- MLCC技術(shù)的新進(jìn)展
- 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。它們在減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(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(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(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。這種類型測試的結(jié)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(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(jìn)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(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)?，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(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(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。
