积层带导线陶瓷电容器

解决指南

积层带导线陶瓷电容器的各类解决方案指南

积层带导线陶瓷电容器的各类解决方案指南 概要

封装于印刷基板的电子元件中,支持SMT(表面封装技术)的SMD型为主流产品。其中,多用于主要被动元件的MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器)为电子设备的小型及轻量化做出了巨大贡献。此外,传统带导线型陶瓷电容器也因其优点及特长而被用于各种用途。近年来,在使用条件严酷的车载用途中,积层带导线陶瓷电容器作为弥补SMD型电容器弱点的产品而重新获得关注。为应对这强劲的市场需求,TDK提供了全新系列的无卤素产品作为面向车载电子设备等要求高可靠性用途的积层带导线陶瓷电容器,为噪音对策、基板弯曲对策以及DC马达的噪声抑制等发挥高效作用。

现在带导线电容器再次受到瞩目的原因

导线并非"无用之物",它能够发挥各种功能及优点

人们所认识的带导线电子元件是以前支持封装技术的产品。确实,从小型化及节省空间方面考虑,导线看似是"无用之物"。然而,没有导线是SMD元件的优点所在,同时也使其产生了弱点。带导线元件中拥有许多优点是SMD元件所无法实现的,同时它还作为解决SMD元件根本性问题的有效解决方案而被另眼相看。

积层带导线陶瓷电容器的外观及结构

积层带导线陶瓷电容器是一种径向引线型陶瓷电容器,其在MLCC的外部电极上通过焊锡接合2条导线后再涂布树脂涂层(图1)。这样的电容器不仅拥有MLCC独有特性,同时还融合了导线减轻机械及热负荷的效果,树脂涂层带来的绝缘性及湿度隔绝效果等优点。以下对积层带导线陶瓷电容器的具体解决方案示例进行介绍。

图1 :积层带导线陶瓷电容器(FG系列/FA系列)的外观及结构

图1 :积层带导线陶瓷电容器(FG系列/FA系列)的外观及结构

噪音对策

陶瓷电容器中使用的电介陶瓷拥有电致伸缩的性质,会在施加电压的情况下外形出现微小变形。施加交流电压会使电容器元件体发生伸缩,因此通过焊锡接合于印刷基板上的MLCC会使基板发生振动,从而可以听到"叽—"的声音。这就是"噪音"。而在积层带导线陶瓷电容器中,导线会减小电容器元件体的伸缩,从而可有效解决MLCC的噪音问题。

基板弯曲对策

与噪音相反,因机械及热负荷等引起的基板弯曲会导致封装于基板上的MLCC焊锡接合部发生开裂等问题。积层带导线陶瓷电容器的导线可有效吸收基板弯曲所产生的应力,从而避免发生焊锡开裂。

取代薄膜电容器

TDK的积层带导线陶瓷电容器C0G特性产品属于低介电常数类(种类1),且满足最为严格的EIA的C0G标准,DC偏置导致的静电容量变化率极小,且温度特性也十分平稳,因此可取代薄膜电容器。此外,相比薄膜电容器其形状更小,因此在要求小型、节省空间以及有高度限制的部位中可发挥极大的效果。

可应对发动机舱等高温环境

车载电子设备的使用温度环境从酷寒到灼热,变化十分剧烈。尤其安装在发动机舱以及发动机附近的ECU(电子控制单元)等要求能够保证耐受150℃的高温。TDK的积层带导线陶瓷电容器的车载等级FA系列产品符合AEC-Q200,同时拥有NP0特性以及X8R特性,且备有众多150℃高温保证产品。
*NP0特性(-55~+150℃中的容量温度系数为0±30ppm/℃)、X8R特性(-55~+150℃中的容量变化率为±15%)

车载DC马达的噪声抑制① 积层带导线陶瓷电容器的解决方案

电动车窗、电动后视镜等,随着汽车电子化的发展,如今,在使用小型DC马达较多的汽车中,其数量达到了100个以上。该DC马达为有刷马达,因此在旋转时,毛刷与整流子的接点处会产生噪声。而通过焊接或铆接可实现简单、牢靠、紧凑连接的积层带导线陶瓷电容器可有效地抑制该噪声。积层带导线陶瓷电容器的独特优点在于,其可以用在不使用印刷基板的部位中。

车载DC马达的噪声抑制② 结合环形压敏电阻器的解决方案

TDK通过结合环形压敏电阻器与积层带导线陶瓷电容器,提供更为有效的车载马达用噪声抑制方案。TDK的优势在于同时制造并提供环形压敏电阻器与积层带导线陶瓷电容器。通过丰富的产品线来提供满足客户要求的解决方案。

