Cuando la vida no le ofrece MLCC, utilice condensadores de polímero

Mar 29, 2024

A menos que haya estado viviendo bajo una roca durante los últimos 12 meses, las siguientes noticias no serán nuevas para usted, pero afectarán enormemente su vida, especialmente si trabaja como ingeniero o gerente de cadena de suministro: A principios de 2017 , los principales fabricantes de condensadores de chips cerámicos comenzaron a darse cuenta de que la demanda de MLCC era mayor de lo esperado. Esta demanda fue expresada en particular por los fabricantes de teléfonos móviles y los mercados finales de automóviles, y en noviembre de 2017 llevó a plazos de entrega promedio de mín. 20 semanas. Los fabricantes de MLCC están abandonando su segmento de consumo de bajo margen y alto volumen y concentrándose en el suministro de piezas de mayor valor añadido. Según MLCC: FY 2018 Global Market Outlook, esta situación incluso se ha intensificado debido a una creciente demanda de MLCC de alta capacitancia, ya que los productos de próxima generación en múltiples segmentos consideraban los MLCC en el rango 100, 220 y 330 como piezas estándar. Y ahora la parte jugosa: la escasez no mejorará hasta 2020 y más allá (o en otras palabras: ya es hora de buscar una alternativa).

Se ha confiado en los MLCC y se los ha utilizado en múltiples industrias como un caballo de batalla confiable. La solución más eficaz en función de los costos había sido y probablemente seguiría siendo durante los próximos diez años; el apilamiento de cerámica, pero en cualquier lugar donde se puedan emplear otros dieléctricos, la demanda crecerá ya que los fabricantes no tendrán más remedio que distanciarse de una dependencia tan tremenda de la cerámica. La Tabla 1 muestra varios tipos de condensadores, incluidos los condensadores electrolíticos, OSCON, SP-Cap, POS-Cap, condensadores de película y MLCC. La aplicación suele dictar la mejor elección del tipo de condensador a utilizar en el diseño. Pero antes de llegar a eso, en términos generales, se puede hacer la siguiente diferenciación: mientras que los condensadores electrolíticos proporcionan la mayor ESR, estos condensadores sufren una degradación significativa de la capacitancia y la corriente de fuga a temperaturas y frecuencias más altas. Los condensadores cerámicos tienen ESR y ESL muy bajos, lo que los hace excelentes para el rendimiento transitorio, pero tienen limitaciones en la reducción de capacidad. Aunque los condensadores cerámicos pueden funcionar con corrientes de ondulación muy altas, sufren fallos por envejecimiento no elegante y requieren campos eléctricos operativos más bajos. Los condensadores electrolíticos de polímero se utilizan principalmente en fuentes de alimentación de circuitos electrónicos integrados como condensadores buffer, de derivación y de desacoplamiento, especialmente en dispositivos con diseño plano o compacto. Por tanto, compiten con los condensadores MLCC, pero ofrecen valores de capacitancia más altos y no muestran ningún efecto microfónico.

Panasonic es un fabricante líder de condensadores de polímero sólido de aluminio: SP-Caps y OS-CON, condensadores de polímero de tantalio (POS-CAP) y tecnologías de condensadores electrolíticos de aluminio híbridos de polímero, y cuenta con la mayor experiencia y experiencia en diseño del mercado. Los condensadores sólidos de polímero de aluminio conductor, abreviados en lo sucesivo como "condensadores de polímero", se han ido ampliando en su aplicación. Los condensadores de polímero (así como los condensadores electrolíticos de aluminio convencionales) se caracterizan por una gran capacitancia y excelentes características de polarización con las que los condensadores cerámicos multicapa nunca podrán competir. Además de estas ventajas, los condensadores de polímero tienen características de ESR extremadamente bajas. Con respecto al ESL, que está determinado por la estructura interna y la configuración de los terminales de los capacitores, al realizar mejoras estructurales, los capacitores de polímero tienen un ESL bajo. También en lo que respecta al secado del electrolito durante la vida útil y los cambios de características en un rango de bajas temperaturas, los condensadores de polímero han logrado una confiabilidad muy alta y características superiores de baja temperatura mediante el uso de materiales poliméricos sólidos como electrolito.

Especialmente los SP-CAP y POS-CAP con su factor de tamaño pequeño y forma cúbica son los productos preferidos cuando se trata de reemplazar los MLCC. Al observar más de cerca las características de estas diferentes tecnologías, se pueden ver algunas diferencias importantes entre ellas.

Estable frente a frecuencia

Capacitancia estable: la Figura 1 muestra el cambio en la capacitancia en un amplio rango de frecuencia para diferentes tecnologías. Muestra claramente que los condensadores de polímero exhiben un rendimiento muy similar al de los condensadores cerámicos multicapa.

