Garanta o carregamento seguro e confiável de EVs usando capacitores cerâmicos multicamadas com terminações flexíveis

Embora a quantidade de componentes eletrônicos nos veículos esteja aumentando rapidamente, o foco do setor tende a ser em sensores, unidades de controle do motor (ECUs), navegação, conectividade na cabine, áudio e sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS). À medida que os veículos elétricos (EVs) se tornam populares, os componentes eletrônicos de alta tensão e alta confiabilidade, que podem suportar mais de 800 volts e, ao mesmo tempo, atender a requisitos ambientais rigorosos, tornaram-se essenciais. Essa necessidade chega até o nível dos capacitores.

Além da conformidade com padrões, como a AEC-Q200 para resistência ao estresse, os projetistas automotivos que selecionam capacitores devem considerar muitas características físicas e elétricas, dependendo da aplicação específica. Capacitores com tolerância justa e coeficientes de temperatura estáveis são necessários para as malhas de realimentação. Em aplicações de alta frequência, a indutância em série equivalente (ESL) deve ser baixa. Em aplicações de potência, são necessários componentes com baixa resistência série equivalente (ESR) se houver previsão de altas correntes de ondulação. Para EVs, minimizar o tamanho e o peso também é importante.

Para atender a esses requisitos, agora estão disponíveis capacitores cerâmicos multicamadas (MLCCs) de montagem em superfície com certificação de segurança que atendem a várias especificações e certificações internacionais de segurança, inclusive a AEC-Q200.

Este artigo descreve a estrutura dos capacitores MLCC e o que é necessário para que os MLCCs sejam usados em EVs. Em seguida, mostra como o tamanho inerente e a eficiência volumétrica, além de recursos como a terminação FlexiCap e altas tensões de rigidez dielétrica, ajudam os MLCCs a atender aos requisitos físicos e elétricos. São fornecidos exemplos reais da Knowles Syfer.

A estrutura dos MLCCs

Os MLCCs são capacitores de montagem em superfície compostos por vários elementos capacitivos empilhados verticalmente e conectados em paralelo pelas terminações finais. Daí o termo multicamadas (Figura 1).

Figura 1: uma vista em seção transversal da estrutura de um MLCC mostra várias camadas de capacitores empilhadas em um invólucro comum. (Fonte da imagem: Knowles Syfer)

Para fazer um MLCC, as camadas do dielétrico de cerâmica são construídas usando um processo de gradeamento intercalado com eletrodos de polaridade alternada. Isso permite a criação de um número muito grande de camadas. A conexão paralela desses pares de múltiplos eletrodos positivos (+) e negativos (-) permite a fabricação de grandes valores de capacitância em um pacote relativamente pequeno.

Os eletrodos são metálicos e altamente condutores. O processo de fabricação exige que os eletrodos sejam quimicamente não reativos e tenham um alto ponto de fusão. Para isso, os capacitores MLCC da Knowles Syfer usam uma combinação de prata e paládio como eletrodos.

Os dielétricos também devem ser bons isolantes. A permissividade relativa — ou constante dielétrica (e_r) — determina a capacitância atingível para uma determinada geometria do componente. Por exemplo, os MLCCs de montagem em superfície com certificação de segurança aprimorada da Knowles Syfer vêm em duas classes de dielétricos de cerâmica. O primeiro é o C0G/NP0, um dielétrico EIA Classe 1, que tem uma permissividade entre 20 e 100, em relação à permissividade do vácuo, que tem um e_r de 0. O segundo é o X7R, um dielétrico EIA Classe 2, com um e_r entre 2000 e 3000. Para fins de comparação, o e_r da mica é 5,4 e o do filme plástico é 3. Portanto, o capacitor de cerâmica será menor para um dado valor de capacitância. A seleção do dielétrico afeta a estabilidade do capacitor em relação à temperatura, à tensão aplicada e ao tempo. Em geral, quanto maior o e_r, menos estável é o valor da capacitância.

A EIA classifica os dielétricos Classe 2 com uma classificação alfanumérica. A primeira letra identifica a temperatura mínima, o número indica a temperatura máxima e a última letra descreve a tolerância da capacitância. O dielétrico X7R representa uma temperatura mínima de -55 °C, uma temperatura máxima de +125 °C e uma tolerância de capacitância de ±15%. Os dielétricos Classe 1, como o C0G, têm uma codificação semelhante. O primeiro caractere, uma letra, fornece o valor significativo da alteração da capacitância com a temperatura em partes por milhão por grau Celsius (ppm/°C). Para o dielétrico C0G, o C representa um valor significativo de zero ppm/°C para a estabilidade da temperatura. O segundo número é o multiplicador da estabilidade da temperatura. O 0 indica um multiplicador de 10^-1. A letra final, G, define o erro de capacitância de ±30 ppm.

Os dielétricos Classe 1 oferecem maior precisão e estabilidade. Eles também apresentam perdas menores. Os dielétricos Classe 2 são menos estáveis, mas oferecem maior eficiência volumétrica, proporcionando, assim, maior capacitância por unidade de volume. Consequentemente, os capacitores MLCC de valor mais alto geralmente usam dielétricos Classe 2. Os MLCCs com certificação de segurança aprimorada da Knowles Syfer têm uma ampla faixa de capacitância, de 4,7 picofarads (pF) a 56 nanofarads (nF), dependendo da escolha do dielétrico, e tensões nominais de até 305 volts em corrente alternada (VCA).

A capacitância de um MLCC é diretamente proporcional à área de sobreposição dos eletrodos, bem como ao e_r do dielétrico de cerâmica. A capacitância é inversamente proporcional à espessura do dielétrico, enquanto a classificação de tensão é proporcional a ela. Dessa forma, há tradeoffs entre a capacitância, a classificação de tensão e o tamanho físico do capacitor.

