Componenti passivi robusti

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Condensatori

Condensatori ceramici

Con i condensatori più comunemente usati, i chip ceramici (MLCCs – Multi Layer Ceramic Capacitor), il tema della robustezza inizia a porsi già in fase di lavorazione del componente all’interno del processo di fabbricazione del modulo. Circa il 90% dei problemi con gli MLCC consiste nelle crepe formate in seguito alla flessione del supporto, causata da un sovraccarico meccanico.

Per ovviare a ciò in primo luogo si può optare naturalmente per l’ottimizzazione del processo di lavorazione, e in particolar modo per  il posizionamento dei componenti su scheda, la depanelizzazione ed ulteriori fasi di montaggio delle schede elettroniche.

Meccanismi di formazione delle crepe da flessione

Inoltre, oggi i package MLCC sono disponibili con terminazione morbida (denominata anche flexiterm, terminazione flessibile, elettrodo morbido), in parte disponibile in combinazione con schemi in modalità aperta e flottante (con collegamento interno in serie), i quali sopportano una forza di piegatura sostanzialmente superiore.

Schemi: modalità aperta con terminazione morbida (sinistra), modalità flottante con terminazione morbida (destra)

Schema condensatori ceramici_modalità aperta (sinistra), schema condensatori ceramici_modalità flottante (destra)

Ulteriori varianti robuste sono date da MLCC con montaggio speciale di tipo “leadframe”, i cosiddetti Stacked MLCC, Metal Terminal MLCC o Mega Cap.

Condensatori Mega Cap di TDK

Anche le alte temperature al di sopra delle più comuni specifiche standard di 125°C costituiscono un aspetto da considerare con i package MLCC. A questo scopo Rutronik offre ad es. componenti specificati fino a 150°C, in parte anche fino a 200°C. Essi sono specificati con i dielettrici X8R, X8L e X9U (200°C) con deriva ammissibile a fronte dell’escursione di temperatura massima pari a +-15%, +15-40% e +15-56%. In corrispondenza di temperature più basse è possibile inoltre ottenere una capacità stabile con ad es. appena circa il 7,5% a 125 °C.

Nell’immagine a destra sono si possono vedere alcuni diagrammi tipici.

Diagrammi tipici dei condensatori ceramici

Anche per altri requisiti, molto specifici, delle singole applicazioni è possibile selezionare un numero sempre più grande di componenti con funzioni ottimizzate. Questi sono perciò caratterizzati dal fatto che, al di fuori di piccoli valori parassiti, essi sono dotati di caratteristiche specifiche in DC e in AC, per ciascun caso applicativo specifico. In base al particolare campo applicativo si chiamano ad es. HiRel, RF o alle microonde, a basse perdite con ESR ultra bassa o con polarizzazione DC garantita.

Condensatori al tantalio

Anche i requisiti dei condensatori al tantalio aumentano costantemente – di pari passo con le temperature alle quali essi sono esposti. Anche l’industria del petrolio e del gas necessita di condensatori ad alta temperatura per i condensatori DC/DC all’interno delle punte di perforazione, le quali, a fronte delle profondità crescenti di perforazione, sono esposte a temperature sempre più alte, fino a 175°C e oltre. Per i generatori o i dispositivi di avviamento delle auto, alcuni produttori hanno introdotto sul mercato delle famiglie di prodotti di classe automotive, le quali, con temperature operative fino a 175°C, possono essere inserite anche nel vano motore.

Espandere ulteriormente questo campo applicativo è tutt’altro che banale, perché il calore influisce sulla stabilità chimica e meccanica dei materiali del condensatore. Di conseguenza, la scelta dei materiali più adatti è decisiva. I condensatori al tantalio sono noti per la loro eccellente affidabilità, robustezza e stabilità delle caratteristiche elettriche. Essi sono disponibili per temperature fino a 175°C, talvolta addirittura per oltre 200°C. Nelle applicazioni medicali il criterio decisivo è di ottenere correnti di perdita in DC il più possibile ridotte, ossia una durata maggiore per le applicazioni portatili ed impiantabili come pace maker, defibrillatori cardiaci impiantabili (IDC) e stimolatori neurologici.

