高压表面贴装MLCC的新进展

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇高压表面贴装MLCC的新进展范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

高压表面贴装mlcc(多层陶瓷电容器)的额定值通常设定在500VDC或更高。这些MLCC广泛应用在电源当中，用来隔离和滤波DC和AC电压。它们在减少纹波噪声和消除开关稳压器所引起的潜在的不安全瞬变方面作用尤为重要。其他值得注意的应用是在灯镇流器中作为缓冲电容器；最近MLCC也已经集成在可植入医疗器械当中，以保护低电压电路免受外部去心脏纤颤引起的瞬变的影响。不过，当电压升高至750VDC以上时，在接线端之间以及安装在电路板上的其他器件之间就会出现比较严重的表面弧问题。由于这些原因，电容器接线端和表面贴装器件之间的分离，以及视线(line-of-sight)和表面的距离对性能的可靠非常关键。UL和VDE要求中已经规定了这些距离，而安全额定电容器和电容器性能是在IEC 60384-14、IEC 60950、ENI132400和UL 60950标准中规定的。为了符合这些要求的距离，人们已经开发出了用于这些应用的较大外壳尺寸的电容器，例如1808和更大的尺寸。设计人员也在使用开槽电路板(slotted board)、灵活的电路和电路板均匀涂层或涂层电容器coated capacitor)来防止表面弧。其他可靠性方面的问题，特别是使用较大外壳尺寸的多层电容器是造成板弯曲和压电应力最终导致开裂而引发元件故障的主要原因。此外，在电路板空间非常昂贵的应用当中，生产者已经开发出了可以在较高电压下稳定工作的体积较小的MLCC。本文将介绍可以解决这些问题的表面贴装多层陶瓷电容器的设计、材料和性能。

设计

许多年前，人们发现在空气中测试500VDC以上的电压时，MLCC标准设计的性能出现了问题。有效层(activelayer)之间的内部击穿和接线端之间的表面弧导致了故障的出现。为了解决电容器的有效区(active area)的电压应力问题，制造商开发出了一种串联“浮动电极”设计，在单个元件内有效集成了2个以上的电容器组。图1是这类设计与标准MLCC的比较。

标准MLCC

这些电容器的电容值通常是相同的，所以在这种情况下每个电容器的有效电压(VC)都等于施加在该器件上的总电压(VT)除以电容器的数目(n)即

VC=VT/n

利用这种方法可以降低每个电容器组的有效电压。高压电路的设计者还利用这个原理，通过串联单个电容器来降低每个电容器的电压。不过，在两种情况下总电容(CT)都将会下降：

1/CT=(1/C1+1/C2…+1/Cn)

利用一台高速相机观察到了另一个重要的问题，即在一个标准电容器设计上施加一个电压之后出现的表面电弧放电现象，如图2所示。

“浮动电极”串联设计可以有效地解决表面弧的问题。不过，与如前所述的标准设计相比，其主要弊端在于其较低的容量。

表面电弧放电问题可以通过涂层电容器得到进一步的解决。增加引线和涂覆环氧树脂是一种有效的解决方案，但如此一来这种产品不再是可以表面贴装的。近来已出现一些涂层已用来保持表面贴装的能力，但是这些解决方案过于昂贵，而且制造工艺非常复杂。组装电路板类似涂层的应用还可以防止电弧放电的发生，但是除了额外成本外，在许多情况下涂层会不利于最终用户最后组装期间的进一步焊接。

为了克服这些缺点，人们开发出了HVArc Guard电容器，它采用了专利的内部电极配置，可以防止表面电弧放电现象。尽管这种配置不会像串联设计那样能够降低内部有效电压，但在许多情况下有效重叠区(active overlap area)会增加超过300％，有助于实现较高的容量和使电容器进一步小型化。HVArc Guard MLCC的横截面如图3所示。

在HVArc Guard设计中，防护电极包围着有效电极，在端点电荷和有效层之间形成一个屏障。得到的电场可以阻止端点到端点的电弧，并增加dc击穿电压水平。防护电极只占很小的空间，留下其余的部分给有效电极，进而增加了可用容量。

电路板弯曲

如同在前一部分中提到的那样，焊接引线和涂层已广泛用于生产高压元件。除了引线外，引线框也可以用来封装多个电容器，以得到更高的容量和增加符合性。尽管增加一个鸥翼型引线框会显著增加元件的成本，但是它可以避免电路板弯曲的发生。直到最近，都没有有效的方法来增加表面贴装器件端点的符合性，但这个历史已经一去不复返了。通过在环氧聚合物端点上加上银，可以防止电路板弯曲时发生的故障，进而增加可靠性。这种选择目前已用于我们的OMD-Cap范围高压系列设计以及HVArc Guard电容器。当电路板弯曲时，标准电容器与相同HVArc Guard电容器的聚合物端点的测试显示的故障率差异如图4所示。