Densidad de capacitancia/estabilidad frente a polarización de CC

Al observar los resultados, la figura 1 puede plantear la pregunta de por qué alguien debería cambiar a la tecnología de polímeros. La respuesta a estas preguntas es:

Los MLCC no pueden alcanzar la misma alta capacitancia que el polímero para el mismo espacio y volumen. En segundo lugar, el MLCC muestra una fuerte dependencia de la capacitancia de la polarización de CC debido a los materiales dieléctricos ferroeléctricos utilizados para los MLCC. Los condensadores cerámicos multicapa de alta capacidad tienen una propiedad que los diseñadores electrónicos a menudo no comprenden bien, es decir, la estabilidad y la confiabilidad requieren un afilado exhaustivo. La capacitancia de estos dispositivos varía con el voltaje de CC aplicado, lo que puede provocar una caída de capacidad de más del 70 % en comparación con las especificaciones proporcionadas en la hoja de datos. Para los condensadores de polímero, la capacitancia no varía significativamente cuando cambia el voltaje de la aplicación (compárese con la figura 2). Estas ventajas permiten un recuento de piezas significativamente menor al utilizar SP-CAP o POSCAP en lugar de MLCC, lo que no solo ahorra espacio en la PCB sino que también es un factor de costo al ahorrar costos en piezas y reducir los pasos de producción.

Estabilidad versus temperatura

La Figura 3 muestra características típicas de temperatura. La curva cambia para los MLCC de varias maneras dentro del rango de tolerancia de cada producto. En el caso de los condensadores de polímero, la capacitancia crece en paralelo al aumento de temperatura. Las características de temperatura de los MLCC difieren según el tipo de dieléctrico, pero todos sufren fallas por envejecimiento al exhibir dependencia de la temperatura y requieren una temperatura de funcionamiento más baja. Los condensadores cerámicos son frágiles y sensibles al choque térmico, por lo que se deben tomar precauciones para evitar grietas durante el montaje, especialmente en el caso de MLCC grandes de alta capacitancia. El rango de temperatura típico para los condensadores cerámicos es de -40°C a 85°C o 125°C, donde su capacitancia varía aproximadamente de +5% a -40%; teniendo el punto óptimo alrededor de la temperatura baja de 5 a 25°C. Los condensadores de polímero tienen un gran potencial de desarrollo para lograr índices más altos de densidad, estrés de campo y temperatura (aunque actualmente están limitados a 125 °C) debido a su mecanismo de trabajo y al avance de los materiales dieléctricos; sin embargo, los polímeros con una constante dieléctrica más alta permiten una alta densidad de energía.

Condensador de chip cerámico de efectos piezoeléctricos

La mayoría de los dieléctricos de los capacitores cerámicos exhiben una característica identificada como efectos piezoeléctricos, que pueden causar señales inesperadas en ciertos circuitos. En algunos casos, el efecto piezoeléctrico puede resultar en la aparición de ruido eléctrico. Cuando se aplica un potencial o campo eléctrico sobre la superficie de un MLCC, se produce una deformación en un rango de frecuencia de 20 Hz a 20 kHz, que podría ser audible para los humanos. A esto se le llama ruido acústico MLCC o ruido de canto (compárese con la figura 4). En la mayoría de los casos, un MLCC por sí solo no es suficiente para generar un nivel de presión sonora (SPL) problemático o disruptivo. Pero soldado a una placa PCB, el MLCC genera un sistema de masa de resorte que aumenta o amortigua las oscilaciones dependiendo de las frecuencias.

Robusto

Las grietas en los componentes de la tecnología de montaje en superficie cerámica (SMT) limitan la confiabilidad y el rendimiento del ensamblaje. Estas grietas se manifiestan como defectos eléctricos: contacto intermitente, resistencia variable, pérdida de capacitancia y corrientes de fuga excesivas. Es por eso que los MLCC están expuestos a diferentes pruebas de confiabilidad, incluidas pruebas de choque térmico, flexión (flexión) de la placa y pruebas de humedad sesgada, etc., según las aplicaciones de destino. Los MLCC están expuestos a más de diez pruebas de confiabilidad, incluidas pruebas de choque térmico, flexión (flexión) de la placa y pruebas de humedad sesgada, etc., según las aplicaciones específicas. Entre las pruebas de confiabilidad, la prueba de flexión de la placa evalúa la resistencia mecánica al agrietamiento cuando los MLCC se someten a esfuerzos de flexión en la placa de circuito impreso (PCB) en la que está soldado el MLCC. La flexión de la PCB puede ocurrir con frecuencia durante o entre los pasos de fabricación y durante el funcionamiento bajo variaciones de temperatura. El agrietamiento por flexión se debe a una flexión excesiva de la placa de circuito.

