유연한 종단을 갖춘 다층 세라믹 커패시터를 사용하여 안전하고 신뢰할 수 있는 EV 충전 보장

자동차에 탑재되는 전자 장치의 양이 급속하게 증가하면서 업계의 초점 센서, 엔진 제어 장치(ECU), 내비게이션, 차량 내 연결, 오디오는 물론 고급 운전자 지원 시스템(ADAS)에 집중되는 경향이 있습니다. 전기 자동차(EV)가 주류로 부상함에 따라, 엄격한 환경 요구 사항을 충족하면서 800V 이상을 견딜 수 있는 고전압, 고신뢰성 전자 부품이 중요해졌습니다. 이러한 요구 사항은 커패시터 수준까지 바로 적용됩니다.

자동차 설계자는 응력 저항에 대한 AEC-Q200과 같은 표준을 준수하는 것 외에도 커패시터를 선택할 때 특정 응용 제품에 따라 다양한 물리적 및 전기적 특성을 고려해야 합니다. 피드백 루프에는 허용 오차가 좁고 안정적인 온도 계수를 가진 커패시터가 필요합니다. 고주파 응용 제품에서는 등가 직렬 유도 용량(ESL)이 낮아야 합니다. 전력 응용 제품에서 높은 리플 전류가 예상되는 경우에는 등가 직렬 저항(ESR)이 낮은 부품이 필요합니다. EV의 경우 크기와 무게를 최소화하는 것도 중요합니다.

이러한 요구 사항을 처리하기 위해, 이제 AEC-Q200을 비롯한 여러 국제 안전 사양 및 인증을 준수하는 안전 인증 표면 실장 다층 세라믹 커패시터(MLCC)를 사용할 수 있습니다.

이 기사에서는 MLCC 커패시터의 구조와 EV용 MLCC에 필요한 사항을 설명합니다. 그런 다음 고유한 크기와 체적 효율은 물론 FlexiCap 종단 및 높은 내전압과 같은 기능이 MLCC가 물리적 및 전기적 요구 사항을 충족하는 데 어떻게 도움이 되는지 보여줍니다. Knowles Syfer의 실제 예도 제공합니다.

MLCC 구조

MLCC는 세로로 적층되고 종단에 의해 병렬로 연결된 여러 개의 개별 커패시터 소자로 구성된 표면 실장 커패시터입니다. 따라서 다층이라는 용어가 사용됩니다(그림 1).

그림 1: 공통 패키지에 적층된 여러 커패시터 층을 보여주는 MLCC 구조의 단면도. (이미지 출처: Knowles Syfer)

MLCC를 구성하기 위해 세라믹 유전체 층은 극성이 다른 전극을 번갈아 가며 스크리닝 공정을 통해 구축됩니다. 이렇게 하면 매우 여러 개의 계층을 만들 수 있습니다. 이러한 여러 전극 양극(+) 및 음극(-) 쌍을 병렬로 연결하면 비교적 작은 패키지에서 큰 정전 용량 값을 만들 수 있습니다.

전극은 금속성이며 전도성이 높습니다. 제조 공정에서 전극은 화학적으로 반응하지 않고 융점이 높아야 합니다. 이를 위해, Knowles Syfer의 MLCC 커패시터는 전극으로 은과 팔라듐의 조합을 사용합니다.

또한 유전체는 우수한 절연체여야 합니다. 비유전율 또는 유전 상수(e_r)에 따라 주어진 부품 형상에 대해 달성 가능한 정전 용량이 결정됩니다. 예를 들어, Knowles Syfer의 고급 안전 인증 표면 실장 MLCC는 두 개의 세라믹 유전체와 함께 제공됩니다. 첫 번째는 EIA 클래스 1 유전체인 C0G/NP0으로, e_r이 0인 진공 유전율에 비해 유전율은 20에서 100 사이입니다. 두 번째는 EIA 클래스 2 유전체인 X7R로 e_r이 2000에서 3000 사이입니다. 비교하자면, 운모의 e_r은 5.4이고 플라스틱은 3입니다. 따라서 세라믹 커패시터의 크기는 주어진 정전 용량 값에 대해 더 작아집니다. 유전체 선택은 온도, 인가 전압 및 시간에 대한 커패시터의 안정성에 영향을 미칩니다. 일반적으로 e_r이 높을수록 정전 용량 값의 안정성은 떨어집니다.

