Condensatori ceramici per l’automotive

Le moderne tipologie di auto elettriche stanno tracciando la roadmap di una rivoluzione nella tecnologia dei condensatori impiegati nell’elettronica di controllo. Le alte temperature a cui sono sottoposti i circuiti per questo tipo di applicazioni rendono inutilizzabili i vecchi condensatori a film plastico e la tendenza è sempre più indirizzata all’impiego di condensatori ceramici multistrato. Con l’ulteriore vantaggio che questi condensatori possono essere montati direttamente sulla superficie delle schede, consentendo una maggior efficienza nell’assemblaggio e piste più corte, quindi con minore induttanza. In molti casi ciò si traduce in valori di capacità inferiori, che permettono la riduzione del numero di componenti e delle loro dimensioni. Questa tendenza sta spingendo lo sviluppo di Mlcc verso la completa aderenza ai requisiti di affidabilità ed efficienza imposti oggi dal mercato automotive. Uno dei requisiti fondamentali dei chip ceramici multistrato, come per tutti gli altri componenti, è la conformità alle esigenti specifiche Aec-Q200, ovvero alla “Stress Test Qualification for Passive Components” emessa dall’Automotive Electronics Council Component Technical Committee. Per raggiungerla, i componenti devono superare una serie di rigorosi test al fine di accertarne l’affidabilità durante l’impiego. Tra tutti, i più severi per i Mlcc riguardano lo stress meccanico indotto dalle flessioni della scheda e dai cicli termici necessari per accertare che il componente sia in grado di sopportare inaccurate procedure di montaggio così come gli stress meccanici che si verificano durante il funzionamento. Un progetto meccanico carente e una non adeguata selezione dei materiali possono determinare una sollecitazione del componente che può sfociare in un futuro corto circuito.

FlexiCap, affidabilità per l’automotive

Syfer, oggi parte di Knowles Capacitors, è stato il primo produttore a sviluppare il sistema FlexiCap di terminali flessibili per i suoi condensatori a montaggio superficiale: una tecnologia che rende possibile la conformità di Mlcc fino al formato 3640 alle specifiche Aec-Q200 proteggendo la parte in ceramica dalle sollecitazioni meccaniche. La terminazione FlexiCap è essenziale per assicurare la conformità dei dielettrici di tipo II (X7R, X5R e X8R) ai requisiti Aec-Q200, sebbene sia anche disponibile per alcune gamme selezionate di dielettrici di tipo I (C0G / NP0).Grazie alla terminazione FlexiCap, è anche possibile realizzare configurazioni speciali degli elettrodi interni al fine di ridurre la probabilità che rotture meccaniche si trasformino in catastrofici guasti elettrici. Gli Mlcc open-mode si distinguono per la particolare collocazione degli elettrodi interni, arretrati rispetto al lato opposto del chip, col risultato di impedire che una eventuale rottura si propaghi attraverso un’area di sovrapposizione attiva, causando un cortocircuito. La configurazione tandem-mode realizza invece una disposizione in sequenza degli elettrodi, collegando due condensatori in serie all’interno di un singolo Mlcc. Ogni condensatore è previsto per sopportare l’intera tensione nominale del componente, in modo che nel caso della rottura di uno, l’altro possa continuare a garantire il funzionamento, sia pure con un ridotto valore di capacità. Grazie a queste nuove soluzioni che hanno portato i condensatori ceramici multistrato a montaggio superficiale a un livello eccezionale di affidabilità, il loro impiego nelle applicazioni elettroniche a bordo di veicoli si è diffuso enormemente.

