Condensatori al tantalio per applicazioni automotive

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Ormai da più di due decenni, i produttori di autoveicoli stanno incorporando un numero sempre maggiore di sistemi elettronici per ridurre le emissioni, migliorare la sicurezza e introdurre nuove funzionalità in grado di catturare l’attenzione dei clienti. I dispositivi per la sicurezza, come gli airbag e i freni antibloccaggio, come pure i sistemi di assistenza al conducente, quali i sensori anticollisione e la funzione parcheggio assistito, sono di norma controllati elettronicamente. I servosterzi si stanno trasformando da sistemi idraulici a sistemi elettronici per ridurre peso e costi. I sistemi di infotainment stanno diventando sempre più sofisticati, e spesso comprendono uno o più schermi LCD per visualizzare il video acquisito dalle videocamere, le mappe GPS, e per assicurare l’accesso alla crescente varietà di applicazioni per l’auto connessa.

Fig. 1 – I sistemi di infotainment stanno diventando sempre più sofisticati

Con l’emergere dell’auto connessa, le aziende operanti nel settore consumer e i pionieri di internet stanno facendo il loro ingresso in massa nel settore automotive. Alcuni stringono collaborazioni con le principali Case automobilistiche per garantire la fruizione in mobilità di Internet ai conducenti e ai passeggeri. Altri potrebbero avere ambizioni ancora più spinte: il concetto di Google, fortemente pubblicizzato, di auto a guida autonoma è per ora accantonato, ma la società ha dimostrato di disporre di tutto quanto necessario, in termini di risorse e visione, per entrare nel mercato delle auto. Più di recente, si sono diffuse delle voci secondo le quali Apple sta lavorando al progetto di un’auto elettrica. Se la società riuscirà a replicare il successo dei propri dispositivi mobili in campo automotive, il modo in cui le auto saranno progettate, costruite e vendute potrebbe essere in procinto di cambiare drasticamente.

In ogni caso, i sistemi elettronici ad alte prestazioni saranno sempre più diffusi nelle future auto. Le aziende che producono dispositivi mobili realizzano dispositivi sottili e semplici da utilizzare che garantiscono una fruizione sempre migliore e gli utenti si aspettano di ritrovare tali caratteristiche nei sistemi elettronici presenti a bordo delle proprie auto.

Fig. 2 – La certificazione KEMET garantisce prodotti al tantalio estranei al 100% da zone interessate da conflitti

Una naturale prudenza

Comprensibilmente, l’industria automotive è passata con molta cautela all’era dell’elettronica, mantenendo una chiara focalizzazione su temi quali sicurezza, affidabilità e tracciabilità. La qualità e la gestione della supply chain in ambito automotive possono anche essere considerate come riferimenti per eccellenza: dopo tutto, il sistema di gestione della qualità AS9100 ora usato all’interno dell’industria aerospaziale è basato su prassi mutuate dal settore automotive ed è stato sviluppato dall’American Society of Automotive Engineers (SAE). Quando si definiscono le specifiche per i componenti elettronici a bordo dei veicoli, le principali Case operanti nel settore automotive danno giustamente la priorità all’affidabilità del componente e alla sicurezza della supply chain alle prestazioni assolute. Questo atteggiamento ha incoraggiato un approccio prudente nella scelta di alcuni tipi di componenti elettronici, in particolare i condensatori al tantalio usati per espletare funzioni quali accumulo di energia, filtraggio, bilanciamento e disaccoppiamento.

Alcune aziende si sono spinte al punto di implementare rigorose prassi interne che vietano l’acquisto di tantalio e prescrivono ai progettisti di non inserire i condensatori al tantalio fra le specifiche. Per queste ultime, i condensatori al tantalio sono sinonimo di instabilità in termini di tempi di consegna dei componenti e di prezzi, e di timore che i dispositivi possano prendere fuoco in caso di guasto. Preoccupazioni attualmente del tutto infondate.

In base all’esperienza maturata cooperando con i principali produttori di autoveicoli a livello mondiale, è corretto affermare che l’industria automobilistica tedesca è più disposta ad approfittare delle migliori prestazioni offerte dai condensatori al tantalio, mentre l’industria statunitense adotta un approccio un po’ più conservativo.

Supply chain: superare le sfide

È vero che in passato la fornitura di tantalio grezzo è stata imprevedibile. Gran parte dei giacimenti da cui è possibile estrarre con facilità il tantalio sono situati in regioni soggette a conflitti, come la Repubblica Democratica del Congo (DRC). Le aziende che fabbricano prodotti al tantalio, come i condensatori, hanno cercato per ovvi motivi di evitare l’acquisto di materiali provenienti da queste aree. Questo ha costretto le società minerarie che estraggono il tantalio ad operare in altre aree del mondo. Purtroppo, i giacimenti di tantalio in regioni non interessate da conflitti tendono a trovarsi all’interno di sedimenti rocciosi, e di conseguenza l’estrazione risulta difficile e costosa. Le organizzazioni minerarie commerciali hanno dovuto assicurare un prezzo minimo elevato al fine di rendere l’estrazione un’operazione sostenibile dal punto di vista finanziario. In passato, quando il prezzo di mercato è calato al di sotto di questa soglia, esse hanno semplicemente fermato la produzione ed atteso un aumento del prezzo.

