Minimizzare l’incrinatura nei condensatori ceramici

COMPONENTI PASSIVI –

L’affidabilità dei sistemi elettronici operanti in ambienti difficili, come quello automobilistico, dipende dalle proprietà di tutti i singoli componenti, compresi i minuscoli condensatori ceramici.

I condensatori ceramici sono ampiamente utilizzati rispetto ad altre tipologie di condensatori sia nei circuiti standard sia nei circuiti di potenza che devono operare in ambienti particolarmente ostili. Prendendo in considerazione tutte le possibili applicazioni, i condensatori ceramici multistrato monolitici o Mlcc (Monolithic Multilayer Ceramic Capacitor) sono i più diffusi per valori di capacità di 1, 10 e 100 µF. Un trend del tutto analogo si riscontra in campo automobilistico dove la quota di mercato dei condensatori ceramici, per valori di capacità fino a 10 µF, è superiore al 90%: ma anche i condensatori con capacità di 22 e 47 µF si stanno rapidamente diffondendo e si può stimare che anche loro arriveranno ad una elevata percentuale di utilizzo entro i prossimi due anni. I condensatori ceramici sono quindi la tipologia di condensatori più ampiamente utilizzata nelle applicazioni automobilistiche.
Da un’attenta analisi di tutti i compromessi tra dimensioni, capacità, stabilità e tensione di rottura (breakdown voltage) che è necessario prendere in considerazione, si può evidenziare che i condensatori ceramici forniscono eccellenti prestazioni complessive rispetto alle alternative attualmente disponibili. Tutti gli aspetti appena citati sono riconducibili al dielettrico. I recenti sviluppi nel campo dei materiali ceramici hanno permesso di ottenere sensibili incrementi a livello di costante dielettrica e capacità per una data dimensione del condensatore: ciò ha consentito di realizzare condensatori utilizzando un numero inferiori di strati e quindi più sottili.

La resistenza meccanica
A prescindere da capacità, dimensioni e tensione di rottura, un altro elemento fondamentale per i produttori di automobili è la resistenza meccanica. Un problema particolarmente critico è la prevenzione dei corto circuiti, soprattutto in un ambiente gravoso come quello automobilistico. Poiché un condensatore che presenta un’incrinatura può provocare un corto circuito, la richiesta di aumentare la resistenza meccanica dei condensatori Mlcc per applicazioni automobilistiche non è mai stata così sostenuta. Nei veicoli, quando il corpo dei condensatori ceramici è soggetto a sollecitazioni meccaniche di notevole entità, prodotte da flessioni della scheda, vibrazioni o forti escursioni di temperatura, può incrinarsi provocando di conseguenza un corto circuito. La modalità di guasto del condensatore ceramico può manifestarsi di colpo e laddove il condensatore è connesso direttamente alla batteria, nel caso peggiore (worst case) la scheda potrebbe bruciare. Murata ha quindi deciso di investire ingenti risorse nelle attività di ricerca e sviluppo allo scopo di mettere a punto una soluzione in grado di risolvere questo problema. A differenza degli altri fattori considerati in precedenza - capacità, dimensioni e tensione di rottura - la resistenza meccanica di un condensatore non è semplicemente una proprietà del materiale dielettrico. Per prevenire in maniera efficace fenomeni di incrinatura, struttura e costruzione del condensatore rivestono un ruolo critico. Murata ha sviluppato due tecnologie in grado di soddisfare la richiesta di maggiore resistenza meccanica da parte dei costruttori di automobili. Entrambe si basano sull’apporto di modifiche alla struttura di un condensatore Mlcc piuttosto che sullo sviluppo di nuovi materiali dielettrici. Le famiglie di condensatori ceramici multistrato monolitici GCJ, GCD e GCE sono state espressamente progettate per resistere in maniera ottimale alle sollecitazioni prodotte da flessioni, vibrazioni e sbalzi di temperatura che si verificano “sotto il cofano” di un’automobile e garantire un comportamento di tipo fail-safe (ovvero capace di evitare che eventuali avarie arrechino danni a persone o ad altri sistemi a loro interconnessi od operanti in prossimità) in presenza di corto circuiti. La modalità di guasto tipica è rappresentata da un’incrinatura attraverso il materiale ceramico che si propaga dal punto dove la sollecitazione è maggiore verso l’alto in direzione diagonale: un fenomeno di questo tipo provoca la rottura dello spigolo del dispositivo. Per affrontare in maniera efficace questo problema Murata ha sviluppato terminazioni di tipo “soft”: in pratica si tratta di uno strato di resina conduttiva posto tra l’elettrodo di rame e il rivestimento di nickel/stagno della terminazione . Quando si manifesta una sollecitazione di flessione, questo strato inizia a staccarsi dal dispositivo ceramico, attenuando la sollecitazione di flessione sul materiale ceramico ed evitando incrinature in modo da garantire il funzionamento del dispositivo. Ciò garantisce prestazioni elevate dal punto di vista meccanico, in particolar modo per quel che riguarda le sollecitazioni di flessione. Terminazioni di questo tipo sono integrate nella nuova serie di Mlcc GCJ di Murata conforme alle specifiche Aec-Q200.  Tutti i condensatori della serie GCM sono stati in grado di resistere a una deflessione fino a 2 mm, mentre nessuno ha resistito a una deflessione di 8 mm. Le terminazioni soft hanno invece consentito a quasi tutti i condensatori della serie GCJ di resistere a deflessioni superiori a 8 mm.

Ridurre gli effetti della rottura
Tra le varie richieste dei produttori di veicoli ve ne è anche una specifica: la disponibilità di un condensatore Mlcc per applicazioni automobilistiche per il collegamento diretto alla batteria o al generatore in un veicolo. Questo condensatore deve essere in grado di ridurre gli effetti di rottura imputabile alla flessione e di incrinature dovute alle sollecitazioni di saldatura impedendo il guasto del dispositivo che potrebbe portare alla formazione di un corto circuito. Murata ha sviluppato un dispositivo caratterizzato da una struttura molto semplice denominata Mlsc (Multi-layer series capacitor) che contiene due condensatori in serie, utilizzata per la realizzazione dei dispositivi della serie GCD. Il progetto di questi condensatori prevede una piastra interna “flottante “ (floating plate) che crea un circuito equivalente formato da due condensatori in serie. Con una configurazione di questo tipo risulta quasi impossibile che si verifichi un corto circuito imputabile al guasto del componente. I danni al dispositivo si possono verificare quando la scheda è sottoposta a sollecitazioni di pressione o a temperature estreme, come accade ad esempio durante il processo di saldatura. Nel caso di un Mlcc tradizionale il condensatore, quando si incrina, può danneggiarsi in modo da provocare un corto circuito. Nel caso di una struttura Mlsc, l’incrinatura provoca danni a uno solo dei due condensatori. Nonostante un condensatore sia in corto circuito, l’altro continua a funzionare, evitando un guasto prodotto da un corto circuito dell’intero dispositivo. In molti casi, una tipica modalità di guasto è rappresentata da un’incrinatura che, partendo da uno spigolo di una terminazione, si propaga in un solo lato del condensatore. Se l’incrinatura si verifica in un lato, la sollecitazione meccanica sull’intero dispositivo è attenuata e risulta molto improbabile che un’incrinatura simile possa interessare l’altro condensatore. Oltre ai condensatori delle famiglie GCJ e GCD, Murata ha di recente introdotto i dispositivi della serie GCE che integrano entrambe le innovazioni appena descritte: terminazioni “soft” e approccio Mlsc.

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