MLCC-komponenttia valittaessa on tärkeää ottaa huomioon eri ominaisuudet laajasti. Lämpötilakertoimen lisäksi kannattaa kiinnittää huomiota ED-esijännite eli sovellettavalla tasajännitteellä tapahtuva kapasitanssin vaihtelu, esittää Samsung Electro-Mechanics.

Teollisen tuotannon ja autoteollisuuden markkinoilla yleisesti käytettävien monikerroksisten keraamisten MLCC-kondensaattorien lämpötilakerroin (TCC) ilmaistaan yleensä tunnisteella X7R, jossa ’X’ tarkoittaa -55 ºC:een lämpötilaa, ’7’ puolestaan tarkoittaa +125 ºC:een lämpötilaa ja ’R’ +/-15 prosentin toleranssia kyseisellä lämpötila-alueella.

Koska X7R:n kapasitanssivaihtelun +/-15 %:n toleranssivyöhyke on kapeampi kuin X7S:n, monet suunnittelijat valitsevat helposti sen. Kuitenkin MLCC-komponenttia valittaessa on tärkeää TCC-kertoimen lisäksi ottaa huomioon DC-esijännite eli sovellettavalla tasajännitteellä tapahtuva kapasitanssin vaihtelu.

Samsung Electro-Mechanics Co:n (SEMCO) erikoisalueena ovat MLCC-ratkaisut, joissa on hyvin suorituskykyiset TCC:n ja DC-esijännitteen parametrit. Ja vaikka joidenkin X7R-tuotteiden tarjoamat DC-esijänniteominaisuudet ovat paremmat kuin X7S-tuotteiden, myös päinvastainen tilanne on mahdollinen tiettyjen X7S MLCC -komponenttien tarjotessa ilmeisiä etuja.

Miksi sitten useampi yritys ei ole erikoistunut X7S MLCC -tarjontaan? Se johtunee ihan tiedon puutteesta.

Nykyajan auto- ja teollisuuselektroniikan tavoitteena on entistä tiheämpi integrointi ja toimintojen määrän lisääminen, jotka molemmat vaativat entistä suurempaa sähkön varauskykyä. Tässä tapauksessa X7S TCC -ominaisuuksilla varustettu MLCC tarjoaa tehokkaamman varauskyvyn kuin X7R TCC -ominaisuuksilla (samalla nimelliskapasitanssin arvolla) varustettu MLCC, koska TCC on vain yksi ominaisuus, joka vaikuttaa varauskykyyn. Toinen merkittävä vaikuttaja on DC-esijännite.

DC-esijännite kuvaa kapasitanssin vaihtelua, kun tasajännitettä syötetään liitosnapojen välille. MLCC-komponentit joutuvat käsittelemään DC-esijännitteitä ja tunnistavat tämän ilmiön herkästi. Kapasitanssiarvo laskee, kun tasajännite nousee, mikä voi vaikuttaa haitallisesti erityyppisiin piirikomponentteihin.

Tuotekehityksen haasteet

Komponenttivalmistajilla on useita tapoja suurentaa MLCC-komponenttien kapasitanssia tyypillisesti parantamalla keraamisten materiaalien ominaisuuksia. Esimerkiksi pienentämällä materiaalin rakeisuutta saadaan aikaiseksi ohuempia kerroksia samalla kun rakeisuuden lisäkäsittelyllä voidaan parantaa tasalaatuisuutta ja luotettavuutta. Lisäksi materiaalin paremmalla annostuksella voidaan kasvattaa suhteellista dielektrisyysvakiota (εr). Kaikilla näillä toimenpiteillä voidaan lisätä kapasitanssiarvoa, mistä esimerkkinä voidaan mainita 1206-koteloon pakattu 10µF/50V:n MLCC. Tämä komponentti soveltuu suunnittelijalle, joka haluaa tiheästi integroidun, hyvän suorituskyvyn tarjoavan ratkaisun kompaktiin koteloon pakattuna. Suurta sähköistä tarkkuutta, stabiiliutta ja luotettavuutta vaativien sovellusten määrä on lisääntymässä esimerkiksi teholähteiden ohituspiireissä, kulutuselektroniikassa ja tietoliikennelaitteissa.

Kun sukelletaan syvemmälle, suhteellinen dielektrisyysvakio (jota kutsutaan joskus myös suhteelliseksi permittiivisyydeksi) on mittayksikkö, joka kuvaa sähköpotentiaalienergian määrää indusoituneena polarisaationa varastoituna sähkökentässä olevaan tietyn tilavuuden omaavaan materiaaliin. Kun keraamisen materiaalin suhteellista permittiivisyyttä kasvatetaan, voidaan todeta tapahtuvan erityinen oheisilmiö, jossa havaitaan, että suhteellisen permittiivisyyden vaihtelua saadaan suurennettua muuttamalla toimintaympäristöä eli sovitettavaa tasajännitettä, TCC-ominaisuuksia ja aikaa. Yksinkertaisesti sanottuna muodostuvan kapasitanssin stabiilius riippuu käytettävissä olevien MLCC-ominaisuuksien hyvästä tasapainosta, jolloin on saatavissa paras suorituskyky kulloisissakin käyttöoloissa.

Kapasitanssihäviöt

Kaikkien luokan II MLCC-toteutusten (mukaan lukien X7R ja X7S) kapasitanssiarvot vaihtelevat käytettävän tasajännitteen (DC-esijännitteen), TCC-ominaisuuksien ja ajan (vanhenemisen) mukaan. Viimeksi mainitun vaikutuksesta voidaan sanoa, että esimerkiksi keraamiset rakeet menettävät kykynsä muuttaa suuntaansa ajan suhteen ja suurelta osin tämä johtuu toimintaympäristön aiheuttamasta tarpeesta hakeutua energeettisesti kohti vakaampia tiloja. Tämä toimintaympäristön vakauttaminen taas johtaa suhteellisen permittiivisyyden vähenemiseen, mikä aiheuttaa suoraan kapasitanssihäviöitä.

