Новые решения в сегменте пассивных компонентов

 

Евгений Каретников, инженер

Статья размещена в журнале «Электронные Компоненты» № 10-2025

В нашем журнале публикуется цикл статей «Новые решения в силовой электронике». Однако любопытные новинки появляются и в других сегментах электронной отрасли. В этой статье рассматриваются новые решения, предложенные производителями конденсаторов, – компаниями TDK и Murata.

 

Введение

История конденсаторов началась в далеком 1745 г., когда была продемонстрирована знаменитая лейденская банка, которую можно считать прообразом современных конденсаторов. Несмотря на столь почтенный возраст, конденсаторы продолжают совершенствоваться. К этому их подвигает дальнейшее развитие электроники, диктующее спрос на меньшие размеры и экономичность. В этой статье рассматриваются достижения компаний TDK и Murata.

Мы знаем, что приобретение конденсаторов этих производителей в настоящее время крайне затруднено, несмотря даже на возможности параллельного импорта. Однако мы думаем, что информация о тенденциях развития электронных компонентов окажется полезной отечественным разработчикам электроники.

 

Пленочные конденсаторы от компании TDK

Увеличение рабочей частоты и плотности мощности силовых преобразователей, в том числе за счет применения силовых ключей на основе полупроводников с широкой запрещенной зоной карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN), повлекло за собой и изменение требований к пленочным конденсаторам, использующимся на шине постоянного тока.

Не вдаваясь в подробности особенностей рабочих режимов и конструкции силовых преобразователей с повышенной рабочей частотой, перечислим основные требования, предъявляемые к конденсаторам шины постоянного тока:

• уменьшение размеров;
• уменьшение эквивалентной последовательной индуктивности (ESL);
• уменьшение частотной зависимости эквивалентного последовательного сопротивления (ESR);
• увеличение рабочей полосы частот;
• увеличение максимально допустимой плотности тока;
• увеличение максимально допустимой рабочей температуры.

Поскольку свойства конденсатора определяются, в основном, параметрами его диэлектрика, для изготовления нового мощного металлизированного пленочного конденсатора был разработан новый диэлектрик этилен-пропилен-норборнен (EPN), который представляет собой смесь полипропилена и циклического олефинового сополимера (СОС) норборнена. Этот диэлектрик заменил традиционный полипропилен (РР). Помимо прочих улучшений, о которых речь пойдет ниже, новый диэлектрик позволил увеличить максимально допустимую температуру с 85 до 105°С.

Диэлектрическая пленка, изготовленная из двуосно-ориентированного полиэфирного EPN (ВОEPN) при средних температурах обладает отличными свойствами самовосстановления, как и двуосно-ориентированный полипропилен (BOPP). Кроме того, новый диэлектрик ВОEPN не уступает традиционному BOPP и по максимально допустимой напряженности электрического поля. Основные преимущества ВОEPN проявляется при высоких температурах, где он превосходит традиционный BOPP по электрической прочности и обладает меньшей электропроводностью, в силу чего у него и меньше токи утечки.

Благодаря улучшенным температурным свойствам надежность и стабильность параметров при высоких температурах у нового диэлектрика выше, а также заметно лучше характеристики старения. Результаты сравнительных испытаний на старение обоих диэлектриков при 125°С показаны на рис. 1. Испытания проводились при частоте питающего напряжения 1 кГц.

Рис. 1. Результаты сравнительных испытаний на старение диэлектриков ВОEPN и BOPP при 125°С. Изменение: а) емкости; б) тангенса угла потерь; в) сопротивления изоляции

Улучшение конструкции и применение нового диэлектрика позволило увеличить номинальную напряженность электрического поля.

На основе нового диэлектрика ВОEPN в компании TDK был разработан конденсатор серии ModCap UHP (B25648), величина ESL которого не превышает 8 нГн, а срок его службы достигает 200 тыс. ч при номинальных значениях напряжения и температуры. Результаты сравнительных испытаний на старение нового конденсатор ModCap UHP (B25648) с конденсатором предыдущего поколения серии HF (B25647) с традиционным диэлектриком BOPP приведены на рис. 2. Испытания проводились по методике ускоренного старения при напряжении, которое в 1,3 раза превысило номинальное, а рабочая температура была максимальной.