Temperature operative elevate

Uno dei maggiori trend degli ultimi tempi, è stato quello dell’incremento della temperatura ambientale dei sistemi elettronici di bordo. Il flusso d’aria, necessario per il loro raffreddamento, è oggi più rigidamente vincolato a causa della maggiore rilevanza delle caratteristiche aerodinamiche; la miniaturizzazione impone involucri di dimensioni sempre più contenute, la complessità dei sistemi di bordo ha raggiunto livelli prima inimmaginabili e, con l’avvento di sistemi per il controllo di batteria e gruppo propulsore, le richieste dai componenti in termini di potenza sono sempre più alte. I Mlcc con classificazione X8R (specificati per temperature tra -55°C e +150°C) sono stati sviluppati molti anni fa proprio per applicazioni automotive ma, a confronto con altri tipi di dielettrico, hanno una minore efficienza volumetrica. Questo inconveniente è stato superato dai nuovi dielettrici che, anche come ricaduta della ricerca verso prodotti più ecocompatibili, hanno consentito notevoli progressi dal punto di vista delle gamme disponibili portando sul mercato i primi condensatori X8R completamente esenti da piombo. Guardando al futuro, le temperature sono destinate a salire, di pari passo al progressivo avvicinamento dei componenti passivi all’elettronica di potenza, riducendo così la lunghezza dei tracciati e la loro induttanza, ma anche consentendo l’impiego di valori più bassi di capacità. Sotto questo aspetto, la ricerca nell’industria automotive ha portato alla presenza sul mercato di Mlcc in grado di operare fino a 200°C. Per la prima volta, questi componenti sono disponibili con terminali a basso costo placcati e con barriera di nichel che consentono di soddisfare i requisiti di saldabilità a lungo termine e inter-diffusione dei metalli. Questi sistemi sono inoltre pienamente conformi alle specifiche Aec-Q200 per i dielettrici C0G di tipo I. Sviluppi in corso fanno prevedere per il futuro un ulteriore incremento della temperatura operativa, con esemplari specificati per 250°C a breve. I Mlcc sono stati per anni utilizzati nell’ambito di applicazioni automotive ma il punto di svolta più significativo riguarda la tensione di lavoro e le dimensioni dei componenti oggi utilizzati. Fino a poco tempo fa, una regola empirica consigliava di non montare direttamente sulla scheda Mlcc più grandi del formato 1210 (0,12” X 0,10”), per non comprometterne l’affidabilità. I progressi descritti hanno invece demolito questa convinzione, rendendo possibile l’utilizzo in montaggio superficiale di condensatori da 0,5” quadrati con spessore fino a 0,3”. L’aumento delle dimensioni è una diretta conseguenza della necessità di raggiungere livelli più elevati di tensione, capacità e correnti di ripple (vale a dire dissipazione di potenza). Come illustra la Fig. 1, il valore usuale di tensione di un Mlcc in applicazioni EV è compreso tra 250 Vdc e 2 kVdc, ma in alcuni casi può essere necessario disporre di tensioni uguali o addirittura superiori a 4 kVdc, soprattutto in presenza di impulsi o picchi di sovratensione, con capacità che tipicamente vanno da 100 nF a 4,7 µF.

Sviluppi tecnologici

La necessità di tensioni così elevate deriva dal fatto che oggi i Mlcc sono utilizzati in sostituzione dei condensatori a film in circuiti di filtro con la presenza di alta tensione Dc e alte correnti di ripple. I ceramici non elimineranno mai del tutto i condensatori a film dalle applicazioni automotive dal momento che il film plastico offre valori di capacità più alti, ma dove possibile, un Mlcc consente di ottenere ingombro e peso decisamente inferiore rispetto al suo equivalente plastico. Lo sviluppo tecnologico porta a realizzare Mlcc sempre più piccoli, mentre i nuovi dielettrici permettono di raggiungere una notevole efficienza volumetrica. Il Mlcc X7R da 0.22” x 0.20” x 0.18” da 630Vdc e 1µF sopra considerato è un tipico esempio di quelli oggi utilizzati in sistemi di gestione delle batterie in ambito EV. Queste combinazioni tra valori di capacità e di tensione sono resi possibili grazie alla tecnologia StackiCap brevettata da Knowles che permette di incrementare lo spessore del componente senza incorrere nei guasti di natura elettrostrittiva che affliggono i Mlcc di maggior spessore. In applicazioni di veicoli elettrici e ibridi è poi importante utilizzare condensatori con adeguate caratteristiche di sicurezza di classe X & Y nei circuiti direttamente connessi alla rete elettrica, come in ogni altro contesto in cui possa manifestarsi il rischio di scosse elettriche. I Mlcc sono provvisti di approvazione di sicurezza fino alla classe Y2 e tutti i componenti di sicurezza Knowles sono certificati in base ad Aec-Q200. Ovviamente, è importante che nella fase di progettazione siano ben note le performance e le caratteristiche che il condensatore deve fornire nelle effettive reali applicazioni: per questo motivo, Knowles investe intensamente in ricerca e sviluppo e lavora in piena sinergia con i principali fornitori di elettronica per il settore automotive, supportandoli in qualsiasi applicazione.

La ricerca nei dielettrici

Knowles sta anche prestando la massima attenzione verso tutti gli sviluppi relativi a nuovi dielettrici attinenti ai futuri requisiti dell’elettronica di potenza in ambito automotive. In quest’ottica sta sviluppando, all’interno del progetto “European Union’s FP7 Clean Sky Joint Technology Initiative” in partnership con NPL ed Eurosupport, un innovativo dielettrico. Questi materiali sono ancora allo stadio di ricerca ma promettono di fornire maggior stabilità in condizioni di stress di tensione, minori perdite nel dielettrico e una notevole riduzione di auto riscaldamento del componente sotto alti valori Rms della corrente di ripple. Questi nuovi dielettrici, nelle dimensioni di 0,4 x 0,4 x 0,2”, con tensione di lavoro di 600 V e capacità di 1 µF, stanno già affrontando dei beat test in applicazioni automotive.

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