Kondensatory do zadań specjalnych

Jednym z obecnie popularniejszych typów tych podzespołów biernych są wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (Multilayer Ceramic Capacitor, MLCC). Dzięki systematycznemu postępowi w zakresie materiałów, konstrukcji oraz technik produkcji ich parametry elektryczne oraz wytrzymałościowe poprawiają się, a rozmiary zmniejszają.

Sprawia to, że zakres zastosowań kondensatorów MLCC jest bardzo szeroki, obejmując elektronikę użytkową, jak i urządzenia specjalistyczne m.in. w medycynie, telekomunikacji, lotnictwie, branży wydobywczej, a nawet w przemyśle kosmicznym. Niektóre z nich mają specyficzne wymagania, sprawiające, że w konstrukcjach kondensatorów muszą być stosowane specjalne rozwiązania.

Przykładem są urządzenia medyczne. W ich przypadku ważne są materiały, z których wykonane są kondensatory. Uwagę powinno się zwrócić szczególnie na ich właściwości magnetyczne.

Kondensatory z materiałów niemagnetycznych

 

Rys. 1. Naprężenia wywołane montażem PCB

Materiały, które wykazują właściwości magnetyczne, mogą bowiem zakłócać działanie na przykład takich sprzętów specjalistycznych, jak skanery do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego oraz innych używanych w diagnostyce, ratowaniu i podtrzymywaniu życia pacjentów, w tym tych wszczepianych, na przykład rozruszników serca.

Kondensatory, które są ich częścią, muszą w związku z tym być wykonane z materiałów niemagnetycznych. Oprócz sprzętów medycznych to ograniczenie ze względu na niepożądane, groźne zakłócenia może również dotyczyć podzespołów, które są częścią sprzętów wojskowych, urządzeń telekomunikacyjnych oraz wyposażenia samolotów.

Przykładowymi materiałami wyprowadzeń kondensatorów MLCC są: nikiel, stop srebra z palladem i miedź. Niestety pierwszy z tych metali jest ferromagnetykiem. To dyskwalifikuje nikiel w przypadku podzespołów do zastosowań medycznych. Dlatego wyprowadzenia kondensatorów tego typu do czasu wprowadzenia w życie wytycznych dyrektywy RoHS przeważnie były wykonywane ze stopów srebro-palladowych.

Dlaczego stopy AgPd są wykluczone?

Pozostanie w zgodności z tym unijnym zarządzeniem wymaga bowiem stosowania bezołowiowych stopów lutowniczych, te natomiast charakteryzuje wyższa temperatura topnienia niż stopy lutownicze na bazie ołowiu. Dlatego większa jest również temperatura lutowania. Z tego powodu niestety w przypadku wyprowadzeń ze stopu srebra z palladem występuje poważny problem.

Polega on na tym, że metal ten, wchodząc w kontakt z ciekłym lutowiem, ulega w nim rozpuszczeniu. To natomiast powoduje jego wymywanie (solder leaching). W rezultacie, pomimo że stop srebra z palladem nie wykazuje właściwości magnetycznych, nie nadaje się podobnie jak nikiel.

Trzeciego z wymienionych metali nie dotyczy problem wymywania przez spoiwo lutownicze ani nie charakteryzują go właściwości magnetyczne. Dlatego to właśnie z miedzi, przeważnie pokrytej powłoką z cyny lub posrebrzanej, są wykonywane wyprowadzenia w kondensatorach MLCC do urządzeń medycznych.

Skutki dużych strat

W obwodach urządzeń wykorzystujących fale radiowe dużej mocy, takich jak na przykład sprzęt telekomunikacyjny, cewki skanerów do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego, lasery, sprzęt wojskowy oraz generatory plazmy, ważnym parametrem kondensatorów jest ich dobroć (Q). Parametr ten charakteryzuje tempo, w jakim tracona jest zgromadzona w nich energia. Im jest większa, tym wolniej ten niepożądany proces zachodzi.

Tracona energia jest rozpraszana w postaci ciepła. W obwodach dużej mocy wydzielają się w związku z tym jego duże ilości, powodując silne nagrzewanie. W razie nadmiernego wzrostu temperatury kondensator może ulec zniszczeniu, podobnie jak sąsiednie podzespoły, a nawet połączenia lutowane. W obwodach małej mocy jest to zazwyczaj mniej dokuczliwe, chociaż ponieważ straty energii przy większych częstotliwościach wzrastają, również może to mieć negatywne konsekwencje.

Kondensatory high Q

Aby ograniczyć straty w kondensatorach przeznaczonych do zastosowań wymienionych na początku poprzedniego akapitu (opisywanych w zależności od producenta różnymi nazwami, na przykład: high Q, low loss, RF capacitors), dąży się do zmniejszania wartości parametru ESR (Equivalent Series Resistance), czyli ich zastępczej rezystancji szeregowej. Im jest niższa, tym większa jest dobroć. Przynosi to poza tym dodatkową korzyść, pozwalając na zmniejszenie szumów termicznych pogarszających stosunek sygnału do szumu.

Wartość ESR zależy od strat w dielektryku oraz w rezystancji metalowych elektrod i wyprowadzeń kondensatora. W zakresie częstotliwości radiowych wartość zastępczej rezystancji szeregowej zależy głównie od tego drugiego składnika. Zwiększanie się strat w metalu w zakresie wyższych częstotliwości jest spowodowane przede wszystkim zjawiskiem naskórkowości. Natomiast w niższych częstotliwościach największy wkład w ESR wnoszą straty w dielektryku kondensatora.