Per questo motivo Rutronik commercializza nuovi condensatori a chip al tantalio di tipo SMD, i quali non solo soddisfano questo requisito, ma offrono anche un’elevata robustezza, stabilità e inoltre un funzionamento efficiente a fronte di una durata praticamente illimitata. Con alloggiamenti compatti essi coprono una vasta gamma di combinazioni capacità/tensione nominale (CV) e si prestano per applicazioni dove lo spazio è limitato.

Condensatori a film

I condensatori a film metallizzato sono utilizzati molto spesso come componenti di protezione antidisturbo, per lo più i condensatori “X2”, nei filtri di rete degli apparecchi, i quali sono fatti operare con connessione diretta alla rete elettrica. Essi portano con sé un’intera gamma di vantaggi, tra i quali un fattore di dissipazione ridotto, oltre ad una dipendenza ridotta della capacità e del fattore di dissipazione dalla temperatura e dalla frequenza.

Disposizione di un condensatore X2.ai

Tuttavia, a causa della crescente miniaturizzazione, essi sono diventati sempre più inclini all’invecchiamento rapido attraverso un degrado del valore della capacità, che è ulteriormente favorito da valori elevati di temperatura e di umidità. Questo è causato principalmente all’effetto corona (ionizzazione all’interno, e una conseguente evaporazione delle metallizzazioni, che provoca una perdita di capacità). Mentre questo, con la disposizione dei condensatori classici di classe “X2”, ossia paralleli alla rete, porta ad una minore soppressione del rumore, con i circuiti seriali (partitore di tensione capacitivo) sempre più diffusi, provoca il guasto completo dell’apparecchio.

Collegamento seriale.ai

I rimedi in tal caso sono efficaci, e sono costituiti dai effetti di tipo anti-corona o senza-corona con materiali e strutture particolari, come tra l’altro la connessione in serie interna. Attraverso questi ultimi, la ionizzazione viene impedita e il valore di capacità rimane stabile, e con ciò é possibile ottenere l’affidabilità richiesta, anche utilizzando il componente in configurazione seriale all’interno della rete.

Elettrolitici

Accanto alle applicazioni classiche, come ad esempio nelle reti di alimentazione elettrica, nell’alimentazione dei LED, negli apparecchi di misurazione dell’energia, negli inverter impiegati nei sistemi di illuminazione, fra tutte si distinguono le soluzioni automotive le quali, con un contenuto in forte aumento di moduli elettronici, impongono requisiti sempre più spinti ai condensatori elettrolitici, specialmente riguardo alla durata.

Elkos

Apparecchi utente sempre più piccoli impongono un compito arduo ai condensatori elettrolitici. Infatti questi ambienti sono caratterizzati da temperature particolarmente alte, e i parametri caratteristici dei condensatori elettrolitici all’alluminio sono dipendenti dalla temperatura. Nuove varianti stabili nel tempo e in grado di sopportare le alte temperature offrono, rispetto alle altre tecnologie, non solo una lunga durata operativa fino a 20.000 ore a 105°C, ma anche un chiaro vantaggio di costo. Esse reggono temperature fino a 150°C e presentano, in corrispondenza di temperature inferiori, un’impedenza eccellente e un andamento perfetto della ESR.

Panasonic

Rubucon

Resistenze a film spesso

Le resistenze in tecnologia a film spesso sono i componenti SMD più comunemente utilizzati. In questo caso, tolleranze dell’ordine dell’1% fino al 5% e un coefficiente di temperatura di 100 ppm/K nei formati standard da 01005 fino a 2512, costituiscono dei valori tipici. A seguito dei più recenti, significativi sviluppi  della tecnologia, negli ultimi anni per tali resistenze si sono aggiunti anche requisiti speciali, come ad es. un’elevata tolleranza agli impulsi. Ciò é ottenuto attraverso il ricorso ad uno strato di resistenza non tagliato ed omogeneo, che è usato in tutta la sua larghezza, e quindi non è limitato da un’area con “punti caldi”.

