Condensatori multistrato per elevate temperature

COMPONENTI PASSIVI –

Contrariamente all’opinione comune, i condensatori ceramici multistrato possono essere utilizzati ben oltre il loro limite superiore di temperatura.

A differenza di quanto accade
nel settore dei prodotti wireless portatili ad alta tecnologia, in cui si punta
a un funzionamento a bassissima potenza e con la minima produzione di calore, mercati in rapida ascesa come l'aerospaziale, quello
della difesa, l'automotive e quello della ricerca energetica richiedono
componenti in grado di operare in condizioni di temperatura che superano i
livelli standard abituali. In effetti, l'operatività ad alta temperatura sta
diventando una sfida sempre più cruciale nelle nuove apparecchiature dedicate
al settore petrolifero, della sismologia, dell'analisi geotermica e del
controllo delle emissioni dei veicoli. In questo contesto i costruttori sono
alla ricerca di dispositivi in grado di funzionare oltre il limite standard di
125°C, e almeno fino a 200 °C, spesso per eliminare la necessità di
raffreddamento ad aria forzata. Entro i prossimi anni, si calcola che questo
limite si innalzerà fino a 250 °C e 300 °C e in un futuro più lontano
addirittura fino a 350°C. I condensatori ceramici
multistrato sono fabbricati con dielettrici di classe 1 e classe 2, i più
comuni dei quali sono C0G (NP0) e X7R. Le proprietà di questi materiali sono
ben definite entro quelli che sono i limiti di temperatura standard in campo
industriale, ovvero da -55°C a +125°C. I condensatori con dielettrico X8R
rappresentano una ulteriore possibilità di scelta, ma solo fino a 150°. Sono
disponibili, per altro, dielettrici destinati a temperature più alte, ma questa
caratteristica comporta inevitabilmente costi decisamente maggiori. Per
dimostrare che i condensatori ceramici multistrato commerciali, certificati per
125°C, possono lavorare anche a temperature più elevate, Syfer Technology ha
varato un dettagliato programma di test e di caratterizzazione: lo scopo è
quello di fornire ai progettisti informazioni e linee guida sul comportamento
di questi prodotti in condizioni estreme, soprattutto in ambienti ad alta
temperatura. Il team ingegneristico di Syfer ha prodotto una serie di dati
empirici sul funzionamento e sulla affidabilità dei condensatori Mlcc entro una
ampia fascia di condizioni, di cui i clienti possono avvalersi per specificare
componenti con un buon livello di prevedibilità in merito al loro comportamento
oltre i limiti standard di temperatura.

Lo stress termico

L'affidabilità dei condensatori
ceramici è condizionata dalla tensione e dalla temperatura a cui vengono fatti
funzionare. In particolare, l'incremento di temperatura è molto più
significativo rispetto a quello della tensione, tanto
che lo stress termico da solo è sufficiente a provocare guasti. Il cosiddetto
breakdown termico avviene quando la quantità di calore prodotta nel dielettrico
è maggiore di quella che può essere dissipata. Questo processo porta a una
maggiore conduttività negli strati del dielettrico, con un ulteriore sviluppo
di calore e maggiore instabilità sotto forma di un incontrollato, spesso molto
rapido, aumento di temperatura. Le temperature che si raggiungono quando la
scarica del condensatore avviene attraverso una regione in cui si innesca una
localizzata valanga termica possono essere tanto alte da provocare la fusione
del dielettrico.L'affidabilità non è il solo
fattore da prendere in considerazione quando si utilizza un condensatore oltre
le condizioni operative standard. È ben noto che la capacità varia con la
temperatura: un basso coefficiente di temperatura della capacità è importante
per garantire stabilità e corretto funzionamento del circuito, non solo in
condizioni di alta temperatura, ma anche per sopportarne le variazioni. Il
livello definito di Tcc è ±15% per i dielettrici di classificazione Eia X7R
(-55°C to +125°C) e X8R (-55°C to +150oC) e ±30ppm/°C per i C0G/NP0
(-55°C to +125°C). Il programma di prove di vita
accelerata di Syfer ha sempre incluso un test dei propri componenti standard
per la durata di 1.000 ore alla massima temperatura di 125°C, mentre in quello
esteso sono state introdotte prove ad intervalli di temperatura più alta, fino
a 215°C. In aggiunta, Syfer ha descritto anche l'effetto sulla capacità, nelle
medesime condizioni. La successiva analisi dei guasti ha consentito a Syfer di
costruire una valida base di conoscenza per le sue famiglie di Mlcc.

Previsioni di affidabilità

A una prima valutazione,
sembrerebbe che l' utilizzo di Mlcc commerciali ad alti livelli di temperatura
sia sconsigliabile. In realtà, i dati consentono di formulare raccomandazioni e
persino linee guida per un impiego prevedibile e sicuro di questi componenti in
tali condizioni. La prima possibilità è prendere in considerazione la famiglia
di Mlcc in dielettrico X8R, in grado di operare tra -55°C e +150°C, con una
massima variazione di capacità che non supera ±15% (senza tensione applicata).
Questi componenti sono disponibili in formati dallo 0805 al 2225, con range di
tensione da 25V a 3kV e valori di capacità da 270 pF a 1,8 µF. Se i requisiti
di progetto impongono dielettrici X7R o C0G, Syfer raccomanda che, per
l'impiego a temperature oltre 160°C, venga applicato un incremento minimo del
30% sul valore di tensione nominale del condensatore scelto. Ad esempio, al
posto di un condensatore standard da 50V e 10nF in formato 0805, la scelta di
un 100 V e 15 nF rappresenta una alternativa affidabile con un corretto margine
di capacità per una temperatura operativa più alta. Tra 160 °C e 200 °C non ci
sono regole predefinite, dato che l'affidabilità, in questo caso, dipende dalle
specifiche del singolo progetto. Comunque, forte di anni di esperienza,
competenza e dati desunti da prove, Syfer è in grado di fornire consigli e
valutazioni caso per caso.

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