La soluzione ai problemi di carenza di condensatori MLCC

Carenza di condensatori MLCC

I condensatori ceramici multistrato, o MLCC, sono stati una pietra miliare nella produzione del settore elettronico per molti anni. Questi condensatori costituiti da strati alternati di ceramica e metalli hanno una vasta gamma di utilizzi, tra questi la possibilità di essere incorporati come condensatori di bypass, in amplificatori operazionali attivi, filtri e altro.

Il mercato si trova di fronte a tempi duri per la continua carenza globale di condensatori MLCC. La tendenza non lascia intravedere la fine e ci sono molti motivi che contribuiscono alla carenza di approvvigionamento.

In primo luogo, l’industria elettronica sta avanzando ad un ritmo rapido. Vengono sviluppate nuove tecnologie e i prodotti consumer vengono sostituiti a velocità più elevate, con un ciclo di vita molto più breve. Molti prodotti, come le automobili, vengono costruiti con una tecnologia più intelligente, che porta all’uso di un numero sempre maggiore di componenti elettronici e, in definitiva, più condensatori all’interno di ciascun dispositivo.

Di conseguenza, i grandi fornitori di MLCC sono al limite della loro capacità e non sono in grado di produrne la quantità necessaria. Le società più grandi stanno investendo nello sviluppo di condensatori di qualità superiore, il che significa che potrebbero ridurre o interrompere la produzione degli MLCC di gamma standard. I prodotti che non vengono più realizzati o che vengono forniti in capacità ridotte sono molto importanti per le aziende più piccole, che si concentrano principalmente sulla produzione di piccoli lotti.

Tuttavia, come si suol dire, quando si chiude una porta, se ne apre un’altra. Fornitori come KEMET e Panasonic hanno sviluppato condensatori polimerici in alternativa agli MLCC, al fine di soddisfare le esigenze del mercato. E chi avrebbe pensato che questi piccoli dispositivi potessero non solo sostituire i condensatori MLCC, ma perfino migliorare le prestazioni delle applicazioni?

I condensatori polimerici: l’alternativa agli MLCC

Come alternativa ai condensatori MLCC possiamo considerare 4 tipi di condensatori polimerici, con i quali possiamo coprire la maggior parte delle applicazioni:

• Condensatori polimerici in alluminio rotondi
• Condensatori polimerici al tantalio
• Condensatori polimerici in alluminio ibridi
• Condensatori polimerici in alluminio a strati

La linea di prodotti è completata dai condensatori a film.

La seguente panoramica mostra i vari disegni dei condensatori polimerici.

Stabile, piccolo e sicuro

Tutti e quattro i condensatori hanno alcuni vantaggi in comune:

• Stabilità: temperatura uniforme durante le prestazioni, alimentazione DC stabile, caratteristiche di stabilità complessive
• Dimensioni: 1 condensatore polimerico può sostituire più MLCC
• Sicurezza: grazie alla sua modalità di guasto in caso di corto circuito, un condensatore polimerico aggiunge sicurezza alle PCB

hahrokh Kananizadeh, European Capacitor Product Manager di Panasonic, ha commentato questi prodotti affermando:

La costante dielettrica non cambia quando si modifica la tensione: questo è il vantaggio principale dei condensatori polimerici (SP-Cap). I condensatori MLCC, invece, sono suscettibili di distorsione strutturale quando si applica una tensione DC, il che riduce l’affidabilità complessiva.

Allora, perché i condensatori polimerici non hanno già sostituito gli MLCC?

In primo luogo, gli MLCC sono veramente un prodotto valido per tutti. Sono molto versatili e si adattano alla maggior parte dei casi d’uso. I condensatori polimerici, al contrario, non sono prodotti “intercambiabili”, ossia il loro campo di utilizzo deve essere definito attentamente. Tuttavia, una volta individuato il modello adatto, il condensatore polimerico assicura spesso prestazioni migliori, durevoli e coerenti.

Lo svantaggio principale dei condensatori polimerici è che sono polarizzati. Ciò ne impedisce l’uso nei circuiti in cui possono essere sottoposti a una polarizzazione inversa o a un segnale AC.

Passaggio ai condensatori polimerici

Se si intende passare ai condensatori polimerici, si consiglia di definire i requisiti all’interno dei seguenti criteri:

Tensione;

I condensatori MLCC sono programmati su 0/1 V: la capacità effettiva diminuisce con la tensione applicata. I condensatori polimerici sono stabili rispetto alla tensione applicata, ma bisogna considerare un declassamento del 10 – 20%.

Capacità richiesta;

È necessario conoscere la capacità di 1 condensatore MLCC in condizioni di applicazione (tensione applicata, frequenza e invecchiamento) e il numero di condensatori in parallelo per calcolare la capacità totale di rete.

Corrente di ripple;

I condensatori polimerici possono gestire facilmente le correnti di ripple fino a 2 – 3 bracci (requisiti di ripple più elevati con prodotti ESR a singola cifra o costruzione in pila).

Frequenza di esercizio, Temperatura di esercizio, Altezza massima;

I condensatori polimerici sono leggermente più grandi degli MLCC, ma sostituiscono più MLCC.

Costo totale della soluzione;

Se si utilizzano solo pochi MLCC, il condensatore polimerico potrebbe risultare più costoso, ma, poiché può sostituire più condensatori MLCC, in genere permette di risparmiare molto.