In questo modo possono essere assorbiti singoli impulsi con una potenza massima di 4000W per 100 microsecondi. Resistenze a film spesso di questo tipo, resistenti agli impulsi, stanno via via sostituendo le altre tecnologie, grazie ai loro costi contenuti, all’elevata disponibilità e alle dimensioni e al peso ridotti.

Le resistenze resistenti allo zolfo, note anche come “Anti Sulfuration Chip Resistors“, sono concepite per applicazioni in atmosfere di gas nocivi,  prevalentemente in campo automotive. Questa caratteristica è ottenuta attraverso una lega con una piccola percentuale di palladio nell’elettrodo interno.

Questa lega è essenzialmente più resistente alla formazione di solfuri rispetto all’argento puro. Uno strato di protezione omogeneo impedisce ulteriormente la penetrazione dei gas aggressivi. Grazie a ciò, la resistenza non può essere danneggiata dalla crescita rispettivamente di solfati e di cristalli di argento.

Nelle resistenze ad ampio terminale con geometria inversa, i contatti si trovano sul lato lungo del componente. Dal momento che il trasporto di calore avviene principalmente attraverso il giunto di saldatura, é possibile ottenere una conducibilità termica ottimizzata del circuito e di conseguenza una dissipazione di potenza minore.

Le prestazioni sono superiori anche del 50% rispetto a resistenze Flat Chip analoghe di tipo standard con le stesse dimensioni. Il modello di una resistenza chip di tipo “Long Side Termination” é indicata ad es. con 0612 al posto di 1206, il che significa che lunghezza e larghezza sono invertite.

Le resistenze MELF (Metal Electrode Leadless Faces) offrono una tolleranza elevata agli impulsi di corrente, stabilità rispetto alla temperatura e nel tempo,  oltre ad una resistenza elevata alle alte tensioni.

Sono disponibili sia con tolleranze standard dell’1%, sia anche nei modelli con un’alta precisione fino ad appena lo 0,1%.

Rutronik offre questi prodotti in tecnologie diverse, basati su tecnologia a film in carbone e a film metallico, i quali di volta in volta soddisfano requisiti specifici, tra cui quelli per il controllo dei motori, per gli elettrodomestici, per l’elaborazione dei segnali in applicazioni industriali e per gli apparecchi medicali.

Varistori

I varistori sono resistenze che variano con la tensione, la cui resistenza diminuisce bruscamente a partire da una determinata soglia. Potendo assorbire grosse quantità di energia con tempi di risposta ridotti al di sotto del nanosecondo, essi sono ideali per la protezione dalle sovratensioni, oltre che per la protezione dei circuiti elettronici e nell’elettronica di potenza.

I varistori radiali agli ossidi metallici (MOV) costituiscono una variante economica. Essi possono assorbire una grande quantità di energia in poco tempo, e ad oggi sono più comunemente fabbricati in ossido di zinco (ZnO). Assieme ad altri ossidi metallici, come l’ossido di bismuto, di cromo o di manganese, la polvere viene pressata e sinterizzata sotto forma di pastiglie. Il loro invecchiamento relativamente rapido,  anche in presenza di più sovratensioni di piccola entità, provoca tuttavia una riduzione della tensione di soglia nel tempo e corrispondentemente un aumento della corrente di perdita. I progressi nelle tecnologie di processo e l’ottimizzazione dei materiali hanno nel frattempo diminuito considerevolmente l’usura e le tolleranze dei parametri principali.

I varistori multilayer o multistrato (MLV) sono componenti bidirezionali, i quali hanno la funzione di sopprimere transitori, come ad es. ESD, impulsi di sovracorrente o sovratensione e sequenze di impulsi. Essi sono collegati in parallelo all’elettronica da proteggere ed offrono un percorso alternativo, a bassa resistenza, all’impulso di corrente ESD, che viene scaricato a terra.

