Samsung Electro-Mechanics (SEMCO), un des leaders mondiaux de composants passifs propose une large gamme de condensateurs céramiques multicouches (MLCC). En plus de son marché traditionnel des télécoms, de l’industrie et de l’électronique grand public, Samsung s’impose dans l’industrie automobile où le zéro défaut est requis. Pour cette industrie exigeante, SEMCO met à disposition des MLCC qualifiés AECQ-200, ayant subi avec succès les tests les plus sévères et qui peuvent s’intégrer dans toutes les parties d’un véhicule (infos-divertissement, airbag, système de freinage, système de transmission, Batterie…).
Les condensateurs céramiques multicouches (CCM ou MLCC en anglais) se présentent sous forme de blocs composés de plusieurs couches de céramiques empilées. Cette structure simple en apparence exige une cascade d’opérations complexes utilisant des techniques et des matériaux de pointe pour satisfaire un marché de plus en plus exigeant en matière de qualité et de performance. Dans cette première partie, nous allons mettre l’accent sur les phases essentielles du cycle de fabrication des MLCC.
La 1ère phase consiste à préparer la matière de base pour fabriquer les composants. Il s’agit d’une solution constituée par de la poudre céramique diélectrique. La céramique est fabriquée par Samsung ce qui lui permet d’assurer le contrôle total sur le processus de production et de qualité. Cela lui permet aussi d’obtenir des capacités à des valeurs élevées recherchées. Ainsi, une bande fine et uniforme de céramique est réalisée. Puis des électrodes sous forme de pâte métallique en Nickel sont alors déposées par le biais de la sérigraphie. Les bandes en Nickel sont ensuite empilées de manière à obtenir le composant multicouche. La façon de déposer ces électrodes, le nombre des couches superposées et le type de diélectrique utilisé définissent la valeur de la capacité du condensateur fabriqué. Après plusieurs étapes successives, chaque extrémité du composant est trempée dans du cuivre afin de former les électrodes externes. Un frittage est ensuite appliqué afin d’assurer une bonne conductivité entre les électrodes internes et externes.
Jusque-là, le cycle de fabrication des MLCC décrit est un procédé plus ou moins standard. SEMCO se distingue des procédés classiques en apportant plus de sécurité et de fiabilité au composant en protégeant la céramique de nature fragile d’un risque de fracturation. En effet, tous les composants sont trempés une seconde fois dans une résine d’époxy et de cuivre. Ceci empêche les fractures causées par des contraintes mécaniques et des chocs thermiques sur la carte à circuit imprimé. Enfin pour protéger le composant de l’oxydation et renforcer sa soudabilité, un placage en nickel et en étain vient revêtir le condensateur.
MLCC à terminaison métallique souple : standard pour tous les MLCC de SEMCO de grade Automobile de Classe II : Série PN
Les condensateurs céramiques multicouches peuvent être sensibles à la fissuration lorsqu’ils sont soumis à une flexion excessive de la carte de circuit imprimé (PCB), lorsqu’ils subissent un choc thermique ou bien lors de fausses manipulations. Pour faire face à ces flexions excessives, SEMCO applique une résine métallique d’époxy et cuivre sur les terminaisons externes de tous ses MLCC de grade automobile de classe II. Cette terminaison souple empêche le transfert des tensions mécaniques de la carte vers le composant en céramique, atténuant les fissures de flexion. SEMCO garantit ainsi, pour ses MLCC de la série PN standard, une résistance à la flexion jusqu’à 3 mm.
En raison de la grande quantité d'énergie stockée par les condensateurs, un court-circuit interne peut provoquer de fortes augmentations de température pouvant entraîner des explosions. Cela peut détruire non seulement le composant et effacer toute source de preuve, mais peut également endommager les composants environnants, la carte imprimée, les assemblages de cartes de circuits imprimés adjacents, et dans des cas extrêmes, provoquer des incendies [1]. À quel point la terminaison souple peut-elle empêcher les fissurations et donc les courts-circuits de se produire ? Est-ce qu’il y a des applications dans le véhicule qui sont plus sujettes à risque que d’autres ? C’est pour répondre à ces questions que les fabricants automobiles ont créé leur propre standard de qualité et norme de sécurité. Parmi les normes développées par les fabricants automobiles, nous pouvons citer comme exemple le groupe Volkswagen qui a mis en place une stratégie de sécurité intégrée ou « Failsafe strategy » en créant la norme VW 80808.
MLCC avec une sécurité intégrée
Contrairement aux condensateurs MLCC ordinaires, les MLCC à terminaison souple réduisent les tensions mécaniques à l'intérieur de la puce provoquées par une déformation importante de la carte à circuit imprimé, empêchant ainsi des défaillances de type court-circuit.
Cependant, est-ce que les MLCC de grade automobile standard peuvent garantir la sécurité exigée ?
La force de flexion garantit par SEMCO (3 mm) répond, certes, aux exigences du secteur automobile et est même supérieure à celle que nous trouvons sur le marché (2 mm pour des produits comparables) mais ne suffit pas pour garantir les applications nécessitant une sécurité intégrée. La norme VW 80808 exige pour cela des tests encore plus sévères que les tests exigés par la norme AEC-Q200. Elle classifie également les applications par degrés de sécurité.
