미국에서 제조된 고 정전용량, 초박막 커패시터를 사용하여 기판 크기 감소 및 시장 출시 기간 단축

하드웨어 설계 엔지니어는 항상 부품 비용, 크기 및 무게를 줄이는 동시에 효율성과 안정성에 대한 부품 및 시스템 목표를 충족하거나 초과할 수 있는 기회를 찾고 있습니다. 최적화를 위한 가장 일반적이고 중요한 부품 중 하나는 PC 기판에 실장되는 커패시터입니다. 부피가 크고 널리 사용되기 때문입니다. 극한의 온도에 노출될 경우 시간이 지남에 따라 누설되거나 용량이 열하되기 쉽기 때문에 커패시터를 선택할 때는 신뢰성도 고려해야 합니다. 이러한 열화로 인해 간헐적인 회로 오작동이 발생하여 시스템 효율성과 신뢰성이 저하될 수 있습니다.

커패시터 제조업체는 에너지 밀도, 신뢰성 및 무게를 개선하기 위해 계속적으로 설계를 개선하고 있지만, 공급망 문제로 인한 긴 리드 타임으로 인해 응용 제품에 가장 적합한 부품을 사용하지 못할 수 있습니다.

이 기사에서는 필터와 벌크 스토리지 커패시터의 역할에 대해 논의합니다. 단일 커패시터가 표면 실장 커패시터 어레이와 같은 다른 유형의 커패시터를 대체하여 기판 부품과 회로 상호 연결을 줄이고 전체 회로 신뢰성을 향상시키는 방법을 보여줍니다. 그 과정에서 얇은 두께와 매우 높은 에너지 밀도의 이중 이점을 갖는 Cornell Dubilier Electronics의 고신뢰성 알루미늄 전해 커패시터를 소개합니다. 이 커패시터는 미국에서 제조되어 북미 생산 시설로 빠르게 배송될 수 있기 때문에 리드 타임을 단축할 수 있는 경로를 제공할 수도 있습니다.

기판 실장 커패시터의 신뢰성

전해 커패시터의 수명은 시간이 지남에 따라 내부 구조가 전기화학적으로 열화되는 속도에 따라 결정됩니다. 이러한 열화는 일반적인 작동 조건에서 예측할 수 있으므로 커패시터의 기능 수명은 제조업체에서 쉽게 계산할 수 있습니다. 커패시터의 신뢰성은 구조의 변화에 직면하거나 또는 극한 조건에 노출될 때 커패시터의 실제 수명이 예상 수명에 얼마나 근접한지를 측정한 것입니다.

대형 및 소형 커패시터의 마모 수명은 거의 동일하지만 양극 과 음극 사이의 표면적이 더 작기 때문에 커패시터가 작을수록 더 안정적입니다. 커패시터가 클수록 사용 가능성과 함께 더 높은 신뢰성이 선택의 요인이 됩니다. 이 기사를 작성하는 현 시점에, 많은 국제 배송 지연을 포함하여 전자 부품에 대한 공급망 문제가 있습니다. 이러한 이유로 사용 가능성과 리드 타임은 전자 부품 선택의 중요한 기준이 되었습니다.

커패시터는 더 작은 공정 기하학적 구조로 축소하여 크기를 줄일 수 없다는 점에서 많은 반도체에 일반적인 크기 최적화의 대상이 아닙니다. 캐패시터 설계의 물리학 때문에 패럿(F) 단위의 캐패시터 정격이 클수록 양극과 음극 사이의 표면적이 커지므로 물리적 크기가 커집니다. V 칩이라고도 하는 세로 실장 커패시터는 기판 공간을 절약하기 위해 널리 사용되는 패키징 옵션으로, 주변 부품의 패키징 선택에 영향을 줄 수 있는 더 높은 기판 높이와 더 적은 여유 공간이 절충됩니다.

