高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案

上网时间: 2015年11月05日? 作者:Syfer/Knowles 应用工程部(英国)? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:独石电容器? 压电效应? 电容器?

在电源行业,一些应用需要高耐压、高容量的电容器,例如在开关电源中作输入输出滤波,储能,尖峰吸收,DC-DC转换,直流阻隔,电压倍乘等等,此外,在一些应用中,尺寸和重量非常重要,需要小体积的电子元器件

高耐压、高容值的电容器一般通过电解电容或者薄膜电容来实现,其体积一般较大。尽管经过多年的发展,高耐压、高容量的电容器的小型化进展还是十分有限。当前取得的进展主要在高耐压方面,但是很难同时兼顾高容量;或者是达到高容量但是电压一般小于50V。

为了同时获取高耐压和高容量,业界常见的做法是依据DSCC 87106/88011和MIL-PRF-49470的规范将多个陶瓷电容器叠加在一起,这种做法占据空间较大且较重,并且价格昂贵。因此,业内一直存在着对更轻、更小的高耐压、高容量的电容器的需求。

过往技术局限

高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案_《国际电子商情》_1

高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案_《国际电子商情》_2

高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案_《国际电子商情》_3

失效模式决定了设计上的局限,而多种失效模式的存在也限制了中、高耐压电容器的容值提升。

有些失效模式是外在的,如机械应力或热应力导致的断裂,但同时我们也需要深入探讨内在失效模式,这在制造商的管控范围之内。

多层陶瓷电容器在设计上的限制因素,随时代的不同而发生着变化。早期多层陶瓷电容器面临的主要限制因素,是电介质材料本身的点缺陷和杂质,这些因素影响了材料的质量和纯度,如图1,从而限制了电容器内部层数的上限和每层厚度的最小值。

随着电介质材料本身质量的提高和操作流程的改进,限制因素转变为电介质材料本身的强度,而该因素一旦得到了解决,我们本可以预期制造出更大更厚的电容器,而不必担心产生介质击穿或点失效,如图2。

可是一种新的失效模式出现了,我们称之为压电应力断裂,通常指压电效应或者电致伸缩现象,如图4所示。这种失效模式迄今为止仍是多层陶瓷电容制造所面临的限制因素。它影响大多数的钛酸钡二类(Class II介质,并限制了1210以上尺寸、200V以上耐压的陶瓷电容器的容值范围)。

如图3所示,断裂通常沿着一层或两层介质层贯穿整个电容的中部。大多数的解决方案是将多个电容器通过添加引脚进行叠加,从而在给定尺寸下提高容值,但这需要消耗大量人力,花费较多成本,并会产生可靠性问题。另外的解决方案使用特殊电介质配方,但同时以牺牲介电常数作为代价,并影响最终可获得的容值大小。

高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案_《国际电子商情》_4

图4. X7R多层陶瓷电容在直流偏压下的形变

解决方案

StackiCapTM是一种应对压电失效限制的独石电容解决方案。其应用的专利技术GB Pat./EP2013/061918创新性地在电容器内部加入了一层压力缓冲层,使得该电容器既可展现出多个叠加电容的性能,同时在制造和加工流程上又具备单个电容器的优点。

高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案_《国际电子商情》_5

压力缓冲层使用现成的材料系统组合,并经过标准的制造流程。压力缓冲层加在机械应力最大的一个或多个部位,从而缓解由于压电形变而带来的机械应力。依据目前为止的实验,压力缓冲层可以将多层电容器在内部分成2段、3段或4段,从而大幅缓解内部形变带来的机械应力,同时通过FlexiCapTM柔性端头技术释放端头上的机械应力,这样我们就不需要将多个电容器进行叠加了,我们也就不需要再给电容器组装引脚,从而方便标准化的卷带包装以及自动化贴装。

