Samsung ELECTRO-MECHANICS (SEMCO), uno dei leader mondiali nella componentistica passiva, offre una vasta gamma di condensatori ceramici multistrato (MLCC). Oltre al tradizionale mercato delle telecomunicazioni, dell'industria e dell'elettronica di consumo, Samsung si è affermata nell'industria automobilistica dove sono richieste prestazioni di "difetti zero". Per questo settore esigente, SEMCO fornisce MLCC qualificati AECQ-200, che hanno superato rigorosi test e possono essere integrati in tutte le parti di un veicolo (infotainment, airbag, sistema frenante, sistema di trasmissione, batteria, carrozzeria e telaio, ecc.)
I condensatori ceramici multistrato, o MLCC, si presentano sotto forma di blocchi con una specifica quantità di strati ceramici sovrapposti. E se da un lato questa struttura sembra semplice, dall'altro richiede una serie di operazioni complesse, oltre a tecniche e materiali avanzati, per soddisfare il mercato sempre più esigente in termini di qualità e prestazioni. In questa prima parte, ci concentreremo sulle fasi essenziali del ciclo di produzione dell'MLCC.
Creazione del lotto
La prima fase, detta lotto, consiste nella preparazione della materia prima per la produzione dei componenti. Il fango viene miscelato con polvere di ceramica, legante e solvente. In questa fase, le ceramiche sono prodotte internamente da Samsung. Ciò dà a Samsung il pieno controllo del processo di produzione e della qualità. Permette inoltre a Samsung di ottenere capacità di alto valore. Il fango viene poi rivestito su una pellicola per ottenere un foglio di ceramica sottile e uniforme. Su questo foglio di ceramica sono stampati elettrodi interni a forma di pasta di nichel metallico. Le strisce di nichel vengono poi impilate in modo da ottenere il componente multistrato. Gli elettrodi si depositano per il numero di strati sovrapposti e il tipo di dielettrico utilizzato definisce il valore della capacità del componente fabbricato. Gli strati impilati vengono poi tagliati per ottenere la forma di truciolo desiderata. Dopo diverse fasi aggiuntive (laminazione, cottura, battitura), viene applicata la sinterizzazione per garantire una buona conducibilità tra gli elettrodi interni ed esterni. Infine, ogni terminale del componente viene immerso nel rame per formare gli elettrodi esterni.
Fino a questo momento, il ciclo di produzione MLCC è descritto come un processo più o meno standard. La differenza nei processi tra i metodi Samsung e quelli convenzionali è che Samsung fornisce maggiore sicurezza e affidabilità al componente proteggendo la fragile ceramica dal rischio di frattura. Infatti, tutti i componenti sono immersi una seconda volta in resina epossidica e rame. Applicando questa fase, Samsung previene i rischi potenziali come le fratture causate da sollecitazioni meccaniche e shock termici sul circuito stampato. Infine, per proteggere il componente dall'ossidazione e per migliorarne la saldabilità, sul condensatore viene rivestita una placcatura in nichel e stagno.
MLCC terminati in metallo morbido: standard per tutti gli MLCC di classe II SEMCO per il settore automobilistico: Serie PN
I condensatori in ceramica multistrato possono rompersi quando sono soggetti a un'eccessiva flessione del circuito stampato (PCB), quando sono sottoposti a shock termico o durante una manipolazione errata. Per far fronte a questa eccessiva flessione, SEMCO applica una resina epossidica e rame-metallo alle terminazioni esterne di tutti i suoi MLCC di classe II per autoveicoli. Questa terminazione flessibile impedisce il trasferimento delle sollecitazioni meccaniche dalla scheda al componente ceramico, attenuando le rotture da flessione. Così, SEMCO garantisce una resistenza alla flessione fino a 3 mm per i suoi MLCC serie PN standard.
MLCC generale per settore automotive, serie PN
A causa della grande quantità di energia immagazzinata dai condensatori, un cortocircuito interno può causare grandi aumenti di temperatura che possono comportare esplosioni. Questo può non solo distruggere il componente e cancellare qualsiasi fonte di prova, ma può anche danneggiare i componenti circostanti, il circuito stampato, i gruppi di circuiti adiacenti e, in casi estremi, causare incendi [1]. In che modo la terminazione flessibile può impedire che si verifichino cricche e quindi cortocircuiti? Ci sono applicazioni nel veicolo che sono più a rischio di altre? Per rispondere a queste domande, le case automobilistiche hanno creato i propri standard di qualità e sicurezza. Tra gli standard sviluppati dai costruttori di automobili, come il gruppo Volkswagen, c'è una strategia di sicurezza integrata, chiamata anche "Strategia Failsafe" con la creazione dello standard VW 80808.
MLCC con sicurezza intrinseca
A differenza degli MLCC ordinari, gli MLCC a terminazione morbida prevengono i cortocircuiti all'interno del chip riducendo le sollecitazioni meccaniche interne che provocano gravi deformazioni del circuito stampato.
Tuttavia, i MLCC standard per il settore automobilistico sono in grado di garantire la sicurezza richiesta?
La resistenza alla flessione garantita da SEMCO (3 mm) soddisfa certamente i requisiti delle applicazioni automobilistiche ed è addirittura superiore allo standard applicato sul mercato (2 mm per prodotti comparabili); tuttavia, non è sufficiente per essere integrata in applicazioni che richiedono una sicurezza più stringente. Per questo motivo la norma VW 80808 richiede test più severi di quelli richiesti dalla norma AEC-Q200. Lo standard VW classifica anche le applicazioni in base al grado di sicurezza richiesto.