1.噪音对策解决方案

基板噪音对策中积层带导线陶瓷电容器的优势

导致陶瓷电容器噪音的原因在于,作为电容器元件体的电介陶瓷的电致伸缩效应。这种情况在使用强电介质的高介电率型(种类2)陶瓷电容器中十分突出。
电致伸缩效应又被称为逆压电效应。施加压力使外形发生变形,从而产生电压的现象称为压电效应,而电致伸缩效应则与其相反,是通过施加电压使外形产生变化的现象。电介陶瓷是由多个细微电介质结晶构成的多晶体,每个晶粒在电气性质方面均具有不同的易极化方向。虽然方向各不相同,但为了在施加电压后统一方向,其外形将会发生变形,在施加交流电压后则会发生反复伸缩(图2)。为此,通过焊接接合在基板上的MLCC中,电容器元件体的伸缩会导致基板发生振动,就如平板扬声器一般,可以持续听到"叽—"的声音(图2)。

图2 : 陶瓷电容器噪音的原因以及使用积层带导线陶瓷电容器的解决方案

图2 :陶瓷电容器噪音的原因以及使用积层带导线陶瓷电容器的解决方案

由于实际的噪音强度等级各不相同,因此有时在设计阶段无法明确,而到制作试制基板时才会凸显出来,因此,经常会发生需要在出货前很短的时间内采取对策的情况。而积层带导线陶瓷电容器中,导线会吸收并减轻电容器元件体的伸缩,因此在这样的情况下,用其替换MLCC是十分方便且有效的解决方案。
图3所示为同样使用MLCC的SMD元件与带导线元件之间的噪音强度比较。在带导线元件中,无论频率大小如何,均可将噪音控制在较低等级。尤其在3kHz、5kHz等人耳可听范围中的减少情况十分显著。

图3: MLCC与积层带导线陶瓷电容器的噪音强度比较

图3: MLCC与积层带导线陶瓷电容器的噪音强度比较

2.基板弯曲对策解决方案

为拉伸强度较弱的MLCC提供支持

与噪音相反,基板弯曲导致的应力会使SMD元件的焊锡接合部位产生开裂等情况(图4左侧)。尤其是作为MLCC电容器元件体的电介陶瓷,虽然其抗压缩应力能力较强,但抗拉伸应力能力则较弱,封装部位中的基板弯曲应力会使电容器元件体本身发生开裂。电容器元件体的开裂在开路不良(内部电极断线)时会导致性能降低,而在短路不良(内部电极导通)时则会导致发热、冒烟、起火等情况。此外,还会存在在发生初期为开路不良,但在使用过程中逐渐发展成为短路不良的情况。
在承受振动、冲击等机械负荷以及因剧烈温度变化所导致的热负荷的车载电子设备中,对于这样的基板弯曲问题的有效解决方案便是将MLCC替换为积层带导线陶瓷电容器。由于基板弯曲应力会被导线吸收,因此对于通过焊锡接合导线的MLCC的影响会得到减轻(图4右)。同时,在频繁发生无钥匙启动、智能启动等掉落导致的冲击的设备中,积层带导线陶瓷电容器也可保持高可靠性。

图4 :SMD元件与带导线元件的基板弯曲应力的施加方式

图4 :SMD元件与带导线元件的基板弯曲应力的施加方式

3.取代薄膜电容器的解决方案

通过大幅节省空间实现优异特性

TDK的积层带导线陶瓷电容器C0G特性产品用于温度补偿,其可满足最为严格的EIA的C0G特性(在-55~125℃的温度范围中,容量温度系数0±30ppm/℃),同时还拥有以下特点。

《积层带导线陶瓷电容器C0G特性产品的特点》
●在保持C0G特性的同时实现高静电容量
●相比薄膜电容器拥有更佳的耐湿性
●拥有薄膜电容器同等以上的温度特性
●无DC偏置特性的电压依赖性
●无极性

通过这些特点,不仅是车载用途,其在开关电源的旁路电容与平滑电容器、缓冲电路、PFC输入滤波器等对小型及节省空间拥有更高要求的部位,以及拥有高度限制的部位中,也能发挥极为出色的效果(图5)。

图5:取代薄膜电容器的优点

图5:取代薄膜电容器的优点

4.车载DC马达的噪声抑制① 积层带导线陶瓷电容器的解决方案

无需使用印刷基板便可实现简单、切实、紧凑搭载

雨刷器、电动车窗、电动后视镜等,为提高便利性与安全性,近年来,在使用小型DC马达较多的汽车中,其数量达到了100个以上(图6)。其中绝大多数为有刷DC马达,在工作中,从毛刷及整流子的接点处会产生宽频带噪声。整流子会根据转子的旋转切换电流方向,但在电流瞬间变为OFF时,其会因自感应作用使绕组中产生较大的逆电动势,从而导致浪涌及噪声产生。因此,若不采取对策,则每当在雨刷器工作等情况下,收音机中便会产生杂音,从而会对车载电子设备造成不良影响。
电容器及电感器则用于抑制这样的DC马达噪声,然而,为了封装SMD元件而使用印刷基板时,则会发生空间不足、成本过高,以及配线导致噪声除去效果降低等各种问题。而使用带导线元件则可通过焊接或铆接方式实现简单、切实、紧凑搭载,从而可能解决空间及成本问题。而适用于不使用印刷基板的部位是带导线元件的独有优势。
此外,由于多数动力总成系统、行驶及控制系统等马达单元位于发动机舱内,因此支持150℃的电子元件的需求不断增加。TDK不仅拥有支持150℃的积层带导线陶瓷电容器,同时还备有众多支持150℃的车载等级产品。