Monille suunnittelijoille on toki ennestään tuttua, että DC-esijännite vähentää merkittävästi luokan II MLCC-komponenttien tehollista kapasiteettia. Selvyyden vuoksi voidaan mainita, että sekä X7R- että X7S-kokoonpanot käyttävät ’lämpötilaltaan vakioitua’ keramiikkaa, joka kuuluu EIA-luokan II materiaaleihin.

Yhdessä TCC- ja vanhenemisominaisuuksien kanssa mainitut kolme tekijää riippuvat toinen toisistaan, jolloin pyrkimys parantaa yhtä niistä vaikuttaa jompaankumpaan toiseen tekijään tai niihin molempiin. Siitä ollaan pitkälti yhtä mieltä, että samanaikaisesti tapahtuva sekä TCC-ominaisuuksien että DC-esijännitteen tehostaminen edellyttää, että tulevaisuudessa on käytössä kehittyneempiä keraamisten jauheiden käsittelymenetelmiä.

X7S: parempi DC-esijännite

SEMCO on ilmoittanut, että sen markkinoilla olevien X7S-kondensaattorien DC-esijänniteominaisuudet ovat todennäköisesti paremmat kuin X7R-versioilla. Yhtiö on demonstroinut asiaa suorittamalla ja julkistamalla mittaussarjat, joissa on mitattu DC-esijänniteominaisuuksien tehoa SEMCO:n X7S MLCC:llä ja toisen valmistajan X7R-piirillä. Tuotetietojen mukaan kummankin 0402-koteloidun MLCC-komponentin spesifikaatiot olivat 1 µF, 10 % ja 6,3 V.

Mittaukset osoittivat, että SEMCO:n X7S MLCC:n kapasitanssin muutosnopeus oli noin -30,7 % 4 V:lla. Vertailussa mukana olleen toisen valmistajan X7R MLCC kapasitanssin muutosnopeus osoittautui merkittävästi suuremmaksi ollen noin -50,6 % 4 V:lla. Kuten jo aiemmin todettiin, tällä DC-esijännitteen parannuksella on vaikutusta TCC-ominaisuuksiin. 4 V:n jännitteellä 85 ºC:n lämpötilassa SEMCO:n X7S MLCC:n kapasitanssin muutosnopeus oli -6 %, kun taas toisen valmistajan MLCC:llä se oli +6 % samassa toimintaympäristössä (4V, 85 ºC).

Kuten ohessa olevista graafisista esityksistä ilmenee, SEMCO:n 1 µF:n X7S MLCC on kokonaistoiminnaltaan tehokkaampi tarjoten 0,59 µF kapasitanssin 4 V:lla 85 ºC:ssa verrattuna X7R:n tarjoamaan 0,52 µF:iin.

Markkinatietoisuutta lisättävä

Markkinoilla tiedetään hyvin X7R ja sen +/-15 %:n toleranssivyöhyke, mistä syystä siitä on tullut vallitseva tekniikka, joka on vaikeasti korvattavissa ainakin perehtymättä syvällisesti MLCC-spesifikaatioihin. Kuitenkin edellä esitettyjen mittausten mukaan, kun otetaan huomioon todellinen toimintaympäristö vertaamalla TCC:tä ja DC-esijännitettä, X7S MLCC osoittautuu säilyttävän kapasitanssiarvonsa paremmin.

Tässä artikkelissa esiin tuodut tekijät pätevät yleensä suurille kapasitanssiarvoille, jolloin DC-esijännite kasvaa näkyvästi ja edesauttaa tehollisen kapasitanssin pienenemistä. Tässä tilanteessa suunnittelijat joutuvat usein taistelemaan jokaisesta ylimääräisestä nF:sta ottamalla huomioon tiukat marginaalit laskelmissa.

Miten eteenpäin?

Auto- ja muualla valmistavassa teollisuudessa toimivat elektroniikka-alan suunnittelijat hyötyvät tutustuttuaan tarkemmin X7S:n tarjoamiin ominaisuuksiin suuren kapasitanssin MLCC-vaatimuksia edellyttävissä suunnitteluissaan. SEMCO:n osoittamien tulosten mukaan X7S MLCC:t tarjoavat toisinaan merkittävästi paremman DC-esijännitteen kuin vastaavat X7R-komponentit. Jopa silloin kun TCC-ominaisuudet otetaan huomioon, X7S MLCC:t osoittautuvat usein kokonaissuorituskyvyltään parhaimmiksi.

Meneillään on useita MLCC-suunnitteluja, joissa komponenttitoimittajat pyrkivät vastaamaan nykyaikaisen elektroniikkateollisuuden insinöörien asettamiin vaatimuksiin. Uusia materiaaleja sekä TCC- ja DC-esijänniteparametrien ilmiöitä koskeva tutkimustyö tähtää siihen, että juuri tiettyyn sovellukseen voidaan valita siihen parhaiten soveltuva MLCC-komponentti. X7R ja X7S MLCC-komponentit tarjoavat projektin tavoitteesta riippuen optimaalisen ratkaisun. Suunnittelijat, jotka eivät halua päästä kilpailijoita edelleen, kannattaa pohtia tarkasti perinteisten MLCC-vaihtoehtojen lisäksi kaikkia muitakin tarjolla olevia vaihtoehtoja uusissa projekteissaan. Se voi yllättäen olla hyvinkin palkitsevaa.