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高壓表面貼裝MLCC的新進(jìn)展

發(fā)布時(shí)間:2009-01-30

中心議題:
  • MLCC技術(shù)的新進(jìn)展
解決方案:
  • 串聯(lián)“浮動(dòng)電極”設(shè)計(jì)解決電容器有效區(qū)(active area)的電壓應(yīng)力問題。
  • 通過涂層電容器進(jìn)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(diǎn)上加上銀,可以防止電路板彎曲時(shí)發(fā)生的故障,進(jìn)而增加可靠性
  • 在X7R電解質(zhì)的新制劑方面進(jìn)行修改,可減少與施加電壓的耦合
  • HVArc Guard對(duì)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(shè)定在500VDC或更高。這些MLCC 廣泛應(yīng)用在電源當(dāng)中,用來隔離和濾波DC和AC電壓。它們?cè)跍p少紋波噪聲和消除開關(guān)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(yīng)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(dāng)中,以保護(hù)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(dāng)電壓升高至750VDC以上時(shí),在接線端之間以及安裝在電路板上的其他器件之間就會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)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(duì)性能的可靠非常關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用的較大外殼尺寸的電容器,例如1808和更大的尺寸。設(shè)計(jì)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(yīng)力最終導(dǎo)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(yīng)用當(dāng)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(shè)計(jì)、材料和性能。

設(shè)計(jì)
許多年前,人們發(fā)現(xiàn)在空氣中測(cè)試500VDC以上的電壓時(shí),MLCC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(dǎo)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(yīng)力問題,制造商開發(fā)出了一種串聯(lián)“浮動(dòng)電極”設(shè)計(jì),在單個(gè)元件內(nèi)有效集成了2個(gè)以上的電容器組。圖1是這類設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)MLCC的比較。



標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(gè)電容器組的有效電壓。高壓電路的設(shè)計(jì)者還利用這個(gè)原理,通過串聯(lián)單個(gè)電容器來降低每個(gè)電容器的電壓。不過,在兩種情況下總電容(CT)都將會(huì)下降:1/CT=(1/C1+1/C2…+1/Cn)利用一臺(tái)高速相機(jī)觀察到了另一個(gè)重要的問題,即在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電容器設(shè)計(jì)上施加一個(gè)電壓之后出現(xiàn)的表面電弧放電現(xiàn)象,如圖2所示。“浮動(dòng)電極”串聯(lián)設(shè)計(jì)可以有效地解決表面弧的問題。不過,與如前所述的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(jìn)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(fù)雜。組裝電路板類似涂層的應(yīng)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(huì)不利于最終用戶最后組裝期間的進(jìn)一步焊接。為了克服這些缺點(diǎn),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(huì)像串聯(lián)設(shè)計(jì)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(huì)增加超過300%,有助于實(shí)現(xiàn)較高的容量和使電容器進(jìn)一步小型化。HVArc Guard MLCC的橫截面如圖3所示。



在HVArc Guard設(shè)計(jì)中,防護(hù)電極包圍著有效電極,在端點(diǎn)電荷和有效層之間形成一個(gè)屏障。得到的電場(chǎng)可以阻止端點(diǎn)到端點(diǎn)的電弧,并增加dc擊穿電壓水平。防護(hù)電極只占很小的空間,留下其余的部分給有效電極,進(jìn)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(gè)電容器,以得到更高的容量和增加符合性。盡管增加一個(gè)鷗翼型引線框會(huì)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(diǎn)的符合性,但這個(gè)歷史已經(jīng)一去不復(fù)返了。通過在環(huán)氧聚合物端點(diǎn)上加上銀,可以防止電路板彎曲時(shí)發(fā)生的故障,進(jìn)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(shè)計(jì)以及HVArc Guard電容器。當(dāng)電路板彎曲時(shí),標(biāo)準(zhǔn)電容器與相同HVArc Guard電容器的聚合物端點(diǎn)的測(cè)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(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)的±15%和±30×10-6/℃。C0G電容器也可以用更常用的術(shù)語表示,即NP0(正負(fù)零)。不過,值得注意的是,在1kHz條件下以1Vrms進(jìn)行電容測(cè)量非常重要,各種材料可以用這些名稱來描述。對(duì)許多電源應(yīng)用來說,重要的是知道在某個(gè)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(shí)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(shí)會(huì)顯著下降。這方面的一個(gè)例子如圖5所示。因此,當(dāng)采用多層電容器時(shí),設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的組合并不能在施加的DC電壓下以完全相同的方式實(shí)現(xiàn)。不同制造商任何給定電壓的可用容量一定會(huì)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(jī)械應(yīng)力。這種“壓電應(yīng)力”會(huì)導(dǎo)致電容器在z方向上若干微米的移動(dòng)。當(dāng)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(huì)導(dǎo)致應(yīng)力裂紋和故障。為了解決這個(gè)問題,應(yīng)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(shè)計(jì)采用了完全相同的有效厚度和“浮動(dòng)電極”型設(shè)計(jì)。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(yīng)用中,AC電源處理以及承受AC電壓的能力至關(guān)重要。測(cè)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(chǎng)移動(dòng)而引起發(fā)熱,而后者在這種情況下的溫度不會(huì)增加。另一個(gè)AC 能力指標(biāo)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(shí)現(xiàn)的。這種類型測(cè)試的結(jié)果可以與對(duì)1000VDC額定值的1206 X7R HVArc Guard電容器施加500Vdc/s的破壞測(cè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(cè)試HVArc Guard元件對(duì)由濕度引起的故障的易感性,對(duì)1210外殼尺寸、1000VDC額定值的MLCC樣品進(jìn)行了擊穿電壓測(cè)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(jié)果如圖8所示。盡管在85/85條件下X7R的平均擊穿電壓相當(dāng)?shù)停獵0G(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(cè)試的元件擊穿范圍均高于額定電壓。



結(jié)束語
通過采用新型材料和新的設(shè)計(jì),已經(jīng)開發(fā)出來可靠的、可表面貼裝的高壓MLCC,為電源設(shè)計(jì)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(shì)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?cè)跍?zhǔn)備本文期間做出了貢獻(xiàn),并與我進(jìn)行了有價(jià)值的討論。
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