Tout d’abord, selon la norme VW 80808, tout potentiel de court-circuit pouvant potentiellement causer une perte de puissance de plus de 2.5 W, en particulier pour les MLCC placés directement au voltage de la batterie (terminal 15, 30) ou pour les MLCC qui peuvent considérablement altérer le fonctionnement du système en cas de panne, la stratégie de sécurité doit être absolument appliquée.
La 1ère option est de placer les condensateurs d’une manière orthogonale en série. Cette solution peut être mise en place indépendamment de la valeur de la tension du système électrique. Cette série de condensateurs résiste au court-circuit en plaçant 2 condensateurs en série dans un seul composant. Ainsi un condensateur fait l’office de condensateur de secours si l’un des 2 composants est endommagé.
Pour une tension à 12 V, d’autres solutions sont proposées. Ces solutions sont seulement applicables avec la terminaison métallique souple.
Suivant le même principe que la solution précédente, ce concept de condensateur série multicouche à double sécurité s’appelle aussi le concept d’électrodes « flottantes ou flexisafe ». Les électrodes à l’intérieur du composant sont raccourcies ; les contres- électrodes qui se trouvent sur la couche au-dessus deviennent des électrodes flottantes sans connexion conductrice à la terminaison. En cas de coupure dans la zone de connexion de la céramique, aucune connexion électrique avec la contre-électrode ne peut être établie. Par conséquent, une coupure ne conduit pas à un court-circuit du condensateur, mais provoque un changement de la valeur de capacité. Cette valeur reste de toute manière limitée vu que la surface active est largement réduite.
Défaillance de circuit ouvert- Open Mode : Série WP
La série WP est conçue d’une manière à avoir les électrodes internes raccourcies et incrustées dans le composant. En cas de fissure, seulement les électrodes de même potentiel se connectent dans la zone à risques, minimisant ainsi la probabilité d'un court-circuit. Mais comme la zone active est réduite, la capacité disponible est compromise.
MLCC avec terminaison souple, « Soft Termination », résistance à la flexion de 5 mm, série PJ
Pour les applications nécessitant une sécurité encore plus stricte et où le risque est plus élevé, les condensateurs à terminaison souple de la série PJ, garantissent une force de flexion jusqu’à 5 mm.
Le terme de « soft Terminaison » (terminaison souple) est généralement associé à une force de flexion équivalente à 5 mm. SEMCO, en revanche, distingue 2 séries différentes, notamment la série PN (3 mm) et la série PJ (5 mm).
Dans la série PJ, les condensateurs doivent réussir les tests thermiques et mécaniques extrêmes de VW 80808 [2].
En plus d’une résilience mécanique plus importante et pouvant être utilisée dans les applications à haut risque, la série PJ présente aussi d’autres avantages par rapport à la série PN. Pour les valeurs de petite et moyenne capacité, des couches supplémentaires du même potentiel sont placées en haut et en bas. Cela diminue non seulement les risques de court-circuit, mais offre également une meilleure stabilité mécanique pour toute la structure du composant.
Tendance du marché Automobile et recommandation de Samsung
La mobilité du futur est électrifiée, autonome, partagée, connectée et mise à jour régulièrement [3]. Cela nécessite un nombre très important de condensateurs et exige en même temps des condensateurs à performance élevée. Pour satisfaire toutes ces applications, un nombre toujours plus croissant d’UCE (unité de commande électronique) est notamment requis. Les fabricants automobiles doivent par conséquent placer un nombre croissant de composants pour un même espace dans le véhicule. La tendance dominante dans le secteur automobile est donc l’exigence de condensateurs de petite taille avec des valeurs de capacité élevées. Ceci requiert un savoir-faire précis dans la technique de fabrication, entre autres la fabrication d’une poudre fine de céramique exigée pour ce type de condensateur. Samsung fait partie des quelques fabricants sur le marché, capable de réaliser cette technique.
SEMCO recommande ainsi la miniaturisation des condensateurs, non seulement pour contrer les problèmes d’espace, mais aussi parce que les condensateurs de petite taille s’adaptent parfaitement avec la structure de terminaison souple. L’obtention d’une structure de couches plus minces devient plus facile grâce à la fine poudre de céramique.
D’une manière générale, Samsung accompagne ses clients dans le choix des produits. Arrow met également à disposition un outil de recherche et de vente des produits Samsung:
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Mokhtar Marzouk:
Ingénieur d’application chez Samsung Electro-Mechanics depuis juin 2019. Il occupe actuellement le poste de directeur adjoint responsable du développement technique et commercial des composants passifs dans la région d’EMEA.
Il est titulaire d’un Master en Electrotechnique, électronique et technologies de l'information à l’université d’Erlangen-Nürnberg en Allemagne.
Sources:
[1] Keimasi, M., Azarian, M. H., & Pecht, M. (2007). Isothermal aging effects on flex cracking of multilayer ceramic capacitors with standard and flexible terminations. Microelectronics Reliability, 47(12), 2215‑2225. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2006.12.005
[2] VW 80808-2, appendix A “Qualification of MLCCs with soft termination
[3] Five trends transforming the Automotive Industry, PWC
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