Secondo la norma VW 80808, qualsiasi potenziale di cortocircuito che possa causare una perdita di alimentazione superiore a 2,5 W, in particolare per gli MLCC posti direttamente alla tensione della batteria (morsetti 15, 30) o per gli MLCC che possono alterare in modo significativo il funzionamento del sistema in caso di guasto, deve essere applicata la politica di sicurezza.
La prima opzione è quella di posizionare i condensatori in serie e in modo ortogonale. Questa soluzione può essere implementata indipendentemente dal valore della tensione dell'impianto elettrico. Questa serie di condensatori resiste al corto circuito ponendo, in serie, due condensatori in un unico componente. Di conseguenza, un MLCC agisce come condensatore di riserva nel caso in cui uno dei due componenti sia danneggiato.
Per quanto riguarda la tensione di 12 V, vengono proposte altre soluzioni. Queste soluzioni sono applicabili solo con la terminazione metallica flessibile.
Funzione a sicurezza intrinseca con struttura in serie: Serie XP
Seguendo lo stesso principio della soluzione precedente, questo concetto di condensatore multistrato a doppia sicurezza in serie viene anche chiamato il concetto di elettrodi flottanti o flexisafe. Gli elettrodi all'interno del componente vengono accorciati e i controelettrodi sullo strato superiore diventano elettrodi galleggianti senza connessione conduttiva alla terminazione. Nel caso di un taglio nella zona di collegamento della ceramica, non è possibile stabilire un collegamento elettrico con il controelettrodo. Pertanto, un taglio non porta ad un cortocircuito del condensatore, ma provoca invece una variazione del valore della capacità. Questo valore rimane comunque limitato a causa della ridotta superficie attiva.
MLCC con progettazione in serie: Serie XP
Design a modalità aperta: Serie WP
La serie WP è progettata in modo tale che gli elettrodi interni siano accorciati e incorporati nel componente. In caso di rottura, nella zona a rischio sono collegati solo elettrodi dello stesso potenziale, riducendo così al minimo la probabilità di un corto circuito. Ma poiché l'area attiva è ridotta, la capacità disponibile è relativamente limitata.
MLCC con design a modalità aperta: Serie WP
MLCC a terminazione morbida con maggiore resistenza alla flessione 5mm: Serie PJ
Per quelle applicazioni che richiedono una sicurezza ancora più severa e dove il rischio è maggiore, gli MLCC a terminazione morbida della serie PJ garantiscono una resistenza alla flessione fino a 5 mm.
Il termine "terminazione morbida" è generalmente associato a una forza di flessione equivalente a 5 mm. SEMCO, invece, distingue due serie diverse, cioè la serie PN (3mm) e la serie PJ (5mm).
MLCC a terminazione morbida, Serie PJ
I MLCC della serie PJ devono superare le prove termiche e meccaniche estreme di VW 80808 [2].
Oltre a una migliore resilienza meccanica e alla capacità di essere utilizzata in applicazioni ad alto rischio, la serie PJ ha anche altri vantaggi rispetto alla serie PN. Per i valori di piccola e media capacità, ulteriori strati dello stesso potenziale sono posizionati in alto e in basso. Questo riduce il rischio di corto circuito e fornisce una migliore stabilità meccanica per l'intera struttura del componente.
Tendenza del mercato automobilistico e raccomandazione di Samsung
La mobilità del futuro è elettrificata, autonoma, condivisa, collegata e regolarmente aggiornata [3]. Ciò richiede un numero molto elevato di condensatori e allo stesso tempo richiede condensatori ad alte prestazioni. Per soddisfare tutte queste applicazioni è particolarmente necessario un numero sempre maggiore di centraline elettroniche (ECU). Le case automobilistiche devono quindi collocare un numero crescente di componenti nello stesso spazio del veicolo. Di conseguenza, la tendenza dominante nell'industria automobilistica è la richiesta di piccoli condensatori con valori di capacità elevati. Ciò richiede un preciso know-how nella tecnica di produzione, compresa la produzione di una polvere ceramica fine necessaria per questo tipo di condensatori. Samsung è uno dei pochi produttori sul mercato in grado di eseguire questa tecnica.
Pertanto, Samsung raccomanda la miniaturizzazione dei condensatori, non solo per contrastare i problemi di spazio, ma anche perché i piccoli condensatori si adattano perfettamente alla struttura di terminazione flessibile. Il raggiungimento di una struttura a strato più sottile diventa meno difficile con la polvere di ceramica fine.
In generale, Samsung supporta i propri clienti nella scelta dei prodotti, mentre Arrow fornisce uno strumento per trovare e vendere i prodotti Samsung.
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INFORMAZIONI SUI PRODOTTI ELETTROMECCANICI SAMSUNG
Mokhtar Marzouk: Ingegnere applicativo presso Samsung ELECTRO-MECHANICS dal giugno 2019. Attualmente è responsabile dello sviluppo tecnico e commerciale dei componenti passivi nella regione EMEA. Dirige inoltre le attività di approvazione presso i principali clienti Automotive Tier1 dell'area EMEA.
Ha conseguito un Master in Ingegneria Elettrica, Elettronica e Tecnologia dell'Informazione presso l'Università di Erlangen-Norimberga in Germania.
Fonti:
[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, appendice A “Qualification of MLCCs with soft termination
[3] Five trends transforming the Automotive Industry, PWC
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