Рис. 2. Результаты сравнительных испытаний на старение конденсаторов: а) серии HF B25647; б) ModCap UHP B25648

 

Кремниевые конденсаторы компании Murata

В России компания Murata более известна как ведущий производитель многослойных керамических конденсаторов и не все знают о том, что Murata относительно давно освоила производство кремниевых конденсаторов. Тем не менее это направление продолжало развиваться, и недавно появилась новая технология для изготовления высокотемпературных и высокочастотных кремниевых конденсаторов.

Новая технология пассивной интеграции на соединительную подложку (Passive Integration Connective Substrate, PICS) позволяет существенно увеличить надежность и уменьшить размеры по сравнению с керамическими конденсаторами. Кроме того, эта технология совместима с КМОП. На рис. 3 показаны основные особенности новой технологии.

Кремниевые конденсаторы семейства Sicaps, изготавливаемые по технологии PICS, обладают высокой плотностью емкости 10 нФ в габарите 0,6×0,3 мм при напряжении пробоя 30 В и очень малым током утечки, не превышающим 100 пА.

Рис. 3. Основные особенности новой технологии PICS

 

Низкое значение ESR, не превышающее 220 мОм, уменьшает потери. Особенно стоит отметить крайне малую индуктивность ESL. Ее величина не превышает 20 пГн, что позволяет этим конденсаторам работать в цепи с частотой до 220 ГГц. Результат симуляции S-параметров на высоких частотах представлен на рис. 4.

Рис. 4. Результат симуляции S-параметров на высоких частотах

 

Поскольку новая технология разрабатывалась для жестких условий эксплуатации, в том числе для авиакосмической области, диапазон рабочей температуры конденсаторов семейства Sicaps чрезвычайно широк и составляет –250…250°С. При этом, в отличие от керамических конденсаторов, емкость кремниевых конденсаторов во всем диапазоне рабочих температур изменяется гораздо в меньшей степени. На рис. 5 показан результат экспериментального изменения емкости керамического конденсатора номинальной емкостью 3,3 мкФ в типоразмере 1616 в зависимости от температуры. Температурный коэффициент изменения емкости составил 62 ppm/°C, изменение емкости в диапазоне от комнатной температуры до максимального значения 250°С не превысило 1,5%.

Рис. 5. Экспериментально полученная зависимость емкости керамического конденсатора семейства Sicaps номинальной емкостью 3,3 мкФ от температуры

 

Еще одно существенное преимущество кремниевых конденсаторов перед их керамическими аналогами заключается в стабильности параметров независимо от приложенного напряжения. Напомним, что надежность керамических конденсаторов уменьшается по мере приближения приложенного напряжения к максимальному значению, на которое он рассчитан. Емкость конденсаторов этого типа снижается при возрастании напряжения заряда. Для нивелирования этих эффектов рекомендуется использовать керамические конденсаторы в цепях с указанным производителем напряжением, не превышающим 1/3 от максимального, что увеличивает размеры и стоимость решений.

Перечисленные выше недостатки отсутствуют в кремниевых конденсаторах. Их емкость во всем диапазоне рабочих температур практически не зависит от приложенного напряжения. Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 6.

Рис. 6. Экспериментально полученная зависимость емкости керамического конденсатора семейства Sicaps от приложенного напряжения

 

Испытания на надежность и срок службы проводились на керамическом конденсаторе серии EXSC емкостью 100 нФ в типоразмере 0605. Они рассчитаны на непрерывную работу в течение 50 лет при напряжении 10 В и температуре 250°С. Заметим, что срок службы многослойных керамических конденсаторов составляет менее одного года при температуре 100°С и напряжении 80% от номинального. Ускоренные испытания фиксировали пробой диэлектрика при повышенной напряженности электрического поля и температуры. Соответствующие ускоряющие коэффициенты использовались для расчета срока службы конденсаторов. Результаты испытаний представлены на рис. 7.

Рис. 7. Результаты ускоренных испытаний для расчета срока службы керамических конденсаторов серии EXSC емкостью 100 нФ

 

Поскольку токи утечки являются одним из главных факторов, ограничивающих применение конденсаторов при высокой температуре, этому параметру уделяется особое внимание. Испытание керамических конденсаторов серии XTSC емкостью 100 нФ в типоразмере 0402 проводились следующим образом. Их заряжали до номинального напряжения 3,3 В и в течение 120 с удерживали при этом напряжении, после чего измерялись токи утечки. При 85°С эти токи не превысили 10 пА, а при 300°С были менее 2 нА. Этот результат иначе как очень впечатляющим не назовешь – у современных высокотемпературных конденсаторов ток утечки в подобных условиях многократно выше.

 

Статья в пдф формате