Miniaturizzazione sempre più spinta

Sempre più piccoli, veloci, leggeri e sottili: queste le esigenze alle quali devono soddisfare gli odierni prodotti elettronici. Queste esigenze sono ancora più avvertita nel settore consumer, dove estetica, modalità di interazione e fruizione che un prodotto è in grado di offrire spesso sono aspetti più importanti rispetto ai dettagli delle sue funzionalità. Un esempio significativo è rappresentato dagli auricolari: un acquirente è solitamente più interessato all’aspetto o alla comodità d’utilizzo che non alla qualità della riproduzione sonora. Questa tendenza alla miniaturizzazione ricade sui produttori di componenti, che sono vincolati dalle leggi della fisica per quanto concerne numero e tipo di funzioni che possono essere integrate all’interno di una determinata area o volume. Per molti decenni i produttori di circuiti integrati hanno beneficiato dello scaling dei nodi di processo (in pratica la riduzione delle dimensioni dei transistor), grazie al quale hanno potuto raddoppiare la densità dei dispositivi ogni 18-24 mesi ma, nel caso dei componenti elettronici passivi, sicuramente meno complessi (come induttori, resistori e condensatori), le opzioni sono più limitate. L’energia elettrica che un condensatore può immagazzinare, ad esempio, è determinata dall’area delle due armature, dal materiale dielettrico scelto per separare le due armature e dalla loro distanza. Negli ultimi anni sono stati compiuti notevoli sforzi per cercare di aumentare la densità di immagazzinamento della carica nel rispetto dei vincoli appena menzionati.

Piccolo è bello

Attualmente vi è una forte richiesta di integrare condensatori più piccoli (oltre agli altri componenti costituenti) negli alimentatori di apparati audio/video come i televisori a schermo piatto. Contemporaneamente aumenta la domanda di alimentatori a basso profilo da integrare negli apparati montati a rack di altezza pari a 1U destinati ai server e ai sistemi di memorizzazione utilizzati nei data center. Tutti questi apparati, sia che si tratti di un Tv Uhd con risoluzione 4K di ultima generazione o un server per data center, richiedono un ambiente “pulito” dal punto di vista elettrico per poter funzionare correttamente. Un rumore non controllato sui terminali di alimentazione (power rail) di un televisore può provocare fastidiosi sbalzi dell’immagine visualizzata sullo schermo. Nei sistemi hardware di un data center, un rumore non controllato può provocare malfunzionamenti, reboot non previsti e interruzioni del servizio che potrebbero avere anche gravi conseguenze. Per risolvere le problematiche legate al rumore, i progettisti di alimentatori utilizzano condensatori di tipo Y per collegare le linee di alimentazione a massa e condensatori di accoppiamento per collegare i lati primario e secondario. Questi condensatori devono soddisfare standard di sicurezza molto rigorosi per resistere a tensioni impreviste di elevato valore e garantire ottime caratteristiche in termini di autoestinguenza. Fortunatamente per gli utilizzatori, gli Enti che si occupano di standard per la sicurezza come UL e CQC hanno preso in considerazione le problematiche che questi componenti devono affrontare e messo a punto strategie di collaudo e procedure di certificazione atte ad assicurare la sicurezza di funzionamento di tutti i componenti collaudati e certificati correttamente. Per realizzare alimentatori più piccoli è necessario ridurre le dimensioni di tutti i componenti utilizzati. A volte il fattore di forma dei componenti più comunemente utilizzati può rappresentare un vincolo. I condensatori ceramici a disco con terminali radiali hanno permesso di ridurre le dimensioni degli alimentatori grazie all’incremento della loro densità di immagazzinamento della carica. Non bisogna comunque dimenticare che l’altezza di montaggio dei componenti con terminali radiali è considerevole e ciò, a volte, può ostacolare i tentativi di “comprimere” ulteriormente le dimensioni in altezza di un’apparecchiatura. Per risolvere questo problema Murata ha introdotto la serie di condensatori ceramici DK tipo EA: si tratta di componenti a montaggio superficiale in classe X1/Y1 conformi allo standard Iec 60384-14. I condensatori di questa linea sono disponibili in modelli con valori di capacità compresi tra 10 e 1500 pF e tensioni nominali fino a 300 Vac, come previsto per i condensatori in classe Y1. Oltre all’altezza ridotta, un componente a montaggio superficiale permette di superare un altro problema tipico dei componenti con terminali radiali. Poiché tali componenti sono montati sulla scheda Pcb utilizzando fori passanti, i conduttori risultano esposti sul lato inferiore della scheda stessa. Sebbene l’altezza di questa sporgenza possa essere limitata, gli standard di sicurezza relativi agli alimentatori prevedono il mantenimento di una distanza minima(distanza di isolamento) tra l’estremità dei conduttori e gli altri componenti metallici, come, ad esempio, lo chassis dell’alimentatore. Ciò rischia di vanificare gli sforzi tesi a realizzare apparati con profili sempre più ridotti. I condensatori della serie DK di tipo EA consentono il montaggio superficiale di un condensatore di tipo Y grazie alla loro particolare realizzazione costruttiva che prevede la saldatura dei terminali metallici piatti su un dielettrico ceramico a forma di disco (l’elemento capacitivo): il tutto viene poi incapsulato in una resina epossidica. In questo modo è possibile ottenere un componente a basso profilo ed eliminare i conduttori nella parte inferiore della scheda. Di conseguenza non è più necessario considerare la distanza di isolamento tra le estremità inferiori dei conduttori e lo chassis. La riduzione del profilo risultante può avere un impatto significativo sui fattori di forma dell’alimentatore. Il fatto che questi componenti utilizzino un elemento dielettrico ceramico a forma di disco come mezzo di immagazzinamento significa che sono in grado di garantire l’elevato valore di rigidità dielettrica richiesta per ottenere la qualificazione nelle classi X1/Y1 previste da Iec 60384-14, oltre ad essere caratterizzati da un’altezza di soli 2,5 mm. La composizione chimica e la quantità di lega di saldatura richiesta per unire i terminali metallici interni all’elemento ceramico sono stati scelti in modo da consentire l’uso dei condensatori nei processi che prevedono la saldatura a reflow e caratterizzati da elevate temperature e tempi di saldatura relativamente lunghi. Le superfici dei terminali metallici sono anche rivestite di stagno per semplificare le operazioni di saldatura. Murata continua comunque a proporre anche i condensatori ceramici a disco con terminali radiali della serie DE conformi agli standard di sicurezza. I condensatori della linea DE di tipo KX sono componenti in classe X1/Y1 certificati Iec 60384-14 e adottati su larga scala. Gli elementi capacitivi nei componenti di tipo DK di Murata, utilizzano la stessa struttura ceramica a forma di disco come quelli della serie DE, assicurando in tal modo un elevata rigidità dielettrica tra i terminali, pari a 4 kVac per 60 secondi, come richiesto per la conformità alle specifiche previste da Iec 60384-14 per i dispositivi in classe Y1. Per esemplificare le prestazioni relative alla rigidità dielettrica, un confronto delle tensioni di rottura dell’isolamento tra i terminali per i condensatori della serie DK (tipo EA) e quelli della serie DE (tipo KX). Il valore minimo della tensione di breakdown dell’isolamento tra i terminali dei condensatori della serie DK è il medesimo di quello dei condensatori della serie DE, garantendo un valore di rigidità dielettrica più che sufficiente per soddisfare i requisiti previsti dagli standard di sicurezza.