대형 알루미늄 전해 콘덴서의 장착 위치도 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다. 대형 커패시터는 뜨거워질 수 있으며 상황에 따라 공기 흐름 또는 방열판이 필요할 수 있습니다. 인가된 DC 전압, 리플 전류 및 극한의 주변 온도는 모두 파라메트릭 드리프트로 인해 작동 수명을 단축시킵니다. 일반적으로 커패시터의 유효 직렬 저항(ESR)은 규격서 사양에서 벗어나는 첫 번째 파라미터입니다. ESR이 상승하면 커패시터가 계속해서 뜨거워집니다. 지나치게 뜨거워져 내부 구조가 붕괴되고 양극과 음극이 효과적으로 단락되면 최종적으로 작동이 중단됩니다. 매우 드물지만, 열로 인해 커패시터가 건조되어 개방 회로가 되는 경우가 있습니다.

시스템의 커패시터 열화는 먼저 무작위 고장으로 나타날 수 있으며 커패시터가 단락되면 빠르게 시스템 고장으로 이어집니다. 이 문제는 직렬 또는 병렬로 연결된 커패시터 뱅크에서 증폭됩니다. 하나의 커패시터가 실패하면 전체 뱅크가 실패합니다. 뱅크의 고장률은 한 개 커패시터의 고장률에 뱅크의 커패시터 개수를 곱한 것이기 때문에 커패시터 뱅크는 시스템의 신뢰성을 감소시킵니다. 이런 이유로, 커패시터 뱅크는 한 개의 대형 커패시터를 선호하는 고신뢰성 설계에서 권장되지 않습니다.

고신뢰성, 고밀도 커패시터

공간이 제약된 고신뢰성 응용 제품을 위해, Cornell Dubilier는 THA 및 THAS Thinpack 알루미늄 전해 커패시터를 제공합니다. 얇은 저높이 패키지로 매우 높은 에너지 밀도를 제공하도록 설계된 이 커패시터에는 누출을 방지하기 위해 전해 커패시터를 둘러싸는 레이저 용접 케이스가 사용됩니다. 이 레이저 용접은 대부분의 전해 커패시터의 종단부를 밀봉하는 데 널리 사용되는 대형의 엔드 밀봉 개스킷에 대한 필요성을 제거합니다. 케이스의 밸브를 통해 가스를 배출할 수 있으므로 내부 압력을 완화하여 팽창이 감소됩니다. THA 라인은 8.2밀리미터(mm) 두께이고 THAS 라인은 9밀리미터(mm) 두께입니다. THA 및 THAS 커패시터의 설계는 85°C 및 105°C에서 각각 5,000시간의 작동을 보장합니다. 또한 0.9줄/세제곱 센티미터(J/cm³)의 에너지 밀도를 제공합니다.

대부분의 필터링 및 모터 제어 응용 제품에서, 설계자는 THAS131M450AD0C THAS 계열 130마이크로패럿(µF) 커패시터를 사용할 수 있습니다(그림 1). 이 커패시터는 길이가 66.5mm이고 너비가 25.4mm에 불과합니다. 위에서 언급한 바와 같이 THAS 계열 커패시터는 두께가 9mm에 불과하므로 배치되었을 때 매우 낮은 PC 기판 높이를 실현합니다. 450볼트에서 정격화된 이 계열은 모터 제어 응용 제품 및 콤팩트한 전원 공급 장치에 적합합니다. 이 계열은 매우 얇기 때문에 부품에 대한 헤드룸이 심하게 제한된 랩톱 또는 유사한 저높이 전자 제품에도 적합합니다. 유사한 커패시터와 비교하여 이 커패시터는 PC 기판에 세로로 실장할 수 있습니다.

그림 1: THAS131M450AD0C 130µF 커패시터는 450볼트에서 정격화되었으며 두께가 9mm에 불과하므로 동작 제어 및 저높이 PC 기판 응용 제품에 적합합니다. (이미지 출처: Cornell Dubilier)

130µF에서 THAS131M450AD0C는 신뢰성을 향상시키기 위해 더 작은 커패시터 뱅크를 교체하는 데 사용될 수 있습니다. THAS131M450AD0C의 ESR(25°C 기준)은 120Hz에서 1.12옴(Ω)이고 20kHz에서 0.54Ω으로 떨어집니다. 이 장치는 ESR이 낮아 발열을 최소화해야 하는 스위칭 전원 공급 장치에 적합합니다. 리플 전류(85°C 기준)은 1.36암페어(A)에서 정격화되었으며 이 역시 전원 공급 장치에 중요합니다.