Fig. 3 – I condensatori polimerici per progetti automotive usano tantalio non estratto in aree interessate da conflitti

Questa situazione presenta certamente un rischio per la supply chain inaccettabile per le società che realizzano sottosistemi per applicazioni automotive in grandi volumi. Nel 2009, KEMET ha intrapreso azioni per superare questi problemi. La società ha instaurato un legame esclusivo con una miniera di tantalio nella provincia del Katanga della Repubblica Democratica del Congo, e ha avviato una cooperazione con le società minerarie e con la comunità locale, oltre che con organizzazioni indipendenti quali l’International Tin Research Institute (Itri) e la Coopérative des Artisanaux Miniers del Congo. Ciò ha contribuito ad assicurare le condizioni migliori possibili di lavoro e di scambio commerciale, e ha anche aiutato a gestire un programma completo di investimenti per la comunità locale. Tutto il tantalio presente nei condensatori al tantalio di KEMET proviene da questa iniziativa sicura ed estranea ai conflitti.

Inoltre, acquisendo impianti di lavorazione del tantalio negli Stati Uniti e in Messico, KEMET ha creato una supply chain unica verticalmente integrata e chiusa. Questo fornisce le migliori garanzie possibili che tutte le polveri di tantalio, i fili e altri prodotti usati nella fabbricazione dei condensatori non provengono da aree interessate da conflitti e sono immuni da ritardi o da fluttuazioni di prezzo artificiose. Nel giugno 2014, KEMET è stata la prima azienda a effettuare con successo un controllo di completa estraneità da conflitti in conformità alla Sezione 1502 del Dodd-Frank Wall Street Reform e del Consumer Protection Act, che è la legislazione americana sui minerali estratti in aree interessate da conflitti. L’Unione Europea sta attualmente mettendo a punto una legislazione simile.

Il modello di KEMET a filiera chiusa fornisce ai responsabili di filiera, soggetti a forti pressioni, le migliori garanzie che i condensatori al tantalio possano essere ottenuti in modo ugualmente facile e sicuro rispetto a qualsiasi altro componente. Vale la pena di osservare che i principali produttori del settore consumer, che sfruttano le proprietà di alta efficienza volumetrica dei condensatori al tantalio in sottosistemi quali ad esempio i circuiti di potenza su scheda, per ottenere funzionalità avanzate in fattori di forma compatti, usano regolarmente i condensatori al tantalio all’interno dei propri prodotti, senza riscontrare alcun problema di approvvigionamento.

Miglioramenti tecnologici

Un altro aspetto critico che ha spinto le aziende a evitare di inserire i condensatori al tantalio all’interno delle proprie specifiche è il timore che i dispositivi possano incendiarsi in caso di guasto. I condensatori al tantalio “classici” – che presentano un catodo in diossido di manganese (MnO₂) potrebbero, in alcune circostanze, prendere fuoco o emettere fumo in caso di guasto del componente. Il rischio di questo tipo di guasto è legato all’elevato contenuto di ossigeno del catodo.

I condensatori al tantalio polimerici, a differenza dei dispositivi con catodo in MnO₂, presentano solo modalità di guasto “innocue”, senza alcun rischio di incendio. Oltre a ciò, i dispositivi sono caratterizzati da bassissimi valori della resistenza serie (ESR), che assicurano la minimizzazione della produzione interna di calore e delle perdite di energia. Di conseguenza, l’ESR ridotta contribuisce ad aumentare affidabilità e efficienza, elemento di estrema importanza nelle odierne applicazioni automotive. I condensatori polimerici al tantalio sono disponibili da più di quindici anni, e i dispositivi di classe automotive sono attualmente all’avanguardia dello sviluppo.

Sfruttando i recenti progressi nel campo del packaging, è ora possibile produrre condensatori polimerici al tantalio che possono soddisfare i requisiti dello standard AEC-Q200, pur continuando ad assicurare le medesime caratteristiche – efficienza volumetrica elevata, stabilità ed ESR ridottissima – richieste dall’industria automobilistica per conseguire obiettivi quali efficienza energetica ottimale, dimensioni compatte dei moduli, alta affidabilità, robustezza e lunga vita operativa.

KEMET ha introdotto nel 2015 i primi condensatori polimerici al tantalio completamente qualificati secondo le specifiche AEC-Q200, con caratteristiche particolari che includono un terminale anodico robusto, la permeabilità ridotta dell’alloggiamento e la minimizzazione degli effetti di migrazione per una maggiore integrità, oltre alla presenza di un sistema integrato di protezione dall’umidità. Questi condensatori T598 sono testati in conformità alle specifiche AEC-Q200, a 125 °C e fino a 1000 ore, in presenza di carico e di un’umidità relativa (RH) dell’85% a 85 °C. I componenti sono soggetti alle procedure PPAP/PSW e di controllo delle modifiche. Attualmente sono disponibili condensatori fino a 16V, ai quali verranno aggiunte versioni in grado di operare a tensioni superiori.

Jayson Young, director of polymer capacitor, KEMET

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