- MLCC技術的新進展
- 串聯(lián)“浮動電極”設計解決電容器有效區(qū)（active area）的電壓應力問題。
- 通過涂層電容器進一步解決表面電弧放電問題
- HVArc Guard電容器采用了專利的內(nèi)部電極配置，可以防止表面電弧放電現(xiàn)象
- 通過在環(huán)氧聚合物端點上加上銀，可以防止電路板彎曲時發(fā)生的故障，進而增加可靠性
- 在X7R電解質(zhì)的新制劑方面進行修改，可減少與施加電壓的耦合
- HVArc Guard對于潮濕環(huán)境有很好的耐受性
高壓表面貼裝MLCC（多層陶瓷電容器）的額定值通常設定在500VDC或更高。這些MLCC 廣泛應用在電源當中，用來隔離和濾波DC和AC電壓。它們在減少紋波噪聲和消除開關穩(wěn)壓器所引起的潛在的不安全瞬變方面作用尤為重要。其他值得注意的應用是在燈鎮(zhèn)流器中作為緩沖電容器；最近MLCC也已經(jīng)集成在可植入醫(yī)療器械當中，以保護低電壓電路免受外部去心臟纖顫引起的瞬變的影響。不過，當電壓升高至750VDC以上時，在接線端之間以及安裝在電路板上的其他器件之間就會出現(xiàn)比較嚴重的表面弧問題。由于這些原因，電容器接線端和表面貼裝器件之間的分離，以及視線（line-of-sight）和表面的距離對性能的可靠非常關鍵。UL和VDE要求中已經(jīng)規(guī)定了這些距離，而安全額定電容器和電容器性能是在IEC 60384-14、IEC 60950、ENI132400和UL 60950標準中規(guī)定的。為了符合這些要求的距離，人們已經(jīng)開發(fā)出了用于這些應用的較大外殼尺寸的電容器，例如1808和更大的尺寸。設計人員也在使用開槽電路板（s l o t t e d board）、靈活的電路和電路板均勻涂層或涂層電容器（coated capacitor）來防止表面弧。其他可靠性方面的問題，特別是使用較大外殼尺寸的多層電容器是造成板彎曲和壓電應力最終導致開裂而引發(fā)元件故障的主要原因。此外，在電路板空間非常昂貴的應用當中，生產(chǎn)者已經(jīng)開發(fā)出了可以在較高電壓下穩(wěn)定工作的體積較小的MLCC。本文將介紹可以解決這些問題的表面貼裝多層陶瓷電容器的設計、材料和性能。
設計
許多年前，人們發(fā)現(xiàn)在空氣中測試500VDC以上的電壓時，MLCC標準設計的性能出現(xiàn)了問題。有效層（active layer）之間的內(nèi)部擊穿和接線端之間的表面弧導致了故障的出現(xiàn)。為了解決電容器的有效區(qū)（active area）的電壓應力問題，制造商開發(fā)出了一種串聯(lián)“浮動電極”設計，在單個元件內(nèi)有效集成了2個以上的電容器組。圖1是這類設計與標準MLCC的比較。
標準MLCC
這些電容器的電容值通常是相同的，所以在這種情況下每個電容器的有效電壓（VC）都等于施加在該器件上的總電壓（VT）除以電容器的數(shù)目（n）即VC=VT/n。利用這種方法可以降低每個電容器組的有效電壓。高壓電路的設計者還利用這個原理，通過串聯(lián)單個電容器來降低每個電容器的電壓。不過，在兩種情況下總電容（CT）都將會下降：1/CT=(1/C1+1/C2…+1/Cn)利用一臺高速相機觀察到了另一個重要的問題，即在一個標準電容器設計上施加一個電壓之后出現(xiàn)的表面電弧放電現(xiàn)象，如圖2所示。“浮動電極”串聯(lián)設計可以有效地解決表面弧的問題。不過，與如前所述的標準設計相比，其主要弊端在于其較低的容量。
表面電弧放電問題可以通過涂層電容器得到進一步的解決。增加引線和涂覆環(huán)氧樹脂是一種有效的解決方案，但如此一來這種產(chǎn)品不再是可以表面貼裝的。近來已出現(xiàn)一些涂層已用來保持表面貼裝的能力，但是這些解決方案過于昂貴，而且制造工藝非常復雜。組裝電路板類似涂層的應用還可以防止電弧放電的發(fā)生，但是除了額外成本外，在許多情況下涂層會不利于最終用戶最后組裝期間的進一步焊接。為了克服這些缺點，人們開發(fā)出了HVArc Guard電容器，它采用了專利的內(nèi)部電極配置，可以防止表面電弧放電現(xiàn)象。盡管這種配置不會像串聯(lián)設計那樣能夠降低內(nèi)部有效電壓，但在許多情況下有效重疊區(qū)（active overlap area）會增加超過300%，有助于實現(xiàn)較高的容量和使電容器進一步小型化。HVArc Guard MLCC的橫截面如圖3所示。
在HVArc Guard設計中，防護電極包圍著有效電極，在端點電荷和有效層之間形成一個屏障。得到的電場可以阻止端點到端點的電弧，并增加dc擊穿電壓水平。防護電極只占很小的空間，留下其余的部分給有效電極，進而增加了可用容量。
電路板彎曲
