高耐壓、高容量、小尺寸的獨(dú)石電容器StackiCapTM——應(yīng)對(duì)壓電效應(yīng)失效的電容器解決方案

在電源行業(yè)，一些應(yīng)用需要高耐壓、高容量的電容器，例如在開(kāi)關(guān)電源中作輸入輸出濾波，儲(chǔ)能，尖峰吸收，DC-DC轉(zhuǎn)換，直流阻隔，電壓倍乘等等，此外，在一些應(yīng)用中，尺寸和重量非常重要，需要小體積的電子元器件。

 

高耐壓、高容值的電容器一般通過(guò)電解電容或者薄膜電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，其體積一般較大。盡管經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，高耐壓、高容量的電容器的小型化進(jìn)展還是十分有限。當(dāng)前取得的進(jìn)展主要在高耐壓方面，但是很難同時(shí)兼顧高容量；或者是達(dá)到高容量但是電壓一般小于50V。

為了同時(shí)獲取高耐壓和高容量，業(yè)界常見(jiàn)的做法是依據(jù)DSCC 87106/88011和MIL-PRF-49470的規(guī)范將多個(gè)陶瓷電容器疊加在一起，這種做法占據(jù)空間較大且較重，并且價(jià)格昂貴。因此，業(yè)內(nèi)一直存在著對(duì)更輕、更小的高耐壓、高容量的電容器的需求。

 

過(guò)往技術(shù)局限

 

 

 

 

 

 

失效模式?jīng)Q定了設(shè)計(jì)上的局限，而多種失效模式的存在也限制了中、高耐壓電容器的容值提升。

 

有些失效模式是外在的，如機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力導(dǎo)致的斷裂，但同時(shí)我們也需要深入探討內(nèi)在失效模式，這在制造商的管控范圍之內(nèi)。

 

多層陶瓷電容器在設(shè)計(jì)上的限制因素，隨時(shí)代的不同而發(fā)生著變化。早期多層陶瓷電容器面臨的主要限制因素，是電介質(zhì)材料本身的點(diǎn)缺陷和雜質(zhì)，這些因素影響了材料的質(zhì)量和純度，如圖1，從而限制了電容器內(nèi)部層數(shù)的上限和每層厚度的最小值。

 

隨著電介質(zhì)材料本身質(zhì)量的提高和操作流程的改進(jìn)，限制因素轉(zhuǎn)變?yōu)殡娊橘|(zhì)材料本身的強(qiáng)度，而該因素一旦得到了解決，我們本可以預(yù)期制造出更大更厚的電容器，而不必?fù)?dān)心產(chǎn)生介質(zhì)擊穿或點(diǎn)失效，如圖2。

 

可是一種新的失效模式出現(xiàn)了，我們稱(chēng)之為壓電應(yīng)力斷裂，通常指壓電效應(yīng)或者電致伸縮現(xiàn)象，如圖4所示。這種失效模式迄今為止仍是多層陶瓷電容制造所面臨的限制因素。它影響大多數(shù)的鈦酸鋇二類(lèi)（Class II介質(zhì)，并限制了1210以上尺寸、200V以上耐壓的陶瓷電容器的容值范圍）。

 

如圖3所示，斷裂通常沿著一層或兩層介質(zhì)層貫穿整個(gè)電容的中部。大多數(shù)的解決方案是將多個(gè)電容器通過(guò)添加引腳進(jìn)行疊加，從而在給定尺寸下提高容值，但這需要消耗大量人力，花費(fèi)較多成本，并會(huì)產(chǎn)生可靠性問(wèn)題。另外的解決方案使用特殊電介質(zhì)配方，但同時(shí)以犧牲介電常數(shù)作為代價(jià)，并影響最終可獲得的容值大小。

 

 

 

圖4. X7R多層陶瓷電容在直流偏壓下的形變

 

解決方案

 

StackiCapTM是一種應(yīng)對(duì)壓電失效限制的獨(dú)石電容解決方案。其應(yīng)用的專(zhuān)利技術(shù)GB Pat./EP2013/061918創(chuàng)新性地在電容器內(nèi)部加入了一層壓力緩沖層，使得該電容器既可展現(xiàn)出多個(gè)疊加電容的性能，同時(shí)在制造和加工流程上又具備單個(gè)電容器的優(yōu)點(diǎn)。

 

 

 

 

壓力緩沖層使用現(xiàn)成的材料系統(tǒng)組合，并經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的制造流程。壓力緩沖層加在機(jī)械應(yīng)力最大的一個(gè)或多個(gè)部位，從而緩解由于壓電形變而帶來(lái)的機(jī)械應(yīng)力。依據(jù)目前為止的實(shí)驗(yàn)，壓力緩沖層可以將多層電容器在內(nèi)部分成2段、3段或4段，從而大幅緩解內(nèi)部形變帶來(lái)的機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)通過(guò)FlexiCapTM柔性端頭技術(shù)釋放端頭上的機(jī)械應(yīng)力，這樣我們就不需要將多個(gè)電容器進(jìn)行疊加了，我們也就不需要再給電容器組裝引腳，從而方便標(biāo)準(zhǔn)化的卷帶包裝以及自動(dòng)化貼裝。

 

 

 

圖6. SEM顯微圖：“海綿”狀壓力緩沖層的截面

 

小型化

 

在大幅提高容值的同時(shí)，StackiCapTM可實(shí)現(xiàn)元件尺寸的顯著縮小。以下圖片直觀地展現(xiàn)了StackiCapTM的優(yōu)越性。

 

 

 

 

 

 

圖7顯示了已經(jīng)研發(fā)的StackiCapTM的各規(guī)格產(chǎn)品尺寸：1812，2220，2225和3640。后續(xù)研發(fā)的5550和8060在此未作圖示。圖8顯示了最多5顆電容疊加的引腳電容組件，單個(gè)電容尺寸為2225，3640,5550和8060。圖9和圖10顯示了單個(gè)StackiCapTM電容器所能取代的電容組件。一個(gè)極端的例子是8060,1kV,470nF的電容如今可被單顆2220,1kV,470nF的StackiCapTM替代；3640,1kV,180nF的電容如今可被單顆1812,1kV,180nF的StackiCapTM替代，體積分別縮小到原來(lái)的1/10和1/7。

 

 

 

 

 

 

產(chǎn)品系列范圍（持續(xù)開(kāi)發(fā)中…）

 

StackiCapTM與普通電容對(duì)比表

 

 

 

 

可靠性測(cè)試認(rèn)證

StackiCapTM已通過(guò)如下可靠性測(cè)試：

（1） 壽命測(cè)試。StackiCapTM系列電容在125℃,1倍或1.5倍的額定電壓下持續(xù)工作1000小時(shí)。

（2） 85/85測(cè)試。StackiCapTM系列電容在85℃/85%RH條件下持續(xù)工作168小時(shí)。

（3） 彎板測(cè)試。StackiCapTM系列電容被安裝在Syfer/Knowles的測(cè)試用PCB上進(jìn)行彎板測(cè)試，以評(píng)估元件的機(jī)械性能。

截至本文發(fā)表時(shí)間，StackiCapTM系列電容已累計(jì)了超過(guò)2,000,000小時(shí)的可靠性測(cè)試時(shí)間。

針對(duì)1812和2220尺寸電容的AEC-Q200 Rev D認(rèn)證在同步進(jìn)行中。