EIA는 영숫자 분류를 통해 클래스 2 유전체를 나눕니다. 첫 번째 문자는 최저 온도, 숫자는 최대 온도, 마지막 문자는 정전 용량 허용 오차를 나타냅니다. 따라서, X7R 유전체는 최저 온도 -55°C, 최대 온도 +125°C, 정전 용량 허용 오차 ±15%를 갖는 것으로 해석할 수 있습니다. C0G와 같은 클래스 1 유전체도 유사한 부호화를 사용합니다. 첫 번째 문자는 섭씨 1도당 백만분율(ppm/°C) 단위로 온도에 따른 정전 용량 변화의 유효 숫자를 제공합니다. C0G 유전체의 경우 C는 온도 안정성에 대해 0ppm/°C 유효 숫자를 나타냅니다. 두 번째 숫자는 온도 안정성에 대한 승수입니다. 0은 승수 10^-1을 나타냅니다. 마지막 문자인 G는 정전 용량 오차 ±30ppm을 정의합니다.

클래스 1 유전체는 정확도 및 안정성이 더 높으며, 더 낮은 손실을 나타냅니다. 클래스 2 유전체는 안정성은 떨어지지만 더 높은 체적 효율을 제공하므로 단위 체적당 정전 용량이 더 높습니다. 결과적으로, 값이 큰 MLCC 커패시터는 대개 클래스 2 유전체를 사용합니다. Knowles Syfer의 고급 안전 인증 MLCC는 유전체 선택에 따라 4.7pF(피코패럿) ~ 56nF(나노패럿)의 높은 정전 용량 범위와 최대 305VAC(교류 볼트)의 전압 정격을 제공합니다.

MLCC의 정전 용량은 전극의 겹치는 면적과 세라믹 유전체의 e_r에 정비례합니다. 정전 용량은 유전체의 두께에 반비례하는 반면, 전압 정격은 이에 비례합니다. 따라서 정전 용량, 전압 정격, 커패시터의 실제 크기 사이에는 상충 관계가 있습니다.

EV용 MLCC

MLCC는 ESL과 ESR이 상대적으로 낮아 고주파 응용 제품에 더 적합하며, 유전체 선택의 폭이 넓어 정전 용량 값과 허용 오차 범위를 응용 제품에 맞게 최적화할 수 있습니다. MLCC는 체적 효율성이 매우 높은 패키지의 표면 실장 부품으로 EV의 공간 제약을 해결하는 데 도움이 됩니다. 또한 알루미늄 전해 커패시터 및 탄탈룸 커패시터에 비해 과도 전압에 대한 내성이 높습니다.

MLCC는 널리 사용되지만 진동이나 충격으로 인해 기계적 응력을 받을 경우 균열이 발생할 수 있습니다. 균열은 수분 오염을 통해 장치를 붕괴시킬 수 있습니다. Knowles Syfer 설계자는 부품 굴곡에 대해 향상된 허용 오차를 제공하는 FlexiCap 종단을 생성하여 이 문제를 해결했습니다(그림 2).

그림 2: FlexiCap 설계는 기판 굴곡으로 인한 손상에 대해 향상된 내성을 제공하기 위해 일반적인 엔드캡 장벽 아래에 독점적인 유연한 에폭시 중합체 종단 베이스를 사용합니다. (이미지 출처: Knowles Syfer)

FlexiCap에 사용되는 유연한 종단 베이스는 전극 위에 적용됩니다. 이 재료는 일반적인 종단 기술을 사용하여 적용된 후 열 경화되는, 은 함유 에폭시 중합체이며, 유연성이 있어 기판과 실장된 MLCC 사이의 기계적 변형을 일부 흡수합니다.