Rispetto ad un diodo, i MLV si contraddistinguono per un tempo di reazione più breve, al di sotto del nanosecondo, per  una capacità di assorbimento molte volte superiore, per una corrente di perdita inferiore e per dimensioni più contenute. inoltre non presentano alcuna deriva a 125°C piuttosto che a 150°C.

Induttanze e trasformatori

I chip di induttanze HF, con un fattore di qualità elevato e con frequenze di risonanza ottimizzate, svolgono la propria funzione anche in condizioni ambientali critiche. Le loro terminazioni speciali migliorano la saldabilità e consentono di ottenere una connessione più robusta fra il componente e il PCB.

Con un intervallo esteso di temperature da -55°C fino a 180°C e con una resistenza superiore agli urti e alle vibrazioni, essi sono comunemente impiegati in applicazioni in campo medicale o nelle reti per l’automazione.

I soppressori ad alta corrente combinano la massima efficienza con una tolleranza superiore alle alte temperature del valore di induttanza. Queste caratteristiche sono ottenute grazie ad un avvolgimento in rame, il quale è saldato ad ultrasuoni ai contatti, e alla polvere di ferro, che viene pressata alla bobina dell’induttore con un adesivo epossidico. Questi componenti sono indicati soprattutto per il filtraggio delle EMI per i circuiti di alimentazione e come accumulatore di energia per i convertitori DC/DC.

I trasformatori  EI30-EuP a bassa perdita di potenza sono stati sviluppati per l’alimentazione degli apparecchi, per i quali si desidera ottimizzare i consumi, o per i prodotti che ricadono nell’ambito di applicazione della direttiva 1275/2008. A

ttraverso il loro comportamento eccellente in presenza di cicli termici, grazie alla connessione epossidica sottovuoto, essi soddisfano i requisiti previsti dalla direttiva EuP con una dissipazione massima di 0,5 W. Molti modelli giungono addirittura a soli 0,2 W e presentano inoltre un formato compatto e una potenza operativa fino a 2,8 VA. Altri effetti positivi sono una maggiore resistenza e durata.

Quarzi e oscillatori

Attraverso la tecnologia QMEMS di Epson, è possibile combinare i quarzi e gli oscillatori con una stabilità in frequenza e una precisione superiori, con le dimensioni ridotte dei sistemi microelettromeccanici (MEMS). Con l’aiuto del processo fotolitografico, si ottengono cristalli con variabilità di forma estremamente contenute. Questi cristalli al quarzo offrono così una caratteristica   frequenza/temperatura relativamente costante e deviazioni minime. All’interno del portafoglio di Rutronik si trovano diversi tipi di quarzi QMEMS e di oscillatori al quarzo, ad. es. oscillatori AT o diapason al quarzo.

La robustezza costa – ma anche la mancanza di robustezza

L’indagine mostra che gli sviluppatori si trovano di fronte ad una grande scelta di componenti passivi, che soddisfano i requisiti più disparati. Il rovescio della medaglia è il loro prezzo più alto rispetto ai componenti standard. D’altronde, anche la robustezza insufficiente dei componenti rappresenta un costo, anche se spesso ci si accorge di questo quando è troppo tardi. Come hanno mostrato in modo impressionante molti interventi di riparazione in garanzia agli albori dell’industria dell’automobile, i costi possono uscire dal controllo, se non si  scelgono opportunamente e con attenzione i componenti più robusti. Gli esperti di Rutronik, con le proprie competenze su prodotti, tecnologie e mercati, supportano gli sviluppatori per trovare sempre il compromesso ideale fra costi e sicurezza.

Jochen Neller, Technical Support Inductors & Timing Devices; Jürgen Geier, Field Application Engineer Capacitors; Matthias Bossert, Product Sales Manager Resistors; Steffen Haag, Technical Support Film, Tantalum & Electrolytic Capacitors - Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH

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