Risolvere i problemi di affidabilità

Data la natura composita di questi componenti, che utilizzano resina e ceramica, è importante assicurare che i differenti valori di espansione termica dei due materiali non diano origine a problemi di affidabilità. Un’aderenza insufficiente tra ceramica e resina potrebbe causare una diminuzione della rigidità dielettrica e di resistenza all’infiltrazione di umidità. D’altro canto, se i coefficienti di espansione lineare dei due materiali differiscono in modo sensibile, questi si espandono in modo differente durante i cicli di temperatura: ciò potrebbe provocare una sollecitazione meccanica causa di possibili fenomeni di criccatura. Le variazioni della resistenza di isolamento prima e dopo un test di carico per la resistenza all’umidità per i condensatori della serie DK e della serie DE tipo KX. I condensatori della serie DK sono caratterizzati da una resistenza all’umidità uguale a quella della serie DE e nessuno dei componenti delle due famiglie evidenzia quel genere di variazione della resistenza all’umidità che sarebbe stata evidenziata da una marcata riduzione della resistenza di isolamento dopo il test. I condensatori della serie DK permettono anche di eliminare le problematiche di natura strutturale legate alla criccatura dei chip imputabili alla flessione della scheda e alle criccature della saldatura dovute ai cicli termici, fenomeni che potrebbero verificarsi nei condensatori ceramici multistrato di grandi dimensioni.

Soddisfare i requisiti di sicurezza

Gli standard di sicurezza per i condensatori in classe Y1 che collegano le linee di alimentazione alla massa tengono conto di problematiche quali rigidità dielettrica tra i terminali, distanza tra gli elettrodi e resistenza alla combustione. Per quanto concerne il controllo della distanza di creepage, il corpo del condensatore e la forma dei suoi terminali sono stati progettati per ottenere uno spazio di almeno 8 mm intorno al componente, come richiesto dagli standard di sicurezza. Il corpo del condensatore viene stampato utilizzando un materiale conforme a UL 94 V-0 - la classe di autoestinguenza più restrittiva. Il processo di produzione controlla lo spessore della resina di rivestimento per preservare la rigidità dielettrica tra i terminali e il contenitore, in modo da soddisfare i requisiti degli standard. Questi accorgimenti hanno permesso di realizzare componenti conformi ai più importanti standard di sicurezza in vigore in Europa, Stati Uniti e Asia.

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