Samsung ELECTRO-MECHANICS (SEMCO), uno de los líderes mundiales en componentes pasivos, ofrece una amplia gama de capacitores cerámicos multicapa (MLCC). Aparte de su tradicional mercado de telecomunicaciones, industrial y de productos electrónicos de consumo, Samsung se estableció en la industria automotriz donde se requieren cero defectos. Para esta industria tan exigente, SEMCO proporciona MLCC aprobados por el estándar AECQ-200, que han sido sometidos con éxito a rigurosas pruebas y pueden integrarse en todas las partes de un vehículo (infoentretenimiento, airbag, sistema de frenos, sistema de transmisión, batería, carrocería y chasis, etc.).
Los capacitores cerámicos multicapa, o MLCC, vienen en forma de bloques con una cantidad específica de capas cerámicas superpuestas. Y aunque esta estructura parece ser simple, requiere una serie de operaciones complejas, así como técnicas y materiales avanzados, para satisfacer el mercado cada vez más exigente en cuanto a calidad y rendimiento. En esta primera parte, nos centraremos en las fases esenciales del ciclo de fabricación de los MLCC.
Creación del lote
La primera fase, llamada lote, consiste en preparar la materia prima para fabricar los componentes. La mezcla se hace con polvo de cerámica, aglutinante y disolvente. En esta etapa, Samsung fabrica la cerámica, de manera interna. Esto permite a Samsung el control total del proceso de producción y la calidad. También hace posible que Samsung obtenga capacidades de alto valor. Luego, se recubre la mezcla con una película para obtener una lámina de cerámica fina y uniforme. Los electrodos internos en forma de pasta metálica de níquel están impresos en esta hoja de cerámica. Las tiras de níquel se superponen de tal manera que se obtiene el componente multicapa. Los electrodos se depositan según el número de capas superpuestas, y el tipo de dieléctrico que se utiliza determina el valor de la capacidad del componente fabricado. Después, las capas superpuestas se cortan para obtener la forma de chip deseada. Luego de varios pasos adicionales (laminado, cocción, volteo), se aplica la sinterización para asegurar una buena conductividad entre los electrodos internos y externos. Por último, cada terminal del componente se sumerge en cobre para formar los electrodos externos.
Hasta entonces, el ciclo de fabricación del MLCC se describe como un proceso más o menos estándar. La diferencia de procesos entre el método de Samsung y el convencional es que Samsung ofrece más seguridad y confiabilidad al componente, al proteger la frágil cerámica del riesgo de fractura. De hecho, todos los componentes se sumergen por segunda vez en resina epoxi y de cobre. Al aplicar esta fase, Samsung previene riesgos potenciales como las fracturas causadas por el estrés mecánico y el choque térmico en la placa de circuito impresa. Finalmente, para proteger el componente de la oxidación y mejorar su soldabilidad, se aplica un enchapado de níquel y estaño en el capacitor.
MLCC con terminación de metal blando: estándar para todos los MLCC automotrices, clase II de SEMCO: Serie PN
Los capacitores cerámicos multicapa pueden ser susceptibles de agrietarse cuando se someten a una flexión excesiva de la placa de circuito impresa (PCB) o a un choque térmico, o durante un mal manejo. Para tratar esta flexión excesiva, SEMCO aplica una resina epoxi y de cobre metálico a las terminaciones externas de todos sus MLCC automotrices de clase II. Esta terminación flexible evita la transferencia de estrés mecánico del tablero al componente de cerámica, mediante la mitigación del agrietamiento por flexión. Así, SEMCO garantiza una resistencia a la flexión de hasta 3 mm para sus MLCC de la serie PN estándar.
MLCC automotriz general, serie PN
Debido a la gran cantidad de energía almacenada por los capacitores, un cortocircuito interno puede causar grandes aumentos de temperatura que pueden provocar explosiones. Esto no solo puede destruir el componente y borrar cualquier fuente de evidencia, sino que también puede dañar los componentes circundantes, la placa de circuito, los ensamblajes adyacentes de la placa de circuito, y en casos extremos, causar incendios [1]. ¿Qué tan bien la terminación flexible puede prevenir el agrietamiento y, por lo tanto, los cortocircuitos? ¿Hay alguna aplicación en el vehículo que sea más propensa al riesgo que otras? Para responder estas preguntas, los fabricantes de automóviles han creado sus propios estándares de calidad y seguridad. Entre los estándares desarrollados por los fabricantes de automóviles, como el grupo Volkswagen, se encuentra una estrategia de seguridad integrada, también llamada “Estrategia de seguridad contra fallas“, mediante la creación del estándar VW 80808.
MLCC de seguridad contra fallas
A diferencia de los MLCC ordinarios, los de terminación blanda evitan los cortocircuitos dentro del chip, al reducir el estrés mecánico interno que da lugar a una severa deformación de la placa de circuito.
Ahora bien, ¿los MLCC automotrices estándar son capaces de garantizar la seguridad requerida?
La resistencia a la flexión garantizada por SEMCO (3 mm), ciertamente cumple los requisitos de las aplicaciones automotrices y es, incluso, superior al estándar aplicado en el mercado (2 mm para productos similares); sin embargo, no es suficiente para integrarse en aplicaciones que requieren una seguridad más estricta. Por este motivo, el estándar VW 80808 requiere pruebas más estrictas que las exigidas por el estándar AEC-Q200. El estándar VW también clasifica las aplicaciones según los grados de seguridad requeridos.