图6 :用于汽车的小型DC马达的用途

图6 :用于汽车的小型DC马达的用途

图7所示为在小型DC马达中搭载积层带导线陶瓷电容器的示例。通过在狭小的刷握中紧凑地焊接2个积层带导线陶瓷电容器进行连接。在严酷条件下使用的车载DC马达对于耐候性、耐湿性、耐振及耐冲击性等拥有很高的可靠性要求,而树脂涂层的积层带导线陶瓷电容器解决方案可满足这些要求,而且简单无浪费。

图7:车载DC马达噪声抑制用电容器

图7:车载DC马达噪声抑制用电容器

5.车载DC马达的噪声抑制② 结合环形压敏电阻器的解决方案

通过了十分苛刻的噪声限制CISPR25 Class5

通过结合使用积层带导线陶瓷电容器与环形压敏电阻器,便可实现更大的有刷DC马达噪声抑制效果。压敏电阻器是使用了特殊半导体陶瓷的电路保护器件,搭载该器件是为了使电子设备免受ESD(静电放电)或雷击浪涌等的影响。环形压敏电阻器是在圆板状的压敏电阻器元件体表面安装了带间隙电极的器件,并安装于DC马达的整流子部位中。随着整流子的旋转,每当与毛刷的接点开放时,通过绕组的自感应作用会产生较大的浪涌电压,而环形压敏电阻器可吸收该浪涌(图8)。
TDK以VAR-18系列的形式提供有用于小型DC马达的各类环形压敏电阻器。通过结合该环形压敏电阻器以及积层带导线陶瓷电容器等进行噪声抑制,可使其满足极其严格的汽车国际EMC标准CISPR25 Class5(图9)。

图8 : DC马达用环形压敏电阻器的结构与原理

图8 : DC马达用环形压敏电阻器的结构与原理
图8 : DC马达用环形压敏电阻器的结构与原理
环形压敏电阻器

以下为环形压敏电阻器信息

图9 : 结合了积层带导线陶瓷电容器与环形压敏电阻器的马达用解决方案

图9 : 结合了积层带导线陶瓷电容器与环形压敏电阻器的马达用解决方案

图10所示为将积层带导线陶瓷电容器与环形压敏电阻器用于车载DC马达中的示例。环形压敏电阻器主要用于小型马达,积层带导线陶瓷电容器则用于较大尺寸的马达中,而其分界线大约为30~40mm的马达直径。预计汽车噪声限制将在今后变得更为严格,因此结合了积层带导线陶瓷电容器与环形压敏电阻器的马达噪声解决方案将有很大的发展空间。TDK同时制造环形压敏电阻器与积层带导线陶瓷电容器,这是TDK作为电子元件及设备生产商的优势。通过丰富的产品线快速提供满足客户要求的最佳解决方案。

图10:将积层带导线陶瓷电容器与环形压敏电阻器用于车载马达中的示例

图10:将积层带导线陶瓷电容器与环形压敏电阻器用于车载马达中的示例。
环形压敏电阻器

以下为环形压敏电阻器信息

环形压敏电阻器主要用于小型马达,积层型带导线电容器则用于较大的马达中,而其分界线大约为30~40㎜的马达直径。同时使用便可获得非常优异的噪声抑制效果。

积层带导线陶瓷电容器的各类解决方案指南 总结

积层带导线陶瓷电容器在MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器)上通过焊锡接合导线后在MLCC部位涂布树脂涂层。由于MLCC上覆盖有树脂层,因此绝缘性及湿度隔绝效果优异,同时带导线结构发挥了减轻机械及热负荷的效果,因此十分适合用于噪音对策及基板弯曲对策等解决方案。同时,由于无需印刷基板,且可通过焊接或铆接进行安装,因此通过内置于车载用小型DC马达的刷握中便可实现节省空间及低成本的噪声抑制,若与环形压敏电阻器同时使用,便可进一步提高效果。此外,DC偏压特性及温度特性优异的C0G特性产品通过大幅节省空间,实现了取代薄膜电容器。通过积层带导线陶瓷电容器独有的优点及特长,相信可以在客户的产品中大显身手。

《积层带导线陶瓷电容器FG系列/FA系列的主要特点及用途》
【主要特点】
  • 支持无卤素
  • 产品线丰富
  • 普通等级FG系列:额定电压6.3V~630V、静电容量1pF~100μF
  • 车载等级FA系列:额定电压25V~630V、静电容量100pF~22μF
  • NP0特性、X8R特性均实现了150℃保证,可耐受严酷的温度环境
  • 车载等级FA系列符合AEC-Q200
【主要用途】
  • 车载DC马达的噪声抑制
  • 噪音对策
  • 基板弯曲对策
  • 无钥匙启动等的谐振电路
  • 开关电源等的旁路电容、平滑电容器
  • 缓冲电路
  • PFC输入滤波器 等

积层带导线陶瓷电容器FG系列/FA系列 产品线(2016年5月生效)

积层带导线陶瓷电容器FG系列/FA系列 产品线
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