Cornell Dubilier THAS 제품군의 일부인 THAS131M450AD0C 커패시터에는 내구성 향상을 위해 스테인리스강 슬리브가 있습니다. 단자는 20AWG로, 대부분의 스루홀 PC 기판 실장 응용 제품에 적합합니다.

짧은 시간 동안 전압을 저장해야 하는 응용 제품의 경우, 설계자는 THAS322M050AD0C THAS 계열 3200µF, 50볼트 커패시터를 사용할 수 있습니다. 이 제품 역시 길이가 66.5mm이고 두께가 9mm이며 스테인리스강 슬리브를 가집니다. 120Hz에서의 ESR은 0.05Ω이고 20kHz에서 0.04Ω으로 약간 떨어집니다. 3.48A(20kHz 기준) 및 2.90A(20Hz 기준)의 리플 전류를 처리할 수 있습니다. 이렇게 낮은 ESR과 높은 전류 성능을 갖춘 이 장치는 50볼트 슈퍼 커패시터로 사용하여 주 전원 공급 장치를 사용할 수 없는 경우 작은 회로에 일시적으로 전력을 공급할 수 있습니다.

모든 Cornell Dubilier THAS 커패시터처럼 THAS322M050AD0C는 상단에 환기구가 있습니다(그림 2에 표시됨). 높은 온도에서는 가스 발생이 증가할 수도 있지만, 이 환기구를 통해 정상 작동의 일부로 커패시터에서 가스를 내보낼 수 있습니다. 배출된 가스에는 수소와 폐가스가 혼합되어 있습니다.

그림 2: THAS322M050AD0C 커패시터의 상단에 있는 환기구를 통해 정상 작동에서 축적되는 내부 가스를 안전하게 내보낼 수 있습니다. (이미지 출처: Cornell Dubilier)

내부 가스를 내보내는 것은 고용량 커패시터에서 특히 중요합니다. 수소와 다른 가스가 강철 케이스 내에서 축적되어 압력이 강화될 수 있으며 이는 고장으로 이어질 수 있기 때문입니다. 캐패시터에서 환기가 충분이 이루어 지지 않으면 전해가 PC 기판으로 누출되어 다른 전자 부품을 단락시킬 수 있는 지점까지 내부 가스가 축적되거나 경우에 따라 캐패시터가 폭발할 수도 있습니다. 또한 PC 기판을 배치할 때 커패시터 환기구에 장애물이 없는지 확인해야 합니다.

더 높은 충전 용량을 위해 Cornell Dubilier는 THA 계열을 개발했습니다. THA Thinpack 커패시터는 알루미늄 슬리브를 가지며, 두께가 8.2mm로 THAS 계열보다 약간 더 슬림합니다. THA 계열의 예로 4400µF 50볼트 THA442M035AC0C를 들 수 있습니다. 이 장치는 53.8mm 길이이며 유사한 커패시터와 비교하여 매우 높은 에너지 밀도를 제공합니다. 120Hz에서 0.07Ω, 20kHz에서 0.06Ω의 ESR을 가지므로 전력 공급이 짧게 중단되는 경우 소형 전자 부품의 임시 전력으로 사용하기에 적합합니다. 4400µF 커패시터도 매우 뜨거워질 수 있으므로 권장 작동 범위(-55°C ~ +85°C) 내에서 유지하려면 적절한 공기 흐름을 제공해야 합니다. 고용량 커패시터의 경우 환기구에 장애물이 없는지 반드시 확인해야 합니다. 또한 수소 가스는 폭발성이 있으므로 환기구가 가연성 물질을 가르키지 않도록 하는 것이 좋습니다.

결론

커패시터는 전자 시스템의 필수 부품입니다. 설계자는 높은 신뢰성과 높은 에너지 밀도 및 낮은 높이를 결합함으로써 전자 시스템의 크기를 줄이고 작동 수명을 향상시킬 수 있습니다. 미국에서 제조되는 단일 에너지 밀도 전해 커패시터는 긴 리드 타임을 피할 수 있을 뿐만 아니라 커패-시터 뱅크를 교체하여 기판 공간을 절약할 수도 있습니다.

리소스

1. THA 및 THAS Thinpack 알루미늄 전해 커패시터 교육 모듈