Badania i rozwój technologii kondensatorów nakierowane są z jednej strony na poprawę parametrów, z drugiej na miniaturyzację. Dotyczy to wszystkich aspektów, czyli powierzchni zajmowanej na PCB i wysokości. Oczekiwania klientów w tym względzie są tak duże, że miniaturyzacja jest jednym z głównych obszarów konkurencji wśród dostawców. Rozwój technologii materiałów dielektrycznych pozwolił uzyskać kondensatory, które przy niewielkich rozmiarach mogą pracować z wysokimi napięciami, w wyższych częstotliwościach i bez zniekształceń w wysokich temperaturach.
W ostatnich latach zapotrzebowanie na elementy bierne rosło w praktycznie wszystkich głównych sektorach rynku elektroniki, a przede wszystkim konsumenckim, telekomunikacyjnym, motoryzacyjnym i przemysłowym. Popyt na wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) w ostatnich latach wzrastał w tempie przewyższającym możliwości produkcyjne dostawców, co wywołało nieefektywną alokację dostaw, a wojna celna pomiędzy USA i Chinami dodatkowo tylko skomplikowała sytuację na rynku. Nowymi taryfami celnymi w USA objęte zostały praktycznie wszystkie komponenty elektroniczne i na pewno znajdzie to odbicie w cenach kondensatorów w kolejnych miesiącach.
Trudności alokacyjne i rosnące ceny
Na brak podaży złożyły się różne czynniki, od problemów producentów z pozyskaniem materiałów po zwiększony popyt, jako że kolejne generacje urządzeń elektronicznych wymagają skokowo większej liczby kondensatorów. Według analiz IHS zapotrzebowanie na MLCC przekroczyło 1 trylion sztuk rocznie. W iPhone 7 liczba użytych kondensatorów MLCC to ok. 900, a już w iPhone X jest ich ponad 1000. Mimo tego, łączny koszt tych elementów to ok. 1% wartości BOM. Problemy z dostępnością potęguje fakt, że branża jest zdominowana przez niewielką grupę producentów, z czego najwięksi, czyli Murata, Samsung Electro-Mechanics i Taiyo Yuden, kontrolują ponad 60% rynku. Dodatkowo wielu dostawców koncentruje się na segmencie z wyższej półki, gdzie za małe wymiary i lepsze parametry klienci skłonni są odpowiednio więcej zapłacić.
Według szacunków ponad połowa zapotrzebowania na kondensatory w Chinach, czyli największego producenta elektroniki na świecie, dotyczy zastosowań w elektronice konsumenckiej. Podobna sytuacja jest w sektorze motoryzacyjnym, gdzie ilość elektroniki montowanej w nowych modelach wymaga kondensatorów liczonych w tysiącach. Nie dziwi więc coraz większa presja na producentów, aby zwiększyć podaż i unormować sytuację na rynku. Dostawcy reagują, jednak działania te są ostrożne, a zapowiadane inwestycje w linie produkcyjne są przez wielu analityków określane jako zachowawcze. Branża chce uniknąć odwrotnej sytuacji, kiedy zmiana koniunktury na gorszą doprowadzi do zalegania produktów w magazynach.
Pewne działania są jednak nieuniknione. Samsung w połowie ubiegłego roku na pewien czas przestał przyjmować nowe zamówienia, tłumacząc to problemami z nadążeniem za bieżącymi zleceniami. W dłuższej perspektywie firma zapowiedziała zwiększenie mocy produkcyjnych, przede wszystkim elementów w większych rozmiarach (1206 i 1210). Podobnie Murata, wyznaczając sobie cel zwiększenia produkcji o 10%. Firma koncentruje się na mniejszych elementach, w wymiarze 0201 i 0402. W 2018 r. firma ogłosiła decyzję o budowie nowej fabryki kondensatorów wielowarstwowych. Inwestycja o wartości 350 mln dolarów obejmuje halę produkcyjną o powierzchni ponad 22 tys. m² i według planu ma zostać ukończona we wrześniu bieżącego roku. Powszechne jest jednak przekonanie, że decyzje te przyszły za późno.
MLCC są coraz mniejsze
Kondensatory pełnią szereg funkcji w układach elektronicznych, takich jak blokujące, odsprzęgające i filtrujące. Z uwagi na coraz większe częstotliwości pracy współczesnych urządzeń, projektanci poza podstawowymi cechami jak pojemność, dopuszczalne napięcie pracy czy rozmiar, muszą brać pod uwagę także inne parametry. Przede wszystkim chodzi o tłumienność i pasożytniczą rezystancję szeregową (ESR) i indukcyjność (ESL). Przy częstotliwościach powyżej 2,4 GHz ich wpływ na pracę elementu i wydzielanie się w nim ciepła jest szczególnie odczuwalny. Równie pożądana jest stabilna praca niezależnie od napięcia i temperatury. W aplikacjach narażonych na drgania i inne niesprzyjające warunki mechaniczne szczególnie ważna jest wytrzymałość na czynniki mechaniczne. Przykładowo, standardowe kondensatory MLCC są podatne na pęknięcia pod wpływem zginania, czego konsekwencją może być zwarcie. Dlatego w takich przypadkach stosuje się specjalne konstrukcję, jak MLCC typu otwartego lub w technologii soft termination (z elastycznymi wyprowadzeniami).