高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案_《国际电子商情》_6

图6. SEM显微图:“海绵”状压力缓冲层的截面

小型化

在大幅提高容值的同时,StackiCapTM可实现元件尺寸的显著缩小。以下图片直观地展现了StackiCapTM的优越性。

高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案_《国际电子商情》_7

高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案_《国际电子商情》_8

图7显示了已经研发的StackiCapTM的各规格产品尺寸:1812,2220,2225和3640。后续研发的5550和8060在此未作图示。图8显示了最多5颗电容叠加的引脚电容组件,单个电容尺寸为2225,3640,5550和8060。图9和图10显示了单个StackiCapTM电容器所能取代的电容组件。一个极端的例子是8060,1kV,470nF的电容如今可被单颗2220,1kV,470nF的StackiCapTM替代;3640,1kV,180nF的电容如今可被单颗1812,1kV,180nF的StackiCapTM替代,体积分别缩小到原来的1/10和1/7。

高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案_《国际电子商情》_9

高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案_《国际电子商情》_10

产品系列范围(持续开发中…)

StackiCapTM与普通电容对比表

高耐压、高容量、小尺寸的独石电容器StackiCapTM——应对压电效应失效的电容器解决方案_《国际电子商情》_11

可靠性测试认证

StackiCapTM已通过如下可靠性测试:

(1) 寿命测试。StackiCapTM系列电容在125℃,1倍或1.5倍的额定电压下持续工作1000小时。

(2) 85/85测试。StackiCapTM系列电容在85℃/85%RH条件下持续工作168小时。

(3) 弯板测试。StackiCapTM系列电容被安装在Syfer/Knowles的测试用PCB上进行弯板测试,以评估元件的机械性能。

截至本文发表时间,StackiCapTM系列电容已累计了超过2,000,000小时的可靠性测试时间。

针对1812和2220尺寸电容的AEC-Q200 Rev D认证在同步进行中。

标签 电容??

[ 投票数:? ] 收藏 ??? 打印版 ??? 推荐给同仁 ??? 发送查询 ??? ?订阅杂志

评论
免费订阅资讯速递
信息速递-请选择您感兴趣的技术领域:
  • 安防监控
  • 便携设备
  • 消费电子
  • 通信与网络
  • 分销与服务
  • 制造与测试
  • 工业与医疗
  • 汽车电子
  • 计算机与OA
  • 电源管理
  • 无源器件与模组
  • 新能源
  • 供应链管理
论坛速递
相关信息
  • 什么是电容器
  • 电容器简称为电容,用字母C表示。电容器通常有两种定义:
    (1) 电容器,顾名思义,是‘装电的容器’,是一种容纳电荷的器件。英文名称:capacitor。电容是电子设备中大量使用的电子元件之一,广泛应用于电路中的隔直通交,耦合,旁路,滤波,调谐回路,能量转换,控制等方面。
    (2) 任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体(包括导线)间都构成一个电容器。

  • 什么是独石电容器?
  • 国际电子商情提供相关独石电容器技术文章及相关独石电容器新闻趋势,及更新最新相关独石电容器电子产品技术

  • 什么是压电效应?
  • 国际电子商情提供相关压电效应技术文章及相关压电效应新闻趋势,及更新最新相关压电效应电子产品技术

?新浪微博推荐
Global Sources


编辑推荐
?大家正在说


打开微信“扫一扫”,打开网页后点击屏幕右上角分享按钮

1.扫描左侧二维码
2.点击右上角的分享按钮
3.选择分享给朋友
电子元器件数据手册下载
数据手册搜索

Datasheets China.com

《汽车电子特刊》

汽车电子系统在现代的汽车中占有的比重越来越高,对产品设计的工程师来说,产品的设计和验证面临着很多的挑战。本期《汽车电子特刊》将会向您呈现ADI技术对于汽车电子行业的应用等,还有IIC汽车电子论坛的精彩回顾哦!

扫一扫,关注最新资讯

esmc