材料

高压电容器通常是采用X 7 R和COG电解质制造的。这些名称描述了在55～+125℃温度范围内电容的温度系数将分别为美国电子工业协会(EIA)的±15％和±30×10-6/℃。COG电容器也可以用更常用的术语表示，即NPO(正负零)。不过，值得注意的是，在1kHz条件下以1Vrms进行电容测量非常重要，各种材料可以用这些名称来描述。对许多电源应用来说，重要的是知道在某个具体电压下的电容容量。X7R和COG(NP0)电容器之间存在显著的差异；施加了De电压的X7R电容器将释放出大量容量，而COG(NPO)电容仍然没有太大的变化。出现这种现象是由于与COG(NPO)电解质的铁电性质相比，铁电X7R材料在剩余极化(remnant polarization)方面有根本的不同。实际上，虽然X7R MLCC具有高得多的容量，但是其容量在施加DC电压时会显著下降。这方面的一个例子如图5所示。

因此，当采用多层电容器时，设计人员必须考虑到施加电压下的可用容量。

如前面叙述的那样，有许多材料可以满足X7R或COG(NPO)的这类TCC要求。这些材料与各种设计的组合并不能在施加的DC电压下以完全相同的方式实现。不同制造商任何给定电压的可用容量一定会有很大的差异。较高的电压可以与X7R电解质中的铁电畴(ferroelectric domain)相耦合，在元件上产生一种机械应力。这种“压电应力”会导致电容器在z方向上若干微米的移动。当然，这是根据压电执行器的原理，但是在MLCC的情况下，连续的电压尖峰会导致应力裂纹和故障。为了解决这个问题，应该使用这种具有降低压电耦合能力的2000VDC以上额定值 的X7R电解质电容器。降低耦合系数的影响可以增加击穿耐压，如图6所示。

这些设计采用了完全相同的有效厚度和“浮动电极”型设计。唯一的差异在于X7R电解质的新制剂方面的修改，它可以减少与施加电压的耦合。这种新制剂已用于我们的高压OMD-Cap产品线。

AC电压的考虑因素

在许多应用中，AC电源处理以及承受AC电压的能力至关重要。测量这种能力的一种典型方法是在各种高频条件下施加AC纹波电压，直到电容器增加到超过环境温度20℃以上。不过，在X7R电容器与COG(NP0)的电容器之间又一次出现了显著的差异，前者的剩余电偶(remnant dipole)随着施加的电场移动而引起发热，而后者在这种情况下的温度不会增加。

另一个AC能力指标是通过施加60Hz AC电压，将其提升至6kV峰值30s以上，直到发生电解质击穿而实现的。这种类型测试的结果可以与对1000VDC额定值的1206 X7R HVArcGuard电容器施加500Vdc/s的破坏测试的DC击穿电压相比，如图7所示。

DC电压故障的发生远远超过了1000VDC额定值。由于AC电压故障发生在1000VAC左右，与DC电压相比，故障的分布范围很窄。

环境考虑因素

如前面提到的那样，电容器或电路板涂层可以防止表面弧，而且还可以作为一种防潮的屏障。为了测试HVArcGuard元件对由湿度引起的故障的易感性，对1210外壳尺寸、1000VDC额定值的MLCC样品进行了击穿电压测试，其环境条件为23.8E/53.3％RH，提高的温湿度为85℃/85％RH。其结果如图8所示。

尽管在85/85条件下X7R的平均击穿电压相当低，但COG(NP0)几乎不受影响。因此，COG(NP0)看似不那么易受潮湿所引起故障的影响，而两种情况的击穿都是在容许范围以内，即使是在高湿度条件下。两种环境条件下测试的元件击穿范围均高于额定电压。

结束语

通过采用新型材料和新的设计，已经开发出来可靠的、可表面贴装的高压MLCC，为电源设计人员提供了无须涂层的更小、更高容量值的电容器。此外，这些优势加上使用裸板组装的能力有助于电源制造商大幅度降低成本。

最后我要感谢Pat Gormally、Paul Coppens、John Jiang、John Rogers、Vito Coppola和Alice Whitcher，他们在准备本文期间做出了贡献，并与我进行了有价值的讨论。