L'affidabilità dei condensatori può essere migliorata con i materiali giusti

Quando si scelgono i condensatori, proprietà come l'efficienza volumetrica, la stabilità della frequenza, la valutazione della temperatura o la resistenza in serie equivalente sono spesso i fattori principali che regolano la selezione della tecnologia. In questi casi, i fattori di comprensione che influenzano la vita possono aiutare gli ingegneri a garantire che il prodotto fornisca l'affidabilità richiesta.

D'altra parte, una lunga durata operativa può essere un requisito chiave del prodotto finale e in definitiva può determinare la selezione del dispositivo.

I processi di produzione dei condensatori come lo screening o i processi per controllare la purezza dei materiali o dei componenti possono fornire una maggiore garanzia di affidabilità che consente agli ingegneri di ridurre il numero di condensatori nel circuito e quindi ridurre dimensioni e costi della soluzione senza compromettere l'affidabilità.

Proprietà del condensatore

I condensatori realizzati con film di poliestere metallizzato o polipropilene, ad esempio, hanno una lunga durata operativa. Le proprietà ad alta tensione o ad alta temperatura rendono questi dispositivi ideali per applicazioni quali l'elettronica automobilistica o i reattori per lampade, mentre l'auto-riparazione aiuta a superare gli effetti di piccole impurità nel dielettrico che possono portare a guasti di cortocircuito.
D'altra parte, man mano che queste carenze guariscono, la capacità disponibile totale inizia a scendere e la resistenza in serie equivalente (ESR) inizia a salire. Questo alla fine governa la durata del dispositivo. L'utilizzo di materiali di alta qualità e processi di produzione dielettrici può ridurre al minimo i difetti portando a un tasso più lento di auto-guarigione.

Nelle applicazioni di energia alternativa, dove il basso valore di ESR è particolarmente desiderabile per ridurre al minimo le perdite di energia, è possibile verificare la durata operativa di diversi decenni, anche quando i condensatori funzionano a temperature di 70 ° C o superiori.

I condensatori in alluminio coprono una serie di diversi tipi di costruzione, ognuno dei quali ha prestazioni di vita molto diverse. I condensatori ad elettrolita liquido, ad esempio, hanno un meccanismo di tessitura ben definito e comprensibile. L'elettrolito è moderatamente acido e quindi degraderà il dielettrico nel tempo.

D'altra parte, l'elettrolito fornisce anche l'ossigeno necessario per ricrescere il dielettrico. Questo è il motivo per cui è importante considerare la "durata di conservazione" di un condensatore elettrolitico in alluminio bagnato che non è stato alimentato, sia su uno scaffale che su una scheda.

Figura 1: I MLCC X5R e X7R combinano il BME a base di nichel e il dielettrico di titanato di bario drogato.

Un fatto interessante è che i condensatori in alluminio con un diametro di 30 mm o più tendono ad avere un elettrolitico più neutro, piuttosto che acido, e quindi possono avere una durata di conservazione di due o quattro anni in condizioni relativamente moderate. Queste cifre, ovviamente, variano in base all'elettrolito utilizzato in ogni famiglia di prodotti.

I condensatori solidi in "polimero di alluminio" o "polimero organico", d'altro canto, hanno caratteristiche di durata molto diverse.
Questi dispositivi non hanno elettrolita nel prodotto finito. Invece il catodo è un materiale polimerico conduttivo solido. Ciò si traduce in una durata operativa eccezionalmente lunga in condizioni nominali, che può essere simile a quella di altri condensatori solidi.

Alcuni datasheet descrivono la resistenza di questi tipi di dispositivi in ​​termini di proprietà come la variazione di capacità, ESR e aspetto dopo 1.000 ore di funzionamento.

È importante notare che le 1000 ore non rappresentano la vita operativa del condensatore. Piuttosto, questo test di resistenza è simile ai tipi di test di durata accelerata che vengono tipicamente utilizzati per qualificare i componenti passivi.

Per quanto riguarda i condensatori ceramici di livello commerciale, il tipico sistema di elettrodi è un sistema di elettrodo di metallo di base (BME), vedi figura 1, che utilizza principalmente il nichel.

Rispetto ai precedenti sistemi con elettrodi di metallo prezioso (PME), BME consente una maggiore capacità di tensione. I dielettrici di tipo X7R e X5R oggi si basano sul titanato di bario, con additivi come il diossido di manganese che coesistono con la chimica BME e prevengono la riduzione del dielettrico dai processi di cottura applicati al condensatore durante la fabbricazione.

I miglioramenti nella composizione dielettrica hanno notevolmente aumentato l'affidabilità e la durata della ceramica.

Affidabilità del condensatore al tantalio

I condensatori realizzati con un dielettrico di tantalio hanno una durata operativa eccezionalmente lunga. Essendo un dispositivo completamente solido, non c'è praticamente nessun meccanismo di usura.

I guasti più comuni per i dispositivi basati sul tantalio sono i cosiddetti errori di "accensione". Ciò può verificarsi quando viene applicata una tensione di fase e il condensatore è in grado di disegnare una grande corrente iniziale. Questo può attivare un difetto nel dielettrico, che può causare un guasto del dispositivo nel caso in cui il dielettrico non possa guarire.

I dispositivi polimero-tantalio beneficiano di una spiccata capacità di auto-guarigione e sono noti per essere solidi contro questo tipo di guasto. Gli studi hanno dimostrato che la durata degli elementi capacitivi può essere tra centinaia o persino migliaia di anni. È probabile che questo sia considerevolmente più lungo della durata di vita di altri materiali utilizzati nella costruzione di condensatori, come gli epossidici.

I produttori di condensatori tendono a schermare i condensatori al tantalio per identificare i dispositivi potenzialmente più deboli, applicando test come prove di sovratensione di tensione e corrente in una sequenza controllata.

Tuttavia, vale la pena notare che i condensatori possono essere indeboliti dalle sollecitazioni introdotte a causa del disallineamento del coefficiente di dilatazione termica (CTE) tra materiali costituenti: quindi le condizioni di saldatura reflow e il numero di cicli di reflow a cui è soggetto il condensatore durante l'assemblaggio del prodotto finale possono influenzare la suscettibilità ai guasti del dispositivo.

D'altra parte, la tensione nominale del dispositivo, relativa alla tensione applicata, può influenzare in modo significativo le durate dei condensatori in generale.

Per questo motivo, il recente sviluppo dei condensatori di tantalio polimerico si è concentrato sulla realizzazione di tensioni più elevate come 63V e superiori per l'uso con tensioni di alimentazione comunemente utilizzate come 24V o la ferrovia avionica da 28V.

James C. Lewis è direttore tecnico marketing, Kemet.