En cuanto a las causas de la flexión de la placa, existen varias causas, incluidos problemas durante el proceso de fabricación, como tensión de soldadura debido a una cantidad inadecuada de soldadura, tensión aplicada al momento de despanelizar o atornillar o flexión de la placa en el momento del ensamblaje final. , además de caídas, vibraciones o dilataciones térmicas durante el uso. Las cerámicas son fuertes en compresión pero débiles en tensión. Es por esta razón que los proveedores de MLCC brindan pautas para comprar MLCC en placas PCB, a menudo indicando que las tapas de MLCC no se coloquen en los bordes de la placa o controlan la dirección del chip MLCC a lo largo en lugar de a lo ancho, cuando se tensa. se espera en un cierto punto de la PCB. Esto limita y puede requerir cambios por parte del ingeniero de diseño antes de cerrar un diseño de PCB; por lo tanto, cuando un MLCC soldado experimenta una flexión excesiva en la placa, se genera fácilmente una grieta en el elemento (compárese con la figura 5). Una grieta por flexión puede provocar una conducción eléctrica entre electrodos internos opuestos. También es posible que una apertura fallida progrese a una falla corta con el uso continuo del producto. Si una grieta en un elemento capacitor progresa hasta convertirse en una falla por cortocircuito, puede causar problemas como generación de calor, humo o ignición; por lo tanto, es indispensable tomar medidas contra ellos, particularmente en equipos donde la confiabilidad es esencial.

Seguridad

La mayoría de los condensadores cerámicos tienen un voltaje nominal bastante alto. Si el capacitor experimenta un voltaje entre sus terminales mayor que su voltaje nominal, el dieléctrico puede romperse y los electrones fluirán entre las delgadas capas metálicas dentro del capacitor, creando un cortocircuito. Afortunadamente, la mayoría de los condensadores cerámicos se construyen con un margen de seguridad considerable y no experimentan ningún tipo de falla catastrófica (como una explosión). Sin embargo, la regla general dicta que los capacitores cerámicos deben reducirse en un 50%, lo que significa que si espera tener un máximo de 5 V entre los cables del capacitor, entonces debe usar un capacitor con capacidad de 10 V o más. Para comprender las propiedades de vida útil del polímero frente a los MLCC, debe tener en cuenta la construcción y las propiedades de cada uno (compare también la figura 6 en la página siguiente). Los condensadores de polímero vienen como productos tipo chip o tipo bobinado. Dado que los condensadores de polímero sólido no se consideran componentes que probablemente deban ser reemplazados en un dispositivo, a menudo se fabrican en SMT (tecnología de montaje en superficie). Esto les permite ocupar menos espacio en la PCB a costa de que sea más difícil desoldar si es necesario realizar reemplazos. Sin embargo, la adopción de la tecnología SMT en general para una PCB también permite el montaje automatizado, lo que reduce los costos y minimiza la interferencia humana. El uso de electrolitos sólidos es una gran ventaja sobre los condensadores electrolíticos. En un condensador electrolítico húmedo, el sobrecalentamiento puede hacer que el electrolito se evapore. A medida que se evapora, la presión aumenta dentro del condensador y puede estallar o incluso explotar. Los condensadores de polímero sólido no presentan tales riesgos: el condensador entra en cortocircuito o comienza a actuar como un circuito abierto hacia el final de su vida útil. En términos generales, la confiabilidad de los capacitores de polímero es mucho mejor que la confiabilidad de los capacitores electrolíticos y, en particular, de los MLCC.

CASO DE USUARIO

La comparación de las características descritas anteriormente es sólo de naturaleza parcial. Cada tipo de condensador se adapta bien a algunos campos y no a otros. Al diseñar circuitos, es necesario considerar una serie de factores además de las características descritas anteriormente, como el costo y el tamaño, para seleccionar el mejor capacitor para el trabajo. Si el espacio es limitado, los MLCC multiuso son los mejores. Los MLCC también son adecuados para aplicaciones donde se necesita la capacidad de manejar voltajes muy altos debido a su alto rendimiento de voltaje soportado y su capacidad para soportar voltaje inverso. Los condensadores de polímero típicos son una buena opción cuando son importantes una mayor capacitancia y una baja ESR. Especialmente el potencial ahorro de costos y espacio al comparar capacitores de polímero individuales con un equivalente de múltiples MLCC puede marcar una gran diferencia en el diseño de PCB. Teniendo en cuenta estas consideraciones, definimos las siguientes especificaciones objetivo para los reemplazos de MLCC con condensadores de polímero:

>> Líneas de Tensión: 16 a 35V

>> Capacitancia: 47μF a 560μF

(y dado que una gran capacitancia es LA fuerza de los condensadores de polímero, cuanto más alta, mejor)

>> Preferiblemente tamaños de caja B y D