Redimensionarea și înlocuirea MLCC-urilor

Figura 1: Randament plachetă de siliciu în funcție de dimensiunea MLCC — Sursă imagine: Rutronik

Datorită unor componente pasive, termenele de livrare foarte lungi determină în mod repetat blocaje în producție.
O cale creativă de a suplini lipsa condensatoarelor ceramice multistrat (MLCC) este utilizarea unor dimensiuni mai mici sau înlocuirea lor cu condensatoare adecvate din tantal sau așa-numitele condensatoare hibride.

Nevoia pentru condensatoare ceramice multistrat MLCC (Multi-Layer Ceramic Capacitors) a crescut enorm în ultimii ani. Fiecare telefon inteligent are astăzi în medie de la 750 la 1000 de MLCC-uri, iar o mașină poate avea chiar 3000 – și tendința este de creștere rapidă. La Murata, de exemplu, cererea de condensatoare MLCC a crescut cu un factor de 2.5 în ultimii patru ani. Mulți producători își extind în permanență capa­citatea de producție, dar nu pot acoperi cerința în continuă creștere doar în acest mod.

Figura 2: Avantajele miniaturizării — Sursă imagine: Vishay

Un posibil remediu ar fi reducerea dimensiunilor. Se poate acest lucru, deoarece dimensiunile mai mici permit o productivitate mai mare, față de dimensiunile mai mari. Ca exemplu comparativ pentru condensatoarele MLCC cu dimensiunea 1210, de pe aceeași plachetă pot fi obținute aproximativ de 16 ori mai multe condensatoare 0402 și de 44 de ori mai multe 0201. În ceea ce privește volumul, cantitatea de producție crește cu un factor de 80 (0402) sau de 400 (0201) (Figura 1).

Figura 3: Variația impedanței funcție de frecvență — Sursă imagine: Murata

Prin urmare, este recomandabil să utilizați condensatoare MLCC de dimensiuni mai mici, cu condiția să fie disponibile combinațiile de valori necesare. Acest lucru se aplică atât în momentul dezvoltării de noi produse, dar și în cazul reproiectărilor. Astfel, capacități de producție valoroase pot fi menținute pentru realizarea de MLCC-uri de capacitate ridicată, care nu pot fi produse în dimensiuni mici și nu mai sunt blocate pentru producția de alte componente care sunt deja disponibile în dimensiuni mai mici.

Redimensionarea are alte avantaje
Și alte zone – asociate producției unui dispozitiv electronic – pot, de asemenea, beneficia de pe urma reducerii dimensiunilor componentelor. Componentele mai mici fac posibilă reducerea costurilor dincolo de prețul componentei în sine, deoarece rezultă un spațiu mai mic pentru plăcuța PCB, produsul cântărește mai puțin, necesită mai puțin aliaj de lipire și, mai ales, se reduce spațiul de stocare (Figura 2).
Pentru a exploata pe deplin potențialul, există totuși câteva aspecte de luat în considerare. Primul lucru ar fi să nu utilizăm, pur și simplu, combinațiile de valori existente, ci să examinăm cerințele reale ale aplicației și, în cele din urmă, chiar a funcției condensatoarelor MLCC.

Figura 4: — Sursă imagine: Murata

Acest lucru se aplică în special valorilor de capa­citate și tensiune, dar și valorilor de temperatură și impedanță / ESR necesare (ESR – rezistența echivalentă serie). La acestea se adaugă polari­zarea DC, în special pentru condensatoare de mare capacitate, de exemplu condensatoa­rele cu valori ale capacității situate în gama µF.
Polarizarea de curent continuu (DC Bias) este un efect care determină scăderea capacității MLCC-urilor în funcție de tensiunea continuă aplicată. Aceasta înseamnă că este necesar să se asigure că o anumită valoare C să nu scadă mai jos de un prag în timpul operării.

Figura 5: Comparație a caracteristicilor electrice — Sursă imagine: Murata

În cazul condensatoarelor MLCC de joasă capa­citate, precum condensatoarele de suprimare a interferenței din intervalul 100 nF la 16V, curba de impedanță abia diferă pentru tipurile 0603, 0402 și 0201. În general, cu cât este mai mic proiectul, cu atât sunt mai bune proprietățile de impedanță (Figura 3).
Pentru condensatoarele MLCC cu capacitate ridicată, precum condensatoarele tampon în plaja de câțiva µF, proiectele mai mici prezintă o curbă de capacitate similară în comparație cu temperatura, dar o polarizare în curent continuu mai accentuată (Figura 4). Dacă sunt utilizate valori ale capacității nominale mai mari (valoa­rea marcată pe condensator), se pot atinge va­lori potențiale reale (reziduale) chiar mai mari, în condiții reale de operare (Figura 5).
Pentru condensatoare ceramice, de exemplu acelea de 100pF și 50V, se poate observa că proprietățile electrice ale dimensiunilor 0603 și 0201 sunt aproape identice.

Alternative interesante
În general, condensatoarele MLCC ceramice sunt avantajoase acolo unde valorile ESR sunt în special importante, iar frecvențele de operare sunt mai mari. Înlocuirea economică 1:1 de ceramică cu tantal, pentru aceeași dimensiune, are sens numai pentru capacități de până la 2.2µF. În plus, opțiuni suplimentare de a îmbunătăți disponibilitatea sunt deschise pentru valori ale capacității începând de la aproximativ 10µF. Acest lucru se realizează cel mai bine prin intermediul unui înlocuitor, adică prin utilizarea altor tehnologii. Aici, se evidențiază condensatoarele tantal-polimer, împreună cu condensatoarele electrolitice aluminiu-polimer.
Cu toate acestea, trebuie să luăm în considerare și să cădem de acord asupra câtorva lucruri, în special atunci când elementele centrale sunt funcționalitatea, capacitatea sau valoarea ESR (mai bună pentru versiunile ceramice) și riplu.

Când vine vorba de înlocuirea condensatoarelor MLCC, Rutronik oferă un serviciu dedicat cu materiale și resurse extinse, de exemplu, chiar și o comparație a designului pastilelor de lipit.

Mai mult, utilizatorilor li se oferă o “Foaie de înlocuire MLCC” (MLCC Replacement Sheet), în care aceștia introduc detaliile complete legate de specificațiile condensatoarelor MLCC utilizate în proiectele lor (tensiune nominală, capacitate, dimensiune și înălțime, caracteristici de tempe­ratură etc.) precum și alte detalii legate de apli­cație (tensiunea de lucru a condensatoarelor, numărul de condensatoare MLCC conectate în paralel, curent de riplu, valoare ESR, frecvență de operare).

Pentru a lua în considerare alternative suplimentare pentru condensatoarele MLCC, valorile minime reale ale capacității, condițiile specifice de operare, precum polarizarea DC, deriva termică și efectul de îmbătrânire sunt esențiale. Dacă sunt luate în considerare, sunt șanse mari de a găsi un înlocuitor care să îndeplinească cel puțin cerințele date.

Autor: Jürgen Geier, Suport tehnic în cadrul departamentului “Condensatoare Ceramice”
Rutronik | https://www.rutronik.com