De acuerdo con el estándar VW 80808, cualquier posibilidad de cortocircuito que pueda causar una pérdida de potencia de más de 2,5 W, en particular para los MLCC situados directamente en la tensión de la batería (terminal 15, 30) o para los MLCC que puedan alterar, de manera significativa, el funcionamiento del sistema en caso de fallo, debe aplicarse la política de seguridad.
La primera opción es colocar los capacitores en serie y de forma ortogonal. Esta solución se puede implementar independientemente del valor de la tensión del sistema eléctrico. Esta serie de capacitores resiste el cortocircuito al colocar en serie, dos capacitores en un componente. En consecuencia, un MLCC actúa como capacitor de reserva en caso de que uno de los dos componentes se dañe.
En cuanto a la tensión de 12 V, se proponen otras soluciones. Estas soluciones solo se pueden aplicar con la terminación de metal flexible.
Función de seguridad contra fallas con un diseño de estructura en serie: Serie XP
Según el mismo principio de la solución anterior, este concepto de capacitor en serie multicapa de doble seguridad también se denomina: concepto de electrodos flotantes o flexiseguros. Los electrodos en el interior del componente se acortan y los contraelectrodos de la capa superior se vuelven electrodos flotantes sin conexión conductiva en la terminación. En caso de un corte en el área de conexión de la cerámica, no se puede establecer ninguna conexión eléctrica con el contraelectrodo. Por lo tanto, un corte no provoca un cortocircuito del capacitor, sino que causa un cambio en el valor de capacitancia. Este valor permanece, en cualquier caso limitado, debido a la reducción de la superficie activa.
MLCC del diseño de la serie de modo: serie XP
Diseño de modo abierto: serie WP
La serie WP está diseñada de tal manera que los electrodos internos se acortan y se incrustan en el componente. En caso de grieta, solo los electrodos del mismo potencial se conectan en la zona de riesgo, lo que minimiza la probabilidad de un cortocircuito. Pero a medida que se reduce el área activa, la capacidad disponible es relativamente restringida.
MLCC del diseño de modo abierto: Serie WP
MLCC de terminación blanda con mayor fuerza de flexión de 5 mm: serie PJ
Para las aplicaciones que requieren una seguridad aún más estricta y en las que el riesgo es mayor, los MLCC de terminación suave de la serie PJ garantizan una resistencia a la flexión de hasta 5 mm.
El término “terminación blanda“ se asocia, por lo general, con una fuerza de flexión equivalente a 5 mm. SEMCO, por otra parte, distingue entre dos series diferentes, es decir, la serie PN (3 mm) y la serie PJ (5 mm).
MLCC de terminación blanda, Serie PJ
Los MLCC de la serie PJ deben pasar las pruebas térmicas y mecánicas extremas del estándar VW 80808 [2].
Además de una mejor resistencia mecánica y de la capacidad de utilizarse en aplicaciones de alto riesgo, la serie PJ también tiene otras ventajas sobre la serie PN. Para valores de capacidad bajos y medianos, se colocan capas adicionales del mismo potencial en la parte superior e inferior. Esto disminuye el riesgo de cortocircuito y proporciona una mejor estabilidad mecánica para toda la estructura del componente.
Tendencia del mercado automotriz y recomendación de Samsung
La movilidad del futuro es autónoma, se electrifica, se comparte, se conecta y se actualiza de forma regular [3]. Esto requiere una gran cantidad de capacitores y al mismo tiempo exige que sean de alto rendimiento. Para satisfacer todas estas aplicaciones, se requiere un número cada vez mayor de unidades de control electrónico (ECU). Por lo tanto, los fabricantes de automóviles deben instalar un número cada vez mayor de componentes en el mismo espacio del vehículo. En consecuencia, la tendencia dominante en la industria automotriz es la necesidad de capacitores pequeños con valores de alta capacitancia. Esto requiere conocimientos precisos en la técnica de fabricación, incluida la producción de un fino polvo de cerámica necesario para este tipo de capacitores. Samsung es uno de los pocos fabricantes del mercado capaz de realizar esta técnica.
Por lo tanto, Samsung recomienda la miniaturización de los capacitores, no solo para contrarrestar los problemas de espacio, sino también porque los de tamaño pequeño encajan perfectamente con la estructura de terminación flexible. Lograr una estructura de capas más delgadas se vuelve menos complicado con el polvo de cerámica fina.
En general, Samsung apoya a sus clientes a la hora de elegir los productos, mientras que Arrow proporciona una herramienta para encontrar y vender los productos de Samsung.
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SOBRE LOS PRODUCTOS DE SAMSUNG ELECTRO-MECHANICS
Mokhtar Marzouk: ingeniero de Aplicaciones en Samsung ELECTRO-MECHANICS desde junio de 2019. En la actualidad, es gerente de Desarrollo Técnico y Comercial de los componentes pasivos en la región de EMEA. También dirige los procesos de aprobación de los principales clientes del sector automotriz de primer nivel en la región de EMEA.
Tiene una maestría en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Tecnología de la Información de la Universidad de Erlangen-Nurnberg en Alemania.
Fuentes:
[1] Keimasi, M., Azarian, M. H., & Pecht, M. (2007). Efectos del desgaste isotérmico en el agrietamiento por flexión de capacitores cerámicos multicapa con terminaciones estándar y flexibles. Confiabilidad de la microelectrónica, 47(12), 2215‑2225. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2006.12.005
[2] VW 80808-2, apéndice A “Calificación de los MLCC con terminación blanda“
[3] Cinco tendencias que transforman la industria automotriz, PWC
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