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如今電子設(shè)備正朝著輕、薄、小及多功能的方向發(fā)展,在更智能的同時(shí)無論是身邊必不可少的消費(fèi)電子還是勢(shì)頭正猛的汽車電子都發(fā)生著日新月異的變化。這一變化對(duì)驅(qū)動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn)著電子設(shè)備的元器件而言,提出了更高的要求,革新成了一種常態(tài)與生存法寶。
電子元器件要如何應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)進(jìn)行自我的革新?今天我們就來說說電容中的新秀超級(jí)電容以及 2017 一開年就進(jìn)入缺貨狀態(tài)的 MLCC。
盡管現(xiàn)在提起村田,想到的已不只是電容;但提及電容,還是會(huì)想到村田。僅在 MLCC 方面,村田的全球市占率就達(dá) 35%以上。以下就結(jié)合 2 月 23 日上海舉辦的“陶瓷電容、超級(jí)電容與汽車 ADAS 技術(shù)沙龍”活動(dòng)中,村田電容產(chǎn)品高級(jí)工程師對(duì) MLCC 與超級(jí)電容的深刻解讀來展開。
什么是電容?百度谷歌可以解答得很詳細(xì)。單純講電容技術(shù)會(huì)顯得比較枯燥,那么我們就以汽車電子與消費(fèi)電子為切入點(diǎn)。
汽車逐漸向智能化的方向偏移,目前汽車中使用的電器和電子產(chǎn)品元件占總成本的比例已高達(dá) 40%。未來,這一占比必將進(jìn)一步提高。汽車電子中最熱門的 ADAS 系統(tǒng)中就藏著幾百甚至上千顆電容。
2017 年首季全球 MLCC 供應(yīng)火爆,供需缺口達(dá) 5%,再加之蘋果 iPhone 8 備貨潮,及車用電子 MLCC 等市場(chǎng)的需求拉抬,估計(jì) MLCC 供需情況將會(huì)更為緊俏。據(jù)日本調(diào)研機(jī)構(gòu) 2017 年 MLCC 的展望報(bào)告顯示,手機(jī)、平板電腦、PC 等消費(fèi)類設(shè)備,MLCC 需求量預(yù)估將再度增加 106 億個(gè)。村田是全球最大的 MLCC 廠商,也是蘋果最大的 MLCC 供應(yīng)商。據(jù)悉,一臺(tái) iPhone 6 就配備了 400 個(gè)村田的 MLCC。
MLCC
MLCC 即多層陶瓷電容器,又稱片式電容器、積層電容、疊層電容等,屬陶瓷電容器的一種。
MLCC 是由印好電極(內(nèi)電極)的陶瓷介質(zhì)膜片以錯(cuò)位的方式疊合起來,經(jīng)一次高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片,再芯片的兩端封上金屬層(外電極),形成一個(gè)類似獨(dú)石的結(jié)構(gòu)體。
對(duì)于 MLCC,最令工程師頭疼的是哪些問題?
