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电容器压电效应失效的解决方案

作者:时间:2017-06-06来源:网络

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/349812.htm

高耐压、高容值的一般通过电解电容或者薄膜电容来实现,其体积一般较大。尽管经过多年的发展,高耐压、高容量的的小型化进展还是十分有限。

当前取得的进展主要在高耐压方面,但是很难同时兼顾高容量;或者是达到高容量但是电压一般小于50V.电源行业,一些应用需要高耐压、高容量的,例如在开关电源中作输入输出滤波,储能,尖峰吸收,DC-DC转换,直流阻隔,电压倍乘等等,此外,在一些应用中,尺寸和重量非常重要,需要小体积的电子元器件。

为了同时获取高耐压和高容量,业界常见的做法是依据DSCC 87106/88011和MIL-PRF-49470的规范将多个陶瓷电容器叠加在一起,这种做法占据空间较大且较重,并且价格昂贵。因此,业内一直存在着对更轻、更小的高耐压、高容量的电容器的需求。

过往技术局限

失效模式决定了设计上的局限,而多种失效模式的存在也限制了中、高耐压电容器的容值提升。有些失效模式是外在的,如机械应力或热应力导致的断裂,但同时我们也需要深入探讨内在失效模式,这在制造商的管控范围之内。

多层陶瓷电容器在设计上的限制因素,随时代的不同而发生着变化。早期多层陶瓷电容器面临的主要限制因素,是电介质材料本身的点缺陷和杂质,这些因素影响了材料的质量和纯度,如图1,从而限制了电容器内部层数的上限和每层厚度的最小值。


图1 污染瑕疵

随着电介质材料本身质量的提高和操作流程的改进,限制因素转变为电介质材料本身的强度,而该因素一旦得到了解决,我们本可以预期制造出更大更厚的电容器,而不必担心产生介质击穿或点失效,如图2.


图2 介质击穿

可是一种新的失效模式出现了,我们称之为压电应力断裂,通常指压电效应或者电致伸缩现象,如图3所示。这种失效模式迄今为止仍是多层陶瓷电容制造所面临的限制因素。它影响大多数的钛酸钡二类(Class II介质,并限制了1210以上尺寸、200V以上耐压的陶瓷电容器的容值范围)。

如图3所示,断裂通常沿着一层或两层介质层贯穿整个电容的中部。大多数的解决方案是将多个电容器通过添加引脚进行叠加,从而在给定尺寸下提高容值,但这需要消耗大量人力,花费较多成本,并会产生可靠性问题。另外的解决方案使用特殊电介质配方,但同时以牺牲介电常数作为代价,并影响最终可获得的容值大小。


图3 压电效应应力断裂失效


图4 X7R多层陶瓷电容在直流偏压下的形变

解决方案

TM是一种应对压电失效限制的独石电容解决方案。其应用的专利技术GB Pat./EP2013/061918创新性地在电容器内部加入了一层压力缓冲层,使得该电容器既可展现出多个叠加电容的性能,同时在制造和加工流程上又具备单个电容器的优点。


图5

压力缓冲层使用现成的材料系统组合,并经过标准的制造流程。压力缓冲层加在机械应力最大的一个或多个部位,从而缓解由于压电形变而带来的机械应力。依据目前为止的实验,压力缓冲层可以将多层电容器在内部分成2段、3段或4段,从而大幅缓解内部形变带来的机械应力,同时通过FlexiCap柔性端头技术释放端头上的机械应力,这样我们就不需要将多个电容器进行叠加了,我们也就不需要再给电容器组装引脚,从而方便标准化的卷带包装以及自动化贴装。


“海绵”状压力缓冲层的截面(SEM显微图)

小型化

在大幅提高容值的同时,TM可实现元件尺寸的显着缩小。以下图片直观地展现了StackiCapTM的优越性。


图7显示了已经研发的StackiCapTM的各规格产品尺寸:1812,2220,2225和3640.图8显示了最多5颗电容叠加的引脚电容组件,单个电容尺寸为2225,3640,5550和8060.图9和图10显示了单个StackiCapTM电容器所能取代的电容组件。一个极端的例子是8060,1kV,470nF的电容如今可被单颗2220,1kV,470nF的StackiCapTM替代;3640,1kV,180nF的电容如今可被单颗1812,1kV,180nF的StackiCapTM替代,体积分别缩小到原来的1/10和1/7.


图7 尺寸从1812到3640的StackiCap


图8 五颗电容堆叠的电容组件最大尺寸8060


图9 一个2220 500v StackiCap 和三个2225 500v 堆叠电容对比


图10

可靠性测试认证

StackiCap已通过如下可靠性测试:

(1)寿命测试。StackiCap系列电容在125℃,1倍或1.5倍的额定电压下持续工作1000小时。

(2)85/85测试。StackiCap系列电容在85℃/85%RH条件下持续工作168小时。

(3)。StackiCap系列电容被安装在Syfer/Knowles的测试用PCB上进行,以评估元件的机械性能



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