הבטחת טעינה בטוחה ואמינה של הרכב החשמלי באמצעות קבלים קרמיים רב-שכבתיים עם סיומות גמישות

בעוד שכמות האלקטרוניקה בכלי הרכב גדלה במהירות, בתעשייה ההתמקדות נטתה להיות בחיישנים, ביחידות בקרת מנוע (ECU), בניווט, בחיבוריות בתוך תא הנוסעים, בשמע ובמערכות סיוע מתקדמות לנהג (ADAS). ככל שהרכבים החשמליים (EV) נכנסים למיינסטרים, רכיבים אלקטרוניים בעלי מתח גבוה ואמינות גבוהה שמסוגלים לעמוד במעל 800 וולט תוך עמידה בדרישות סביבתיות מחמירות הופכים לחיוניים. צורך זה חל ממש עד רמת הקבלים.

יחד עם עמידה בתקנים כגון AEC-Q200 לעמידות במאמצים, מתכנני רכב הבוחרים קבלים חייבים לשקול מאפיינים פיזיים וחשמליים רבים בהתאם ליישום הספציפי. עבור לולאות משוב נדרשים קבלים עם טולרנס צר ומקדמי טמפרטורה יציבים. ביישומי תדר גבוה, ההשראות הטורית האקוויוולנטית (ESL) חייבת להיות נמוכה. ביישומי הספק, יש צורך ברכיבים עם התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) נמוכה אם צפויים זרמי אדווה גבוהים. עבור רכבים חשמליים, מזעור הגודל והמשקל חשוב גם הוא.

כדי לתת מענה לדרישות אלו, זמינים כעת קבלים קרמיים רב-שכבתיים (MLCC) בהרכבה משטחית, המאושרים בטיחותית, ועומדים במספר מפרטי ואישורי בטיחות בינלאומיים – כולל AEC-Q200.

מאמר זה מתאר את המבנה של קבלי MLCC ואת מה שנדרש מה-MLCC עבור רכבים חשמליים (EV‏). לאחר מכן הוא מציג כיצד גודלם האינהרנטי ונצילותם הנפחית, כמו גם מאפיינים כגון סיומות FlexiCap ומתחי עמידה גבוהים, עוזרים לקבלי ה-MLCC לעמוד בדרישות הפיזיות והחשמליות. מובאות דוגמאות מציאותיות מבית Knowles Syfer.

מבנה קבלי ה-MLCC

קבלי ה-MLCC הם קבלים להרכבה משטחית המורכבים ממספר אלמנטים בודדים של קבלים המוערמים אנכית ומחוברים במקביל על ידי סיומות הקצה. מכאן המונח רב-שכבתי (איור 1).

איור 1: בהצגת חתך-רוחב של מבנה ה-MLCC רואים מספר שכבות קבלים המוערמות במארז משותף. (מקור התמונה: Knowles‏ Syfer‏)

כדי לבנות קבל MLCC, שכבות הדיאלקטרן הקרמי בנויות באמצעות תהליך ייצור של אלקטרודות בעלות קוטביות חיובית ושלילית לסירוגין. הדבר מאפשר יצירת מספר רב מאוד של שכבות. החיבור המקביל של צמדי האלקטרודות החיובית (+) והשלילית (-) המרובים הללו מאפשר ייצור של ערכי קיבוליות גדולים במארז קטן יחסית.

האלקטרודות הן מתכתיות ובעלות מוליכות גבוהה. תהליך הייצור דורש מהאלקטרודות להיות לא ראקטיביות מבחינה כימית ובעלות נקודת התכה גבוהה. לשם כך, קבלי ה-MLCC של Knowles Syfer משתמשים בשילוב של כסף ופלדיום בתור אלקטרודות.

דיאלקטרנים חייבים גם להיות מבודדים טובים. הפרמיטיביות היחסית – או הקבוע הדיאלקטרי (e_r) – קובעים את הקיבוליות שניתן להשיג עבור הגאומטריה של רכיב נתון. לדוגמה, קבלי ה-MLCC המשופרים להרכבה משטחית המאושרים בטיחותית מבית Knowles Syfer מגיעים עם שתי רמות של דיאלקטרנים קרמיים. הראשונה היא C0G/NP0, דיאלקטרן Class 1 של EIA‏, בעל פרמיטיביות של בין 20 ל-100, ביחס לפרמיטיביות של ואקום בעל e_r של 0. השנייה היא X7R, דיאלקטרן Class 2 של EIA, בעל e_r של בין 2000 ל-3000. לשם השוואה, ה-e_r של נציץ (MICA) הוא 5.4, ושל ציפוי פלסטיק הוא 3. לכן, הקבל הקרמי יהיה קטן יותר עבור ערך קיבוליות נתון. בחירת הדיאלקטרן משפיעה על יציבות הקבל ביחס לטמפרטורה, למתח המוחל ולזמן. באופן כללי, ככל שה-e_r גבוה יותר, ערך הקיבוליות פחות יציב.

