电容器压电效应失效的解决方案

lilino

高耐压、高容值的电容器一般通过电解电容或者薄膜电容来实现，其体积一般较大。尽管经过多年的发展，高耐压、高容量的电容器的小型化进展还是十分有限。

当前取得的进展主要在高耐压方面，但是很难同时兼顾高容量；或者是达到高容量但是电压一般小于50V.电源行业，一些应用需要高耐压、高容量的电容器，例如在开关电源中作输入输出滤波，储能，尖峰吸收，DC-DC转换，直流阻隔，电压倍乘等等，此外，在一些应用中，尺寸和重量非常重要，需要小体积的电子元器件。
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为了同时获取高耐压和高容量，业界常见的做法是依据DSCC 87106/88011和MIL-PRF-49470的规范将多个陶瓷电容器叠加在一起，这种做法占据空间较大且较重，并且价格昂贵。因此，业内一直存在着对更轻、更小的高耐压、高容量的电容器的需求。

) P" p4 W  S% {3 F+ n过往技术局限

失效模式决定了设计上的局限，而多种失效模式的存在也限制了中、高耐压电容器的容值提升。有些失效模式是外在的，如机械应力或热应力导致的断裂，但同时我们也需要深入探讨内在失效模式，这在制造商的管控范围之内。
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! n# c1 Q$ G$ _. E7 C9 w多层陶瓷电容器在设计上的限制因素，随时代的不同而发生着变化。早期多层陶瓷电容器面临的主要限制因素，是电介质材料本身的点缺陷和杂质，这些因素影响了材料的质量和纯度，如图1，从而限制了电容器内部层数的上限和每层厚度的最小值。

图1 污染瑕疵
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/ V: _" H8 O' B$ ^& e7 }/ |随着电介质材料本身质量的提高和操作流程的改进，限制因素转变为电介质材料本身的强度，而该因素一旦得到了解决，我们本可以预期制造出更大更厚的电容器，而不必担心产生介质击穿或点失效，如图2.
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图2 介质击穿

2 f, [) o- e9 |* b- U8 G: p可是一种新的失效模式出现了，我们称之为压电应力断裂，通常指压电效应或者电致伸缩现象，如图3所示。这种失效模式迄今为止仍是多层陶瓷电容制造所面临的限制因素。它影响大多数的钛酸钡二类（Class II介质，并限制了1210以上尺寸、200V以上耐压的陶瓷电容器的容值范围）。

如图3所示，断裂通常沿着一层或两层介质层贯穿整个电容的中部。大多数的解决方案是将多个电容器通过添加引脚进行叠加，从而在给定尺寸下提高容值，但这需要消耗大量人力，花费较多成本，并会产生可靠性问题。另外的解决方案使用特殊电介质配方，但同时以牺牲介电常数作为代价，并影响最终可获得的容值大小。
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) S6 U4 M5 R) L! e' T) [图3 压电效应应力断裂失效

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4 X: p0 q6 O+ y; R4 ?9 H0 z+ q7 u图4 X7R多层陶瓷电容在直流偏压下的形变
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解决方案

/ a$ D" Q6 c9 G( {- yStackiCapTM是一种应对压电失效限制的独石电容解决方案。其应用的专利技术GB Pat./EP2013/061918创新性地在电容器内部加入了一层压力缓冲层，使得该电容器既可展现出多个叠加电容的性能，同时在制造和加工流程上又具备单个电容器的优点。
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4 }/ ?$ Y$ j/ h* o+ R图5 StackiCap
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0 c: n) ^; L$ j3 h" t压力缓冲层使用现成的材料系统组合，并经过标准的制造流程。压力缓冲层加在机械应力最大的一个或多个部位，从而缓解由于压电形变而带来的机械应力。依据目前为止的实验，压力缓冲层可以将多层电容器在内部分成2段、3段或4段，从而大幅缓解内部形变带来的机械应力，同时通过FlexiCap柔性端头技术释放端头上的机械应力，这样我们就不需要将多个电容器进行叠加了，我们也就不需要再给电容器组装引脚，从而方便标准化的卷带包装以及自动化贴装。
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“海绵”状压力缓冲层的截面（SEM显微图）
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- X* ]( E+ V& g/ w; c1 N0 m$ ]0 p+ ?小型化

7 L; J# V$ Z9 T; Z在大幅提高容值的同时，StackiCapTM可实现元件尺寸的显着缩小。以下图片直观地展现了StackiCapTM的优越性。

& E  I  T4 y& @* D* K( |图7显示了已经研发的StackiCapTM的各规格产品尺寸：1812，2220，2225和3640.图8显示了最多5颗电容叠加的引脚电容组件，单个电容尺寸为2225，3640，5550和8060.图9和图10显示了单个StackiCapTM电容器所能取代的电容组件。一个极端的例子是8060，1kV，470nF的电容如今可被单颗2220，1kV，470nF的StackiCapTM替代；3640，1kV，180nF的电容如今可被单颗1812，1kV，180nF的StackiCapTM替代，体积分别缩小到原来的1/10和1/7.
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2 t5 g* D; s7 i! }; s8 m图7 尺寸从1812到3640的StackiCap
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" R* G+ G! |  v" H# p* r  S% x图8 五颗电容堆叠的电容组件最大尺寸8060


图9 一个2220 500v StackiCap 和三个2225 500v 堆叠电容对比


图10

# M( q, |0 H5 x# D: c8 Z' p$ m可靠性测试认证

StackiCap已通过如下可靠性测试：

, I- y% @/ |1 _9 q2 g（1）寿命测试。StackiCap系列电容在125℃，1倍或1.5倍的额定电压下持续工作1000小时。

3 W2 V- G7 ~# c7 ~% J% W（2）85/85测试。StackiCap系列电容在85℃/85%RH条件下持续工作168小时。

- d. T. d1 z2 K1 F（3）弯板测试。StackiCap系列电容被安装在Syfer/Knowles的测试用PCB上进行弯板测试，以评估元件的机械性能

北二桥头

限制也是进步的空间