Obniżenie wartości zastępczej rezystancji szeregowej w kondensatorach typu high Q osiąga się, wykonując je z niskostratnych materiałów. Na przykład większość tanich kondensatorów do niewymagających zastosowań wykorzystuje elektrody niklowe. Metal ten jest jednak dość słabym przewodnikiem. Alternatywę o lepszych właściwościach pod tym względem stanowią elektrody wykonane ze srebra albo z miedzi.

Kondensatory o odwróconej geometrii

Oprócz zastępczej rezystancji szeregowej na schemacie kondensatora uwzględniającym jego parametry pasożytnicze wyróżnia się też zastępczą indukcyjność szeregową (Equivalent Series Inductance, ESL). ESL charakteryzuje szybkość, z jaką energia, która jest zgromadzona w naładowanym kondensatorze, jest przekazywana do obciążenia podczas jego rozładowywania się. W ogromnym stopniu zależy ona od rozmiarów pętli prądowej - im jest ona mniejsza, tym mniejszą wartość ma ESL.

Jednym ze skuteczniejszych sposobów na ograniczenie zastępczej indukcyjności szeregowej, a tym samym przyspieszenie procesu przekazywania energii, jest zmiana orientacji kondensatora. Dzięki temu skraca się drogę, którą przepływa przez niego prąd.

W tym celu wyprowadzenia kondensatorów MLCC w obudowach SMD umieszczane są wzdłuż dłuższych boków zamiast, jak w przypadku standardowo wykonanych obudów do montażu powierzchniowego, na ich krótszych bokach. W efekcie pasożytnicza indukcyjność wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych tego typu (Reverse Geometry Capacitors, RGC) bywa nawet o 60% mniejsza niż "zwykłych" kondensatorów MLCC.

Kondensatory o odwróconej geometrii dodatkowo charakteryzuje niższa zastępcza rezystancja szeregowa. Pełnią one przeważnie funkcję elementów odsprzęgających.

Elastyczne wyprowadzenia

Kondensatory MLCC często ulegają zniszczeniu na skutek nadmiernych naprężeń, które powstają, gdy płytka drukowana wygina się pod wpływem wibracji albo zmian temperatury (rys. 1). Aby temu zapobiec, m.in. stosowane są elastyczne wyprowadzenia.

Wykonuje się je w postaci epoksydowej warstwy przewodzącej, która jest umieszczana pomiędzy warstwami metalu w standardowych wyprowadzeniach kondensatorów. Dzięki temu uzyskiwana jest giętkość połączenia, a równocześnie zachowywane są jego: lutowność, parametry elektryczne oraz wytrzymałościowe.

Dostępne są również wielowarstwowe kondensatory ceramiczne budowane w taki sposób, by wewnętrzne pęknięcia powstające na skutek wygięcia płytki drukowanej nie przenosiły się na przeciwległe elektrody, prowadząc do zwarcia. Dzięki temu, mimo że w takim przypadku może zmienić się nieco pojemność kondensatora, wciąż będzie on spełniać swoją funkcję.

Kondensatory z elastycznymi wyprowadzeniami sprawdzają się w ciężkich warunkach pracy. O takie nietrudno jest m.in. w przemyśle naft owym, samochodach, samolotach.

Nowe technologie i rozwiązania napędzają miniaturyzację

 

Rys. 2. Konstrukcja kondensatora MLCC

Do miniaturyzacji podzespołów elektronicznych dąży się z kilku powodów. Dzięki niej na takiej samej powierzchni płytki drukowanej można zmieścić większą liczbę mniejszych komponentów niż tych o większych rozmiarach. To umożliwia rozszerzenie funkcjonalności urządzenia.

Poza tym mniejsze podzespoły pozwalają konstruować kompaktowe urządzenia, a jednocześnie lżejsze. To ostatnie w przypadku elektroniki użytkowej, szczególnie urządzeń mobilnych oraz elektroniki noszonej, pozytywnie wpływa na komfort korzystania z nich. Lżejsze podzespoły sprzyjają także postępowi w zakresie nowinek technologicznych, takich jak drony, urządzeń specjalistycznych, na przykład satelitów (koszt wyniesienia kilograma ładunku w przestrzeń kosmiczną liczony jest w dziesiątkach tysięcy dolarów) i wyposażenia samolotów.

Wśród procesów technologicznych, które odegrały znaczącą rolę w zakresie miniaturyzacji kondensatorów, wymienić należy fotolitografię. Zapewnia ona dokładność i powtarzalność wykonania oraz małą tolerancję wymiarów.

Oprócz bezpośredniego zmniejszania rozmiarów stosowane są także różne rozwiązania w zakresie zmniejszenia powierzchni na płytce drukowanej zajmowanej przez dany element. Przykładem jest rozmieszczenie wyprowadzeń wewnątrz obudowy w taki sposób, by łącząc się z tymi na zewnątrz, nie wychodziły poza nią, ale pod nią. Taka pozornie niewielka zmiana zapewnia oszczędność, która w przypadku dużej liczby podzespołów pozwala na znaczące zwiększenie gęstości upakowania PCB.

Monika Jaworowska