ה-EIA מסווג דיאלקטרנים מ-Class 2 בסיווג אלפאנומרי. האות הראשונה מציינת את הטמפרטורה המינימלית, המספר מציין את הטמפרטורה המקסימלית, והאות האחרונה מתארת את טולרנס הקיבוליות. הדיאלקטרן X7R מתפענח לטמפרטורה מינימלית של ‎-55°C, טמפרטורה מקסימלית של ‎+125°C וטולרנס קיבוליות של ±15%. לדיאלקטרנים Class 1 כגון C0G יש קידוד דומה. התו הראשון, אות, מעניק את הנתון המשמעותי של שינוי הקיבוליות עם הטמפרטורה בחלקים למיליון לכל מעלה צלזיוס (ppm/°C). עבור הדיאלקטרן C0G, ה-C מייצג את הנתון המשמעותי ‎0 ppm/°C ליציבות הטמפרטורה. המספר השני הוא המכפל ליציבות הטמפרטורה. ה-0 מציין מכפל של ‎10^-1. האות האחרונה, G, מגדירה את שגיאת הקיבוליות, ‎±30 ppm.

דיאלקטרנים Class 1 מציעים דיוק ויציבות גבוהים יותר. הם גם מפגינים הפסדים נמוכים יותר. דיאלקטרנים Class 2 פחות יציבים אך מציעים נצילות נפחית גבוהה יותר, ובכך מספקים קיבוליות גדולה יותר ליחידת נפח. כתוצאה מכך, קבלי MLCC בעלי ערך גבוה יותר משתמשים בדרך כלל בדיאלקטרני Class 2. לקבלי ה-MLCC המשופרים והמאושרים בטיחותית מבית Knowles Syfer יש תחום קיבוליות גבוה של 4.7 פיקו-פאראד (pF) עד 56 ננו-פאראד (nF), בהתאם לדיאלקטרן הנבחר, וערכי מתח נקובים של עד 305 וולט בזרם חילופין (VAC).

הקיבוליות של קבל MLCC היא ביחס ישר לשטח החפיפה של האלקטרודות, כמו גם ל-e_r של הדיאלקטרן הקרמי. הקיבוליות היא ביחס הפוך לעובי הדיאלקטרן, בעוד שהמתח הנקוב ביחס ישר אליו. על כן, יש פשרות בין הקיבוליות, המתח הנקוב והגודל הפיזי של הקבל.

קבלי MLCC עבור רכבים חשמליים (EV‏)

לקבלי MLCC יש ESL (השראות טורית שקולה) ו-ESR (התנגדות טורית שקולה) נמוכים יחסית, ההופכים אותם למתאימים יותר ליישומי תדר גבוה, ועם מבחר רחב של דיאלקטרנים, ניתן למטב את ערכי הקיבוליות ותחום הטולרנס עבור היישום. הם רכיבים להרכבה משטחית עם מארזים מאוד יעילים וולומטרית, שעוזרים להם להתמודד עם אילוצי מקום ברכבים החשמליים (EV). הם גם עמידים ביותר בפני נחשולי מתח רגעיים בהשוואה לקבלים אלקטרוליטיים מאלומיניום וקבלי טאנטאלום.

בעוד שקבלי MLCC נמצאים בשימוש נרחב, אם הם נתונים למאמצים מכניים עקב רעידות או זעזועים, הם עלולים להיסדק. סדקים פותחים את ההתקן לדגרדציה באמצעות זיהום לחות. המתכננים של Knowles Syfer טיפלו בבעיה זו על ידי יצירת סיומות FlexiCap המציעות טולרנס מוגדל לכפיפת הרכיב (איור 2).

איור 2: תכנון Knowles Syfer FlexiCap המשתמש בבסיס סיומות מפולימר אפוקסי גמיש קנייני מתחת למחסום קצה-הקבל הרגיל כדי לספק עמידות רבה יותר בפני נזקים כתוצאה מכפיפת הלוחות. (מקור התמונה: Knowles‏ Syfer‏)

בסיס הסיומות הגמיש המשמש ב-FlexiCap מיושם מעל האלקטרודות. חומר זה הוא פולימר אפוקסי מעורב באבקת כסף אשר מיושם בטכניקות סיומת קונבנציונליות ולאחר מכן עובר אשפרה בחום. הוא גמיש, וסופג חלק מהמאמץ המכני שבין הלוח לקבל ה-MLCC המורכב.