如同在前一部分中提到的那樣，焊接引線和涂層已廣泛用于生產(chǎn)高壓元件。除了引線外，引線框也可以用來封裝多個電容器，以得到更高的容量和增加符合性。盡管增加一個鷗翼型引線框會顯著增加元件的成本，但是它可以避免電路板彎曲的發(fā)生。直到最近，都沒有有效的方法來增加表面貼裝器件端點的符合性，但這個歷史已經(jīng)一去不復返了。通過在環(huán)氧聚合物端點上加上銀，可以防止電路板彎曲時發(fā)生的故障，進而增加可靠性。這種選擇目前已用于我們的OMD-Cap范圍高壓系列設計以及HVArc Guard電容器。當電路板彎曲時，標準電容器與相同HVArc Guard電容器的聚合物端點的測試顯示的故障率差異如圖4所示。
材料
高壓電容器通常是采用X 7 R 和C0G 電解質(zhì)制造的。這些名稱描述了在-55～+125℃溫度系數(shù)將分別為美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）的±15%和±30×10-6/℃。C0G電容器也可以用更常用的術語表示，即NP0（正負零）。不過，值得注意的是，在1kHz條件下以1Vrms進行電容測量非常重要，各種材料可以用這些名稱來描述。對許多電源應用來說，重要的是知道在某個具體電壓下的電容容量。X7R和C0G（NP0）電容器之間存在顯著的差異；施加了DC電壓的X7R電容器將釋放出大量容量，而C0G（NP0）電容仍然沒有太大的變化。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于與C0G（NP0）電解質(zhì)的鐵電性質(zhì)相比，鐵電X 7 R 材料在剩余極化（remnant polarization）方面有根本的不同。實際上，雖然X7R MLCC具有高得多的容量，但是其容量在施加DC電壓時會顯著下降。這方面的一個例子如圖5所示。因此，當采用多層電容器時，設計人員必須考慮到施加電壓下的可用容量。
如前面敘述的那樣，有許多材料可以滿足X7R或C0G（NP0）的這類TCC要求。這些材料與各種設計的組合并不能在施加的DC電壓下以完全相同的方式實現(xiàn)。不同制造商任何給定電壓的可用容量一定會有很大的差異。較高的電壓可以與X 7 R 電解質(zhì)中的鐵電疇（ferroelectric domain）相耦合，在元件上產(chǎn)生一種機械應力。這種“壓電應力”會導致電容器在z方向上若干微米的移動。當然，這是根據(jù)壓電執(zhí)行器的原理，但是在MLCC的情況下，連續(xù)的電壓尖峰會導致應力裂紋和故障。為了解決這個問題，應該使用這種具有降低壓電耦合能力的2000VDC 以上額定值的X7R電解質(zhì)電容器。降低耦合系數(shù)的影響可以增加擊穿耐壓，如圖6所示。這些設計采用了完全相同的有效厚度和“浮動電極”型設計。唯一的差異在于X7R電解質(zhì)的新制劑方面的修改，它可以減少與施加電壓的耦合。這種新制劑已用于我們的高壓OMD-Cap產(chǎn)品線。
AC電壓的考慮因素
在許多應用中，AC電源處理以及承受AC電壓的能力至關重要。測量這種能力的一種典型方法是在各種高頻條件下施加AC紋波電壓，直到電容器增加到超過環(huán)境溫度20℃以上。不過，在X7R電容器與C0G（NP0）的電容器之間又一次出現(xiàn)了顯著的差異，前者的剩余電偶（remnant dipole）隨著施加的電場移動而引起發(fā)熱，而后者在這種情況下的溫度不會增加。另一個AC 能力指標是通過施加60Hz AC電壓，將其提升至6kV峰值30s 以上，直到發(fā)生電解質(zhì)擊穿而實現(xiàn)的。這種類型測試的結果可以與對1000VDC額定值的1206 X7R HVArc Guard電容器施加500Vdc/s的破壞測試的DC擊穿電壓相比，如圖7所示。D C 電壓故障的發(fā)生遠遠超過了1000VDC額定值。由于AC電壓故障發(fā)生在1000VAC左右，與DC電壓相比，故障的分布范圍很窄。
環(huán)境考慮因素
如前面提到的那樣，電容器或電路板涂層可以防止表面弧，而且還可以作為一種防潮的屏障。為了測試HVArc Guard元件對由濕度引起的故障的易感性，對1210外殼尺寸、1000VDC額定值的MLCC樣品進行了擊穿電壓測試，其環(huán)境條件為23.8℃/53.3%RH，提高的溫濕度為85℃/85%RH。其結果如圖8所示。盡管在85/85條件下X7R的平均擊穿電壓相當?shù)?，但C0G（NP0）幾乎不受影響。因此，C0G（NP0）看似不那么易受潮濕所引起故障的影響，而兩種情況的擊穿都是在容許范圍以內(nèi)，即使是在高濕度條件下。兩種環(huán)境條件下測試的元件擊穿范圍均高于額定電壓。
結束語
通過采用新型材料和新的設計，已經(jīng)開發(fā)出來可靠的、可表面貼裝的高壓MLCC，為電源設計人員提供了無須涂層的更小、更高容量值的電容器。此外，這些優(yōu)勢加上使用裸板組裝的能力有助于電源制造商大幅度降低成本。最后我要感謝Pat Gormally、Paul Coppens、John Jiang、John Rogers、Vito Coppola和Alice Whitcher，他們在準備本文期間做出了貢獻，并與我進行了有價值的討論。
