektrody wewnątrz elementu są skracane, a elektrody o przeciwnym potencjale leżące na warstwie powyżej stają się elektrodami pływającymi, bez połączenia z doprowadzeniem zewnętrznym. W razie uszkodzenia (pęknięcia) w obszarze ceramiki nie powstanie zwarcie z elektrodą o przeciwnym potencjale. Dlatego uszkodzenie ceramiki nie prowadzi do zwarcia kondensatora, a zamiast tego powoduje zmianę pojemności. Wartość tej zmiany jest w każdym wypadku ograniczona ze względu na ograniczoną powierzchnię aktywną.

http://product.samsungsem.com/mlcc/lineup-search.do?lineUp=HighBendingStrength&useFor=Automotive

Seria WP. Rozwarcie w razie awarii

Kondensatory z serii WP zaprojektowano w taki sposób, że krótkie doprowadzenia zewnętrzne są umieszczone na warstwie ceramicznej w kondensatorze. W wypadku jednostronnego pęknięcia w obszarze narażenia pozostają dołączone tylko elektrody o tym samym potencjale, co minimalizuje prawdopodobieństwo wystąpienia zwarcia. Jednocześnie zostaje ograniczony obszar aktywny, więc pojemność ulega zmniejszeniu.

Seria PJ. Kondensatory MLCC z miękkimi wyprowadzeniami i podwyższonej do 5 mm odporności na odkształcenia

Do zastosowań wymagających spełnienia jeszcze bardziej rygorystycznych norm bezpieczeństwa, w których narażenie jest jeszcze większe, wyposażone w miękkie doprowadzenia kondensatory MLCC z serii PJ gwarantują odporność na odkształcenia płytki do 5 mm.

Termin „miękkie wyprowadzenia” (soft termination) jest ogólnie kojarzony z odkształceniem płytki o 5 mm, natomiast firma SEMCO oferuje w jego ramach dwie różne serie: PN (3 mm) i PJ (5 mm).

Kondensatory MLCC z serii PJ muszą przejść ekstremalne testy termiczne i mechaniczne VW 80808 [2].

Oprócz większej odporności mechanicznej i możliwości zastosowania w aplikacjach wysokiego ryzyka, seria PJ ma również inne zalety w porównaniu z serią PN. Przy małej i średniej pojemności, na górze i na dole są umieszczane dodatkowe warstwy o tym samym potencjale, co zmniejsza ryzyko wystąpienia zwarcia i zapewnia lepszą stabilność mechaniczną komponentu.

http://product.samsungsem.com/mlcc/lineup-search.do?lineUp=HighBendingStrength&useFor=Automotive

Trendy na rynku motoryzacyjnym oraz rekomendacje firmy Samsung

Mobilność w przyszłości będzie zelektryfikowana, autonomiczna, współdzielona, połączona i regularnie aktualizowana [3]. Wymaga to bardzo dużej liczby kondensatorów i jednocześnie stawia im wysokie wymagania odnośnie do wydajności. Aby sprostać tym wszystkim zastosowaniom jest wymagana stale rosnąca liczba elektronicznych jednostek sterujących (ECU). Dlatego też producenci samochodów muszą umieszczać coraz większą liczbę komponentów w tej samej przestrzeni w pojeździe. Z tego powodu dominującym trendem w przemyśle motoryzacyjnym jest zapotrzebowanie na małe kondensatory o dużej pojemności. Wymaga to precyzyjnego know-how związanego z ich produkcją, w tym z wytwarzaniem drobnego proszku ceramicznego wymaganego dla kondensatorów tego typu. Samsung jest jednym z nielicznych producentów na rynku, którzy opanowali technologię jego produkcji.

Samsung zaleca miniaturyzację kondensatorów nie tylko w celu przeciwdziałania problemom związanym z ograniczoną przestrzenią, ale także dlatego, że niewielkie kondensatory idealnie pasują do elastycznej struktury wyprowadzenia. Uzyskanie cieńszej warstwy jest łatwiejsze w przypadku drobnego proszku ceramicznego.

Ogólnie rzecz biorąc, Samsung zapewnia wsparcie klientom przy wyborze produktów, natomiast Arrow dostarcza narzędzie służące do wyszukiwania i sprzedaży produktów Samsung.

https://www.samsungsem.com/global/index.do
http://product.samsungsem.com/mlcc/basic-search.do


Mokhtar Marzouk

Mokhtar Marzouk

Od czerwca 2019 roku Inżynier Aplikacji w Samsung Electro-Mechanics. Obecnie pełni funkcję kierownika ds. Rozwoju Technicznego i Handlowego Elementów Pasywnych w regionie EMEA. Prowadzi również działania związane z zatwierdzaniem u głównych klientów Automotive Tier1 w regionie EMEA.

Uzyskał tytuł magistra elektrotechniki, elektroniki i informatyki na Uniwersytecie Erlangen-Nurnberg w Niemczech.