Miniaturyzacja komponentów to wyzwanie dla dostawców, jako że pociąga za sobą konieczność inwestycji w badania i rozwój w zakresie technologii, materiałów i procesu produkcyjnego. Coraz mniejsze MLCC to w dużej mierze wynik rozwoju technologii materiałów dielektrycznych i ulepszania procesu wytwarzania cienkich warstw ceramicznych. Zmniejszenie wymiarów okładek musi być skompensowane zmniejszeniem odległości pomiędzy nimi lub zwiększeniem przenikalności elektrycznej ośrodka. MLCC najczęściej składają się z zawiesiny drobno zmielonego pyłku dwutlenku tytanu lub tytanianu baru z domieszkami itru, dysprozu i magnezu, zmieszanych ze specjalnym spoiwem i uformowanych w ceramiczne błony. Grubość takich warstw jest stale zmniejszana i obecnie dochodzi do zaledwie kilku mikrometrów. Zastosowanie domieszek jest jednym z czynników, które pozwoliły na zmniejszenie wymiarów MLCC. Trend ten był dodatkowo napędzany zmieniającymi się wymaganiami aplikacji, przede wszystkim niższymi napięciami w układach elektroniki mobilnej, w zakresie 1,8-3,3 V. Niższe napięcia pracy umożliwiły producentom zastosowanie cieńszych warstw dielektryka. Dzięki tym czynnikom na przestrzeni lat dominujące wymiary MLCC zmniejszyły się z 1210 do 0402.
Innym sposobem na zmniejszenie zajmowanej powierzchni na płytce jest łączenie kilku kondensatorów w pojedynczej obudowie. Taka matryca może zawierać 2 lub 4 kondensatory w wymiarze dużo mniejszym, niż gdyby stosować kilka elementów tradycyjnych oddzielnie. Dodatkowe oszczędności miejsca wynikają z redukcji przestrzeni między elementami i końcówkami lutowniczymi.
Kondensatory polimerowe
W związku z trudnościami z kupieniem MLCC, projektanci coraz częściej sięgają po kondensatory polimerowe, które w takiej samej obudowie zapewniają lepsze parametry niż MLCC. Z kolei kondensatory tantalowe to przede wszystkim dobry stosunek pojemności do wymiarów i wysoka stabilność pracy. W porównaniu do MLCC są one mniej wrażliwe na zmiany temperatury i napięcia. Duża pojemność pozwala zastąpić jednym takim elementem kilka MLCC. Problemem jest tutaj jednak wysoka cena.
Według obserwatorów rynku, już w 2017 roku czołowi dostawcy elektroniki konsumenckiej zaczęli robić zapasy kondensatorów tantalowych, przede wszystkim z myślą o zastąpieniu nimi MLCC w produktach z wyższej półki. Od tego czasu efekt skali pozwolił zbliżyć ceny kondensatorów tantalowych do MLCC, ale w dłuższej perspektywie można się spodziewać, że inwestycje w moce produkcyjne tych drugich ponownie zwiększą te dysproporcje. Z drugiej strony, na korzyść kondensatorów tantalowych przemawiają coraz większe wymagania telefonii 5G czy elektroniki w motoryzacji. W tym wypadku chodzi nie tylko o wysoką wytrzymałość elementu, ale także redukcję rozmiarów urządzenia dzięki zastąpieniu w układzie kilku kondensatorów MLCC jednym tantalowym.
Czas na innowacje
Problemy z dostępem standardowych elementów to okazja na zaistnienie dla nowych technologii. Przykład to elementy IDC (Interdigital capacitor) produkowane przez AVX, zapewniające o 80% mniejszą ESL. Z tego powodu dobrze się sprawdzają w układach pracujących w wysokich częstotliwościach do odsprzęgania zasilania układów logicznych. Element tego typu zbudowany jest z szeregu kondensatorów zintegrowanych w jednej obudowie i połączonych równolegle, tak że w dwóch sąsiednich prąd płynie w przeciwnym kierunku. Dzięki temu indukowane pola magnetyczne w takich parach wzajemnie się wygaszają, co przekłada się na niską indukcyjność zastępczą. Kondensatory IDC dostępne są w wersji do montażu SMD, w wymiarze od 0306 i wysokości elementu poniżej 0,55 mm.
Inny produkt oferowany przez AVX to LICC (Low Inductance Ceramic Capacitor). Technologia ta jest podobna do MLCC, największą zmianą jest umiejscowienie wyprowadzeń na dłuższej krawędzi prostokątnego elementu. W ten sposób uzyskuje się zmniejszenie dystansu między wyprowadzeniami, co z kolei redukuje pole pętli prądowej i ESL o ok. 60%. Elementy te produkowane są w wymiarze od 0306 i wysokości od 0,56 mm.
Kondensatory typu LGA (Land Grid Array) mają z kolei dobry stosunek pojemności do ESL i mimo że same w sobie są większe niż MLCC, oszczędność miejsca wynika z tego, że dzięki niskiej pasożytniczej indukcyjności, jeden taki element potrafi w układzie zastąpić kilka standardowych. Elementy te dostępne są w rozmiarach od 0204 do 1206. W odróżnieniu od pozostałych technologii kondensatorów, w przypadku LGA większy rozmiar elementu przekłada się na mniejsze ESL.
Jacek Dębowski