כתוצאה מכך, רכיבים עם סיומות FlexiCap עומדים ברמות גבוהות יותר של מאמץ מכני בהשוואה לרכיבים עם סיומות מדובקקות (Sintered). FlexiCap מציעה גם הגנה משופרת מפני היסדקות מכנית וביישומים שבהם מתרחשים שינויי טמפרטורה מהירים. עבור מתכנני רכבים חשמליים, התוצאה היא מידה רבה יותר של טולרנס כפיפה בטיפול בלוחות בתהליך, המתורגמת לתפוקה מוגברת ופחות תקלות בשטח.

דבר נוסף שחשוב ברכבים חשמליים, הקבלים המאושרים בטיחותית של Knowles Syfer זמינים עם אישור AEC-Q200. החלקים נחשבים "מורשי AEC-Q200" אם הם עברו את סדרת בדיקות המאמץ המחמירות, בין היתר עבור טמפרטורה, הלם תרמי, עמידות בפני לחות, טולרנס המידות, עמידות לממסים, זעזועים מכניים, רעידות, פריקה אלקטרו-סטטית, יכולת הלחמה וכפיפת הלוחות.

מבחינה חשמלית, הקו המאושר בטיחותית מתאפיין במתח עמידה דיאלקטרי (DWV) גבוה של 4 קילו-וולט זרם ישר (kV_DC) ו-‎3 kV_RMS. אלה הן תכונות חיוניות עבור מערכות טעינה לרכבים חשמליים של 800 וולט שבהן יש צורך במרווחי בדיקה וביטחון רחבים.

דוגמאות לקבלי MLCC עבור רכבים חשמליים (EV‏)

מתוך הקו המאושר בטיחותית והמשופר של Knowles Syfer, מגוון רחב של ערכי קבלים מצויד הן בסיומות Flexicap והן באישור AEC-Q200, ההופך אותם למתאימים במיוחד ליישומי רכבים חשמליים (EV‏). לדוגמה, 1808JA250101JKTSYX הוא קבל C0G/NP0‏ ‎100 pF עם מתח נקוב של 250 וולט AC עבור יישומי Class Y2 (קו להארקה), ו-305 וולט AC ביישומי Class X1 (קו לקו) עם טולרנס של ±5%. הוא נתון במארז 1808 במידות של 0.195 ×‏ 0.079 אינץ', או 4.95 ×‏ 2.00 מילימטר (מ"מ) (איור 3).

איור 3: הצגת המידות הפיזיות של קבל MLCC‏ 1808JA250101JKTSYX (משמאל) ביחד עם מערך פדי ההלחמה המומלץ שלו (מימין). (מקור התמונה: Knowles‏ Syfer‏)

קבל X7R טיפוסי הוא 1812Y2K00103KST מבית Knowles Syfer, התקן בן ‎10000 pF ±10% 2 kV במארז 1812 במידות 4.5 × 3.2 × 2.5 מ"מ. לשני סוגי הקבלים, 1808JA250101JKTSYX ו-1812Y2K00103KST יש תחום טמפרטורות של ‎-55°C עד ‎+125°C‎. קו המוצרים זמין בגדלים 1808, 1812, 2211, 2215 ו-2220, בהתאם לדיאלקטרן שבו נעשה שימוש, ערך הקיבוליות והמתח הנקוב.

דוגמאות אחרות הן 1808JA250101JKTS2X מבית Knowles Syfer, קבל C0G/NP0‏, ‎100 pF‏, 250 וולט AC‏ (Class X2‏), ‎1 kV DC עם טולרנס של ±5%. ה-2220YA250102KXTB16 הוא קבל X7R‏, ‎1000 pF ±10%‏, 250 וולט .

שימו לב שדרישות הייצור להרכבה והלחמה של קבלים עם סיומות FlexiCap זהות לאלו של קבלי MLCC עם סיומות מדובקקות (Sintered) סטנדרטיות, כך שאינם דורשים טיפול מיוחד. בנוסף, ובהתייחסות שוב לאיור 3, ניתן להרכיב קבלי שבב של Knowles באמצעות מערכי פדים התואמים ל-IPC-7351, דרישות כלליות לתכנון הרכבה משטחית ותקני דפוסי חתימות שטח. מעבר לכך, גורמים אחרים הוכחו כמפחיתים מאמצים מכניים, כמו הקטנת רוחב הפד לפחות מרוחב השבב.

סיכום

קבלי ה-MLCC‏ Flexicap באישור AEC-Q200 מבית Knowles Syfer מתאימים ביותר ליישומי רכבים חשמליים, במיוחד מערכות סוללות ה-800 וולט שבהן מתח הבדיקה המוגדל ומרווח הבטיחות להתמודדות עם נחשולים ומצבים טרנזיינטיים הם חיוניים. סיומת FlexiCap מאפשרת לקבלים להתמודד עם רמות גבוהות יותר של מאמצים מכניים. על כן, ומשום שהם עומדים ב-AEC-Q200, הם מציעים למתכננים שילוב ייחודי של יכולת, יציבות ואישור בטיחות.