Shahrokh Kananizadeh di Panasonic ha cercato di semplificare l’argomento dei valori ESR con alcune linee guida generali su impedenza e frequenza ESR:

Più è basso il valore dell’impedenza o il valore ESR del condensatore, più è utile per la stabilizzazione quando viene utilizzato in un circuito. Gli MLCC hanno i valori più bassi di ESR e impedenza, ma i valori degli SP-Cap sono abbastanza simili. Per i condensatori, da tenere in considerazione, è valutare la risposta in frequenza e, in particolare, la frequenza di autorisonanza.

Nel seguire queste linee guida principali, è necessario assicurarsi di usare i condensatori a una frequenza inferiore rispetto alla frequenza di autorisonanza. In questo contesto, 1 MHz è, grosso modo, la soglia critica a cui bisogna osservare attentamente le differenze tra i condensatori nella risposta di frequenza.

Tenendo a mente questo caso d’uso, insieme ai vari tipi di condensatori polimerici, come i condensatori polimerici in alluminio a strati, menzionati qui da Panasonic (SP-Cap), diamo uno sguardo più da vicino ad alcuni condensatori polimerici e ai loro punti di forza:

Domande e risposte con gli esperti di KEMET e Panasonic

Matthias Harder, Director Business Management TBG EMEA di KEMET, e Shahrokh Kananizadeh, European Capacitor Product Manager di Panasonic, ci hanno fornito alcune informazioni su questo articolo, rispondendo anche cortesemente ad alcune delle nostre domande.

Distrelec: Come si può convincere un ingegnere che sta eseguendo la prototipazione e che dispone di requisiti MLCC, a pensare a una soluzione alternativa, come i condensatori polimerici, e a incorporarli nel suo nuovo progetto? Esiste uno strumento/foglio con alcuni consigli che possono aiutare in un processo decisionale?

Matthias: Ora, sono disponibili prodotti alternativi. Ma non si tratta solo di questo: se guardiamo al costo totale della capacità cercata, ossia alla capacità netta di rete, le soluzioni alternative saranno determinate dal risparmio sui costi e dallo spazio. I condensatori polimerici possono offrire una capacità più stabile rispetto alla tensione DC e più costante nel tempo. Per ulteriori informazioni, abbiamo creato un webinar appositamente su questo argomento: https://ec.kemet.com/knowledge/polymer-capacitors-your-solution-when-mlcc-lead-times-are-tight.

Shahrokh: Un ottimo punto di riferimento è il nostro opuscolo sui condensatori polimerici S.O.S: https://eu.industrial.panasonic.com/download/sos-short-mlccs-choose-panasonic-polymer-series

Distrelec: Si tratta di una sostituzione equivalente o devo rivedere/riprogettare la mia applicazione?

Matthias: Abbiamo prodotti che possono sostituire perfettamente i condensatori MLCC 0805 e 1206. Tuttavia, non consigliamo di effettuare questa sostituzione, in quanto i vantaggi della tecnologia polimerica non risultano efficaci con una sostituzione completa. In generale, ha senso considerare i condensatori polimerici per i seguenti casi d’uso:

• Capacità netta >= 10 μF (per tensioni di applicazione fino a 14.4 V)
• 0.68 – 10 μF (a tensioni di applicazione di 45 V e superiori)
• Tensioni di applicazione fino a 67.5 V (60 V in condizioni difficili)
• Frequenze fino a 1 MHz

Tuttavia, sono possibili anche altri casi d’uso.

Shahrokh: A causa delle dimensioni e dei vantaggi dei condensatori polimerici rispetto agli MLCC, sarebbe richiesta una riprogettazione. Questa riprogettazione, tuttavia, risulta vantaggiosa poiché consente di risparmiare spazio sulla PCB e di ridurre i costi.

Distrelec: A che punto sono le risorse globali per i condensatori polimerici? A che punto sono le strutture produttive? Se iniziamo a usarli a livello globale, saremo presto a corto?

Matthias: KEMET prevede almeno di raddoppiare la capacità di produzione dei condensatori polimerici al tantalio entro il mese di marzo 2020 rispetto a marzo 2018. L’attuale fabbisogno annuale è di circa 1 100 tonnellate in tutto il mondo, con riserve di oltre 100 000 tonnellate.

Shahrokh: Per ogni condensatore polimerico, Panasonic dispone di propri impianti di produzione e reparti R&D in Giappone. Dispone, inoltre, di una seconda fonte di condensatori SP-Cap e POSCAP al di fuori del Giappone, in caso di disastri naturali e problemi di consegna, il che significa che non abbiamo una previsione attuale riguardo alle carenze. Stiamo considerando anche una seconda fonte di approvvigionamento per i condensatori OSCON e ibridi, ma, attualmente, disponiamo di molta capacità in previsione della crescita.

Distrelec: TIl tantalio è una risorsa proveniente da aree di conflitto. Da quali paesi KEMET proviene il tantalio utilizzato?

Matthias: KEMET è l’unico produttore di condensatori polimerici e MnO2 al tantalio totalmente conforme alla disposizione definitiva della SEC sui minerali provenienti da aree di conflitto, sezione 1502 del Dodd-Frank Act.

Utilizziamo esclusivamente materiali non provenienti da aree di conflitto, grazie ad un sistema “chiuso”, dalla Repubblica Democratica del Congo (RDC), e utiliziamo anche qualsiasi altro minerale di tantalio (columbo-tantalite), K-Salt (prodotto intermedio) o polvere o filo di tantalio, che sono certificati come provenienti da altri paesi non in conflitto. Informazioni più approfondite sono disponibili sul sito http://www.kemet.com/conflictfree