Vita dura per i condensatori sotto il cofano

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Il ruolo sempre più rilevante dell’elettronica nelle autovetture moderne è un fatto ben consolidato. Con l’aumentare del numero dei componenti elettronici presenti sulla scheda, l’affidabilità di ogni singolo dispositivo determina l’affidabilità di sottosistemi importanti e ha effetti significativi sull’esperienza complessiva del possessore del veicolo. L’affidabilità dei componenti è influenzata dalle condizioni ambientali, che includono non solo gli stress elettrici ed elevate temperature operative, ma anche iterati cicli termici, temperature sotto zero, elevata umidità, pioggia, giacchio, neve e sostanze chimiche aggressive come il sale stradale, l’olio, il carburante e i fluidi idraulici. Inoltre i componenti possono essere sottoposti a forti sollecitazioni meccaniche, come le vibrazioni, che possono compromettere i terminali e le connessioni interne. Ci si attende che l’elettronica di bordo sia in grado di sopportare tutte queste sollecitazioni e di funzionare affidabilmente per la tutta la durata della vita del veicolo, che normalmente corrisponde a parecchi anni.


Affidabilità sotto stress
L’ambiente automobilistico è noto per essere particolarmente duro. Nelle applicazioni “sotto il cofano” i dispositivi elettronici, come i sensori, sono impiegati sempre più vicino al motore, alla trasmissione e all’impianto frenante per monitorare vari parametri come le condizioni dell’olio, la marcia selezionata e la composizione dei gas di scarico. Le temperature in questi punti posso superare ampiamente i 125°C. Inoltre, posso essere presenti anche intensi segnali elettrici impulsati, dovuti alle commutazioni di un elevato numero di carichi, tra i quali carichi induttivi come i motori elettrici. Questi fattori hanno un’influenza significativa sulla scelta dei condensatori che sono utilizzati in un grande numero di sensori e unità elettroniche di controllo sparsi per il veicolo e anche sotto il cofano. I condensatori sono impiegati per il filtraggio, la pulizia delle alimentazioni, la soppressione di transitori di tensioni e l’immagazzinamento di energia. I condensatori cercamici multi livello (Mlcc) sono una scelta economica e molto diffusa per questi circuiti. Il condensatore Mlcc non è polarizzato ed è costituito da due terminali metallici collegati a numerosi elettrodi interni di nickel, separati da una ceramica dielettrica che può essere un materiale di classe I, II o III. I terminali possono essere di un metallo di base, come il rame, o di un metallo prezioso. L’esposizione a temperature elevate e alle sollecitazioni elettriche che superano i limiti ammessi dal dispositivo possono pregiudicare l’affidabilità del materiale dielettrico. Tale degrado dovuto allo stress elettrico può essere predetto tramite il modello di potenza inverso. Secondo questo modello, il tempo di vita del dielettrico diminuisce col crescere del campo elettrico a causa delle forze esercitate dal campo sugli atomi carichi. Invece, il degrado prodotto da una temperatura elevata segue la legge di Arrhenius. Questa descrive un andamento esponenziale controllato dalla temperatura e dall’energia di attivazione, che è una proprietà del materiale. Se i dispositivi sono impiegati entro i limiti specificati, i progettisti possono contare sulle previsioni del tempo di vita indicate dal fabbricante e risultanti da test ambientali e da calcoli di affidabilità ben sperimentati. Lo sviluppo di condensatori Mlcc per applicazioni automobilistiche si concentra sul miglioramento delle proprietà del dielettrico, per minimizzare il degrado in modo che il componente possa garantire delle prestazioni soddisfacenti durante il tempo di vita tipico richiesto dal progetto.