결과적으로, FlexiCap으로 종단된 부품은 소결 처리된 종단 부품과 비교할 때 더 높은 수준의 기계적 변형을 견딜 수 있습니다. 또한 FlexiCap은 기계적 균열 및 급격한 온도 변화가 발생하는 응용 제품에서 향상된 보호 기능을 제공합니다. EV 설계자의 경우, 공정 중인 기판을 다룰 때 굴곡 허용 오차가 더 커져 수율을 높이고 현장 오류를 줄일 수 있습니다.

또한 EV에 중요한 Knowles Syfer 안전 인증 커패시터는 AEC-Q200 인증을 획득했습니다. 부품은 온도, 열 충격, 내습성, 치수 공차, 용제에 대한 내성, 기계적 충격, 진동, 정전기 방전, 납땜성, 기판 굴곡 등에 대한 엄격한 응력 테스트를 통과한 경우 'AEC-Q200 인증'을 받은 것으로 간주됩니다.

전기적으로, 안전 인증을 받은 이 라인은 4kV_DC 및 3kV_RMS의 높은 유전체 내전압(DWV)을 특징으로 합니다. 이는 넓은 테스트 및 안전 마진이 필요한 EV 800V 충전 시스템에 매우 중요한 특성입니다.

EV용 MLCC의 예

Knowles Syfer의 고급 안전 인증 라인의 다양한 커패시터 값은 Flexicap 종단 및 AEC-Q200 인증을 모두 갖추고 있어 특히 EV 응용 제품에 적합합니다. 예를 들어, 1808JA250101JKTSYX는 ±5%의 허용 오차와 함께 250V AC(클래스 Y2(회선 - 접지) 응용 제품용) 및 305V AC(클래스 X1(회선 간) 응용 제품용)의 전압 정격을 가진 100pF C0G/NP0 커패시터입니다. 이 커패시터는 0.195in x 0.079in(4.95mm x 2.00mm) 크기의 1808 패키지로 제공됩니다(그림 3).

그림 3: 여기에는 1808JA250101JKTSYX MLCC의 실제 치수(왼쪽)와 함께 권장되는 납땜 패드 레이아웃(오른쪽)이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Knowles Syfer)

일반적인 X7R 커패시터의 예로 4.5mm x 3.2mm x 2.5mm 크기의 1812 패키지로 제공되는 10000pF ±10% 2kV 장치인 Knowles Syfer 1812Y2K00103KST를 들 수 있습니다. 1808JA250101JKTSYX 및 1812Y2K00103KST 커패시터 유형은 -55°C ~ +125°C의 정격 온도 범위를 가집니다. 제품 라인은 사용되는 유전체, 정전 용량 값, 전압 정격에 따라 1808, 1812, 2211, 2215, 2220 케이스 크기로 제공됩니다.

다른 예에는 ±5% 허용 오차를 가진 100pF, 250V AC(클래스 X2), 1kV DC, C0G/NP0 커패시터인 Knowles Syfer 1808JA250101JKTS2X가 포함됩니다. 2220YA250102KXTB16은 1000pF ±10% 250V X7R 커패시터입니다.

FlexiCap 종단 커패시터의 실장 및 납땜에 대한 제조 요구 사항은 표준 소결 종단 MLCC에 대한 요구 사항과 동일하므로 특별한 취급이 필요하지 않습니다. 또한 그림 3을 다시 참조하여 Knowles 칩 커패시터는 IPC-7351, 표면 실장 설계 및 랜드 패턴 표준에 대한 일반 요구 사항을 준수하는 패드 레이아웃을 사용하여 실장할 수 있습니다. 그 외에도, 패드 너비를 칩 너비보다 작게 줄이는 등 다른 요인들이 기계적 응력을 줄이는 것으로 나타났습니다.

결론

Knowles Syfer의 Flexicap AEC-Q200 인증 MLCC는 EV 응용 제품, 특히 서지 및 과도 상태를 해결하는 데 증가된 테스트 전압과 안전 마진이 필수적인 800V 배터리 시스템에 매우 적합합니다. FlexiCap 종단 덕분에 이 커패시터는 더 높은 수준의 기계적 응력을 처리할 수 있습니다. 따라서 AEC-Q200을 충족하면서 설계자에게 기능, 안정성, 안전 인증의 고유한 조합을 제공합니다.