答:開裂短路、電容嘯叫以及電路設(shè)計(jì)布板空間問題。
開裂短路
基板分割、檢測(cè)工序?qū)﹄娙萜鳟a(chǎn)生的應(yīng)力,已經(jīng)成為電容器由于基板彎曲產(chǎn)生裂紋的主要原因。MLCC 基體承受拉伸應(yīng)力,應(yīng)力在元件上的分布不一致,應(yīng)力集中在元件薄弱處時(shí),易產(chǎn)生裂紋。
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裂紋易發(fā)生在端電極部位,除了應(yīng)力集中外,與 MLCC 端電極存在天然微缺陷有關(guān),有時(shí)肉眼可見,大多數(shù)情況外觀無損壞痕跡。當(dāng) MLCC 存在裂紋,輕則產(chǎn)品容量低甚至無容量,導(dǎo)致電路不能正常工作;重則產(chǎn)品絕緣低、漏電、短路甚至燒毀。
MLCC 開裂短路的解決方案
村田應(yīng)對(duì) MLCC 開裂短路有多種解決方案,軟端子設(shè)計(jì)最被看好。軟端子電容是一種能明顯提高 MLCC 端頭抗裂紋性能的方案。具有高強(qiáng)度的抗彎曲性能,彎曲深度可達(dá)到 5mm。而常規(guī)端頭 MLCC 的抗彎曲深度一般為 2~3mm。同時(shí),軟端子電容在汽車上得到廣泛的應(yīng)用。
嘯叫
MLCC 嘯叫產(chǎn)生是由于在電壓作用下發(fā)生幅度較大的振動(dòng)。陶瓷介質(zhì)是 MLCC 主要組成部分,電壓作用下電致伸縮不可避免。若電致伸縮強(qiáng)烈表現(xiàn)為壓電效應(yīng),則會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。因此在較大交變電壓下,會(huì)產(chǎn)生明顯的嘯叫,如開關(guān)電源、高頻電源等場(chǎng)合。我們的手機(jī)、電腦都會(huì)發(fā)生嘯叫現(xiàn)象。應(yīng)對(duì)這個(gè)問題,村田可提供的方案如下圖。
電路設(shè)計(jì)布板空間問題
面對(duì)此問題,村田提供 LOWESL 電容解決方案。
村田 LOWESL 電容器有兩種,即長(zhǎng)寬倒置電容器和三端子電容器。
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?活動(dòng)當(dāng)天,另一個(gè)受人矚目的話題是超級(jí)電容。超級(jí)電容在消費(fèi)領(lǐng)域已相當(dāng)普及,最早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作的大本營(yíng)便是智能儀器及高端電子消費(fèi)品市場(chǎng)。舉例而言,可穿戴設(shè)備已成為超級(jí)電容潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。
下面我們就來看看超級(jí)電容的“真容”。
超級(jí)電容
EDLC 即超級(jí)電容,又稱雙電層電容器、電化學(xué)電容器,在固體(電極)和液體(電解液)的接觸界面上形成的電氣雙層(雙電層)的狀態(tài)來取代了電介質(zhì)。超級(jí)電容的種類繁多,常見的有紐扣式,圓柱狀 / 插腳式,層壓式等等。
超級(jí)電容與普通電容截然不同,它通過極化電解質(zhì)來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能,但同時(shí)與電容一樣屬于物理變化而非電池那樣的化學(xué)變化。因此 EDLC 特性介于電容和電池之間,或者說集合了二者的優(yōu)點(diǎn)。相比電池具有高功率,相比電解電容又具有大能量。
村田 EDLC 產(chǎn)品具有超低 ESR、最大 10A 充放電、超低漏電流、耐高溫、長(zhǎng)壽命等特性。被廣泛應(yīng)用于小型 DC 馬達(dá)設(shè)備、高功率 RF 通信、電池更換時(shí)的后備電源、音頻設(shè)備(高品質(zhì)音質(zhì))、能源采集的 IoT 設(shè)備等情況下。
村田是如何優(yōu)化 EDLC 產(chǎn)品的?村田電容產(chǎn)品高級(jí)工程師吳海華女士介紹,面對(duì)干涸失效機(jī)制,村田開發(fā)更耐高溫的電解液,延長(zhǎng)干涸壽命;更可靠的封裝性能,防止電解液蒸發(fā)。面對(duì)經(jīng)時(shí)劣化機(jī)制,選擇性能優(yōu)異的材料;更好的封裝設(shè)計(jì),防止水分進(jìn)入。
無論是消費(fèi)領(lǐng)域還是汽車領(lǐng)域,隨著智能化程度的增加、功能的激增,設(shè)計(jì)必將越來越復(fù)雜,這對(duì)電子元器件提出了不小的挑戰(zhàn),元器件不得不選擇自身的變革。業(yè)內(nèi)人士曾表示未來汽車對(duì)電子系統(tǒng)的需求與依賴加大,由電子元器件引發(fā)的問題也將增多,這將成為汽車安全最不確定的因素。器件雖小,影響卻未必小。
新的電子設(shè)備要有新的電子元器件來構(gòu)成,而新的電子元器件又要在材料、封裝等多方面下功夫。任何想長(zhǎng)期生存的電子元器件供應(yīng)商都必須要求新、求變,不斷的打磨自己與產(chǎn)品,以防被淘汰。
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