Dielettrici per capacità stabili
Molta cura va posta nell’assicurarsi che il condensatore presenti il valore di capacità desiderato alla temperatura operativa prescelta. A seconda del tipo di dielettrico, la capacità può ridursi al crescere della temperatura, causando così delle variazioni nella risposta in frequenza, che deteriorano in modo impredicibile le prestazioni di circuiti accordati come i filtri. Il dielettrico C0G è un materiale di classe I. I dielettrici di questa classe sono compensati in temperatura, e quindi risultano particolarmente adatti ad applicazioni in circuiti risonanti e quelle in cui è richiesta la stabilità del fattore di qualità e della capacità. I condensatori C0G di Kemet qualificati per applicazioni automobilistiche non mostrano alcuna variazione della capacità al variare della temperatura e della tensione. Inoltre, una variazione di capacità dovuta alla variazione di temperatura è considerata trascurabile se inferiore a ±30ppm/ºC nell’intervallo da -55°C a +125°C. Grazie a questa elevata stabilità, tali dispositivi sono adatti per l’impiego in applicazioni di temporizzazione critica, circuiti risonanti, sistemi ad elevate correnti o correnti impulsate, circuiti in cui le basse perdite siano importanti, per il disaccoppiamento, il bypass, il filtraggio, la soppressione dei segnali di tensione transitori, filtraggio passa alto e immagazzinamento di energia. D’altra parte, i dielettrici di classe II come lo X7R consentono di ottenere elevati valori di capacità in componenti dalle dimensioni compatte. Ciò li rende diffusi in una grande varietà di applicazioni, tra le quali vi sono anche le centraline elettroniche delle automobili, caratterizzate da stretti vincoli di ingombro. Essendo un materiale di classe II, lo X7R è descritto da un comportamento predicibile in termini di variazioni della capacità al variare dell’invecchiamento e della tensione. La serie di Kemet di condensatori X7R Mlcc qualificati per applicazioni automobilistiche (AEC-Q200) mostra piccole variazioni di capacità al variare della temperatura, inferiori al ±15% da -55°C a +125°C. Questi dispositivi sono adatti per applicazioni di bypass e disaccoppiamenti e per circuiti come i comparatori a finestra in qui il fattore di qualità e la stabilità del valore di capacità non sono critici. Il dielettrico ha una massima temperatura operativa pari a 125°C. In applicazioni che richiedono maggiore stabilità, dei circuiti buffer possono essere utilizzati per stabilizzare il comportamento del sistema. In alternativa delle look-up table possono essere implementate nel software per regolare il valore di costanti critiche. Per applicazioni estremamente critiche in cui l’affidabilità e la stabilità della capacità ad elevate temperature operative sono importanti, il dielettrico X8R ultra stabile offre le prestazioni migliori tra le tecnologie di dielettrici per elevate temperature ed un’affidabilità estrema. La variazione di capacità è limitata a ±15% da -55°C alla massima temperatura pari a 150°C. I condensatori con dielettrico X8R ultra stabile non mostrano alcuna variazione del valore di capacità con la tensione Dc applicata. Kemet detiene inoltre il brevetto di un dielettrico C0G per elevate temperature che è in grado di assicurare una capacità costante fino a temperature sopra i 200°C. A seconda della tecnologia del dielettrico, la capacità si può deteriorare ad elevate temperature. Quando si impiega un dispositivo in X7R o X8R può essere necessario scegliere un componente con un valore nominale maggiore per assicurare il valore di capacità desiderato alla temperatura di lavoro. Invece, impiegando un condensatore C0G ad alta temperatura è possibile scegliere un valore nominale di capacità inferiore e quindi contenuto in uno spazio più compatto. Così è possibile raggiungere dimensioni complessive più ridotte, che possono essere importanti per l’applicazione finale.

Incapsulamento per una migliore affidabilità
La resistenza alle vibrazioni in applicazioni automobilistiche può anche essere migliorata grazie alla combinazione di un’opportuna scelta dei materiali e di una costruzione curata del condensatore. Sono stati sviluppati dei nuovi materiali C0G ad alta resistenza alla rottura in grado di sopportare shock fino a molti g. Il modulo di rottura può essere pari a più del doppio rispetto al materiale industriale X7R migliore. La rottura dovuta all’eccessivo sforzo tensile e tangenziale generato quando il circuito stampato viene flesso o durante dei cicli termici rappresenta la prima causa di guasto dei condensatori Mlcc. Kemet ha sviluppato dei condensatori Mlcc con terminazione flessibile (FT-CAP) che incorporano una resina conduttiva a base d’argento tra il metallo di base e gli strati di nickel del terminale standard. Ciò introduce flessibilità, mantenendo al contempo la robustezza, la saldabilità e le prestazioni elettriche del terminale. I condensatori realizzati in tecnologia Fail-Open, come FO-CAP x7R e FE-CAP X7R di Kemet, con o senza terminazioni flessibili, sono progettati per minimizzare la probabilità di una bassa resistenza di isolamento e di una condizione di corto circuito nel caso di rottura del dispositivo a causa dalla torsione del circuito stampato. La struttura interna di questi condensatori è progettata appositamente per evitare la propagazione delle incrinature lungo il controelettrodo nell’area attiva, che è la posizione nella quale, con maggiore probabilità, una spaccatura produce un corto circuito. Se si verifica un’incrinatura, il valore della capacità può calare, ma il rischio di un guasto catastrofico dovuto al corto circuito è evitato. In alternativa, è possibile utilizzare un condensatore impilato come quelli della serie KPS HT di Kemet, che combina due o più condensatori impilati verticalmente e tenuti insieme da una gabbia metallica, che minimizza efficacemente le sollecitazioni termiche e meccaniche. Questo tipo di dispositivo offre anche un’elevata capacità nella stessa area occupata sulla scheda da un singolo Mlcc. Anche i dispositivi con reofori come i Mlcc radiali a stampo sono caratterizzati da elevata tolleranza alle sollecitazioni che possono causare guasti nei convenzionali condensatori ceramici a chip. La flessibilità dei reofori offre un’ammortizzazione dello sforzo, ma il punto di attacco del reoforo deve essere in grado di sopportare elevate temperature operative. I condensatori Mlcc radiali a stampo con dielettrico C0G per elevate temperature C052H e C062H sono assemblati tramite una pasta saldante ad elevato punto di fusione (HMP) per garantire l’integrità di tutti i punti di contatto.

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