MLCCs para EVs

Os MLCCs têm ESL e ESR relativamente baixos, o que os torna mais adequados para aplicações de alta frequência e, com uma ampla variedade de dielétricos, os valores de capacitância e a faixa de tolerância podem ser otimizados para a aplicação. Eles são componentes de montagem em superfície com invólucros muito eficientes em termos de volume, o que os ajuda a lidar com as restrições de espaço nos EVs. Eles também são altamente resistentes a transientes de tensão em comparação com os capacitores eletrolíticos de alumínio e de tântalo.

Embora os MLCCs sejam amplamente usados, se submetidos a estresse mecânico devido a vibração ou choque, podem rachar. As rachaduras deixam o dispositivo suscetível à degradação por contaminação por umidade. Os projetistas da Knowles Syfer resolveram esse problema criando as terminações FlexiCap, que oferecem maior tolerância à flexão dos componentes (Figura 2).

Figura 2: o projeto FlexiCap usa uma base de terminação de polímero epóxi flexível patenteada sob a barreira usual da capa da extremidade para oferecer maior resistência a danos devido à flexão da placa. (Fonte da imagem: Knowles Syfer)

A base de terminação flexível usada no FlexiCap é aplicada sobre os eletrodos. Esse material é um polímero epóxi com carga de prata que é aplicado usando técnicas de terminação convencionais e, em seguida, curado com calor. Ele é flexível, absorvendo parte da tensão mecânica entre a placa e o MLCC montado.

Como resultado, os componentes terminados com FlexiCap suportam níveis maiores de tensão mecânica em comparação com os componentes com terminação sinterizada. O FlexiCap também oferece proteção aprimorada contra rachaduras mecânicas e em aplicações onde ocorrem mudanças rápidas de temperatura. Para os projetistas de EVs, o resultado é um maior grau de tolerância à flexão no manuseio de placas em processo, o que se traduz em maior rendimento e menos falhas em campo.

Também importante para os EVs, os capacitores com certificação de segurança Knowles Syfer estão disponíveis com a qualificação AEC-Q200. As peças são consideradas "com qualificação AEC-Q200" se tiverem sido aprovadas no rigoroso conjunto de testes de estresse de temperatura, choque térmico, resistência à umidade, tolerância dimensional, resistência a solventes, choque mecânico, vibração, descarga eletrostática, soldabilidade e flexibilidade da placa, entre outros.

Eletricamente, a linha com certificação de segurança apresenta uma alta tensão de resistência dielétrica (DWV) de 4 quilovolts em corrente contínua (kV_CC) e 3 kV_RMS. Essas são características essenciais para sistemas de carregamento de EVs de 800 volts, nos quais são necessárias amplas margens de teste e segurança.

Exemplos de MLCCs para EVs

Da linha de capacitores com certificação de segurança aprimorada da Knowles Syfer, uma ampla variedade de valores de capacitores apresenta a terminação Flexicap e a qualificação AEC-Q200, o que os torna particularmente adequados para aplicações em EVs. Por exemplo, o 1808JA250101JKTSYX é um capacitor C0G/NP0 de 100 pF com uma tensão nominal de 250 volts CA para aplicações Classe Y2 (linha para terra) e 305 volts CA em aplicações Classe X1 (linha para linha), com uma tolerância de ±5%. É encapsulado em um invólucro 1808 com dimensões de 0,195 x 0,079 polegadas, ou 4,95 x 2,00 milímetros (mm) (Figura 3).

Figura 3: aqui são mostradas as dimensões físicas do MLCC 1808JA250101JKTSYX (à esquerda), juntamente com o layout recomendado do apoio de solda (à direita). (Fonte da imagem: Knowles Syfer)

Um capacitor X7R típico é o 1812Y2K00103KST da Knowles Syfer, um dispositivo de 10.000 pF ±10% 2 kV em um invólucro 1812 com dimensões de 4,5 x 3,2 x 2,5 mm. Os tipos de capacitores 1808JA250101JKTSYX e 1812Y2K00103KST têm uma faixa de temperatura nominal de -55°C a +125°C. A linha de produtos está disponível nos tamanhos de invólucros 1808, 1812, 2211, 2215 e 2220, dependendo do dielétrico usado, do valor da capacitância e da tensão nominal.

Outros exemplos incluem o 1808JA250101JKTS2X da Knowles Syfer, um capacitor C0G/NP0 de 100 pF, 250 volts AC (Classe X2), 1 kV CC, com tolerância de ±5%. O 2220YA250102KXTB16 é um capacitor X7R de 1.000 pF ±10% 250 volts.

Observe que os requisitos de fabricação para montagem e soldagem dos capacitores com terminação FlexiCap são idênticos aos de um MLCC com terminação sinterizada padrão, de modo que eles não exigem manuseio especial. Além disso, e fazendo referência novamente à Figura 3, os capacitores de chip da Knowles podem ser montados usando layouts de apoios em conformidade com a IPC-7351, Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards. Além disso, outros fatores demonstraram reduzir o estresse mecânico, como a redução da largura do apoio para menos do que a largura do chip.

Conclusão

Os MLCCs Flexicap da Knowles Syfer com qualificação AEC-Q200 são adequados para aplicações em EVs, especialmente em sistemas de bateria de 800 volts, nos quais é essencial uma tensão de teste maior e uma margem de segurança para lidar com condições de surto e transientes. A terminação FlexiCap torna os capacitores capazes de suportar níveis maiores de estresse mecânico. Dessa forma, e atendendo à AEC-Q200, eles oferecem aos projetistas uma combinação exclusiva de capacidade, estabilidade e certificação de segurança.