Wasilios Pitharas, ingénieur en applications chez Samsung Electro-Mechanics (SEMCO), explique comment la construction d'une couche supplémentaire d'époxy-cuivre, couramment appelée terminaison douce, protège le matériau céramique interne vital d'un MLCC.
Construction d'un MLCC standard de classe II pour l'automobile
Les couches de céramique sont en général imprimées avec une pâte en nickel (électrode), puis empilées les unes sur les autres. La capacité est déterminée par le matériau céramique, la disposition de l'électrode et le nombre de couches. Une couche de cuivre est ensuite ajoutée à la terminaison, ce qui connecte les électrodes et assure une bonne conductivité. Contrairement à ceux d'autres fabricants, les MLCC SEMCO ajoutent une couche supplémentaire d'époxy-cuivre, couramment appelée terminaison douce. Cette couche supplémentaire sert de tampon contre les contraintes mécaniques et protège la céramique plus fragile contre les risques de rupture. Enfin, un placage nickel-étain est ajouté comme dernière couche extérieure afin d'éviter l'oxydation et de permettre le soudage.
Limiter les risques pour la sécurité
Pourquoi cette protection supplémentaire sous forme de terminaison douce est-elle nécessaire et que se passe-t-il si la céramique se fend ?
À mesure que la résistance d'isolement entre les couches de la terminaison douce diminue, le matériau de la céramique crée une cavité qui fait isolant. Un court-circuit entre deux couches opposées peut alors se produire. Selon la tension appliquée, cela peut entraîner une immense perte de puissance thermique, susceptible de détruire le composant et de rendre toute la carte de circuit imprimé inopérante. C'est pour cette raison que les constructeurs automobiles élaborent leurs propres normes de qualité.
Le groupe VW, par exemple, a défini la norme VW80808, qui comprend une « stratégie de résistance des MLCC aux pannes ». Cette stratégie vise à limiter les risques de sécurité mentionnés à l'aide d'une directive qui détermine quels produits utiliser pour chaque application.
Si un court-circuit provoque une perte de puissance supérieure à 2,5 W ou s'il détériore sensiblement la fonction d'un système [1], la stratégie de résistance aux pannes doit être utilisée. C'est notamment le cas lorsque la tension de la batterie (bornes 15, 30) est directement appliquée au composant.
La norme de VW offre quatre options pour cette stratégie de résistance aux pannes. Sur ces quatre options, tous les types de produits SEMCO utilisent une couche de terminaison douce et sont qualifiés selon la norme AEC-Q200. L'option numéro un peut être utilisée dans tous les systèmes électriques. Les autres options sont limitées aux systèmes électriques 12 V.
I. Connexion en série de deux condensateurs mutuellement orthogonaux
La première option, qui peut être utilisée indépendamment de la tension du système électrique, est le placement orthogonal de deux condensateurs en série. L'image 2 montre cette configuration dans un schéma de circuit simplifié.
Si l'un des deux condensateurs est mal placé en ce qui concerne les contraintes de flexion, la disposition orthogonale garantit qu'un condensateur de secours restera intact. Puisque les deux condensateurs sont connectés en série, l'isolement par rapport au potentiel de terre est conservé.
II. Condensateur en série
Un condensateur en série ou « Flexisafe » utilise le principe précédemment démontré de la connexion en série de deux condensateurs en un seul composant. Les couches opposées aux potentiels différents ne sont pas placées directement l'une au-dessus de l'autre. Elles sont connectées par une couche « flottante ».
Toutefois, la structure interne limite très fortement la valeur de capacitance. Par rapport à la solution précédente, le principe d'une connexion en série joue un rôle, de même que la réduction de la zone active.
III. Condensateur en circuit ouvert
Si une fissure se produit dans la zone « à risque » indiquée en rouge, elle est moins susceptible de provoquer un court-circuit. En effet, seules les couches ayant le même potentiel se toucheront puisque les électrodes sont plus courtes.
IV. Condensateur avec terminaison douce
L'intérêt d'utiliser un condensateur à terminaison douce est qu'il offre une plus forte résistance mécanique et qu'il permet d'utiliser au mieux les dimensions des composants disponibles. Si la structure des couches est identique à celle d'un composant standard, il n'y a pas d'écarts de performances.
Tous les condensateurs SEMCO classe II pour l'automobile sont équipés d'une terminaison douce. Dans ces conditions, pourquoi les composants standard dépourvus de terminaisons douces ne conviennent-ils pas aux applications résistantes aux pannes ? La raison est que le groupe VW n'autorise que l'utilisation d'un composant à terminaison douce, à condition encore que celui-ci ait été testé selon la norme VW 80808-2 (Annexe A « Qualification de MLCC à terminaison douce »). Cette norme oblige à exécuter plusieurs tests de résistance thermique et mécanique d'affilée. Les tests les plus critiques sont la flexion sur 5 mm (« Board Flex ») et le test de résistance à l'humidité.
Les composants automobiles standard de SEMCO sont également testés selon la norme VW80808-2, mais avec une limite de flexion de 3 mm. Celle-ci est supérieure à la norme du marché, qui est de 2 mm pour des composants comparables. Leur utilisation pour le secteur automobile est garantie, mais pas pour les applications résistantes aux pannes. Lorsqu'on parle de terminaison douce sur le marché, celle-ci est en général associée à une force de flexion de 5 mm et à la stratégie de résistance aux pannes. Ici, s'agissant de SEMCO, l'approche doit être différenciée. La gamme distincte de produits « PJ » répond à la force de flexion requise de 5 mm. La qualification selon la norme VW 80808-2 a été exécutée ici avec les critères habituels.
Pour des valeurs de capacitance faible et moyenne, des couches supplémentaires ayant le même potentiel sont placées sur le haut et le bas à l'intérieur du corps du composant. Si un MLCC se fissure, le risque de court-circuit est considérablement réduit, ce qui se traduit par une stabilité mécanique supérieure du MLCC tout entier.
Les tests de terminaison douce selon la norme VW 80808-2 ont été exécutés avec succès pour tous les composants SEMCO pour l'automobile faisant l'objet d'une promotion active.
Miniaturisation
La tendance à la miniaturisation encourage encore plus à l'utilisation de terminaisons douces. La clé pour obtenir des composants compacts et sûrs est d'utiliser à la fois une terminaison robuste et une poudre de céramique fine, ce qui permet d'amincir la structure des couches.
Questions sur les produits
Si vous souhaitez en savoir davantage sur les produits mentionnés dans cet article, veuillez contacter M. Mokhtar Marzouk à l'adresse Mokhtar.marzouk@samsung.com.
Sources :
[1] VW 80808-1: 2015-02, Page 9
[2] VW 80808-2, Annexe A « Qualifikation von MLCC mit Softterminierung »
Image 1 : MLCC SEMCO classe II pour l'automobile Samsung Electro-Mechanics (SEMCO)
Image 2 : Configuration orthogonale de deux condensateurs standard pour l'automobile Samsung Electro-Mechanics (SEMCO)
Image 3 : Condensateur en série Samsung Electro-Mechanics (SEMCO)
Image 4 : Condensateur en circuit ouvert Samsung Electro-Mechanics (SEMCO)
Image 5 : Série PJ - Flexion 5 mm Samsung Electro-Mechanics (SEMCO)
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