유연한 종단을 갖춘 800V 다층 세라믹 커패시터를 통해 EV를 위한 안전하고 신뢰할 수 있는 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 AEC-Q200과 같은 표준을 충족해야 하는 커패시터 수준까지 바로 적용됩니다.

다행히도, 부품 제조업체는 이러한 요구 사항에 대해 잘 알고 있습니다. 예를 들어, Knowles Syfer 안전 인증 표면 실장 다층 세라믹 커패시터(MLCC) 제품 라인은 AEC-Q200을 비롯한 여러 국제 안전 사양 및 인증을 준수하는 커패시터를 제공합니다. 또한 공간 제약적인 응용 제품에 매우 중요한, 높이가 더 낮고 기판 공간을 덜 차지하는 부품을 도입했습니다. 또한 커패시터의 FlexiCap 종단은 진동과 충격의 영향을 받는 기판에 실장된 경우 기계적 균열 위험을 줄이므로 EV 응용 제품에 매우 적합합니다. MLCC 기술의 장점을 이해하기 위해 자세히 살펴보겠습니다.

MLCC 구조

MLCC는 수직으로 적층되고 종단에 의해 병렬로 연결된 여러 개의 개별 커패시터 소자로 구성된 표면 실장 커패시터입니다(그림 1).

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

여러 전극 + 및 - 쌍의 병렬 연결은 상대적으로 작은 패키지에서 높은 값의 정전 용량을 제조할 수 있도록 합니다.

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

또한 유전체는 우수한 절연체여야 합니다. 유전체의 상대 유전율(e_r)에 따라 주어진 부품 형상에 대해 달성 가능한 정전 용량이 결정됩니다. Knowles Syfer MLCC는 두 가지 클래스의 세라믹 유전체를 제공합니다. 첫 번째는 EIA 클래스 1 유전체인 C0G/NP0으로, e_r이 0인 진공의 유전율에 비해 상대 유전율은 20과 100 사이입니다. 두 번째는 EIA 클래스 2 유전체인 X7R로 e_r이 2000과 3000 사이입니다. 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 최소 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 정확도와 안정성이 더 높고 손실은 더 낮습니다. 클래스 2 유전체는 안정성이 떨어지지만 더 높은 체적 효율을 제공하므로 단위 체적당 정전 용량이 더 높습니다. 결과적으로, 값이 큰 MLCC 커패시터는 대개 클래스 2 유전체를 사용합니다. Knowles Syfer의 향상된 안전 인증 MLCC는 유전체 선택에 따라 4.7pF(피코패럿) ~ 56nF(나노패럿)의 높은 정전 용량 범위와 최대 305VAC(볼트 교류)의 정격을 제공합니다. 일반적인 MLCC 부품 중 일부를 살펴 보겠습니다.

MLCC의 예

Knowles Syfer1808JA250101JKTSYX는 250VAC(클래스 Y2(라인-접지) 응용 제품용) 및 305VAC(클래스 X1(라인-라인) 응용 제품용)의 전압 정격을 가진 100pF C0G/NP0 커패시터입니다. 이 커패시터는 ±5%의 허용 오차를 제공하며 4.95mm x 2mm x 1.5mm의 크기를 가진 1808 패키지에 하우징되어 있습니다. 일반적인 X7R 커패시터로 Knowles Syfer 2220JA250103KXTB17이 있으며 이는 5.7mm x 5mm x 2.5mm 크기의 2220 패키지로 제공되는 10000pF ±10% 250V 장치입니다. 두 커패시터 유형 모두 -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.

MLCC는 전자 회로에 널리 사용되지만, 한 가지 우려되는 부분은 부서지기 쉽고 기계적 응력을 받을 경우 균열이 발생할 수 있다는 점입니다. 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 더 큰 저항을 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. FlexiCap으로 종단된 부품은 소결 처리된 종단 부품과 비교할 때 더 높은 수준의 기계적 변형을 견딜 수 있습니다. 이는 공정 중인 기판을 다룰 때 더 큰 굴곡 허용 오차를 제공하여 수율을 높이고 현장 오류를 줄임으로써 사용자에게 이점을 제공합니다.

Knowles Syfer 1808JA250101JKTS2X는 ±5% 정전 용량 허용 오차를 갖는 FlexiCap, 100pF, 250VAC(클래스 X2), 1kV DC, C0G/NP0 커패시터입니다. 물리적 치수는 앞에서 언급한 100pF MLCC와 동일합니다. FlexiCap은 커패시터 크기에 영향을 미치지 않습니다. Knowles Syfer 2220YA250102KXTB16도 FlexiCap 종단을 포함하는 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.

MLCC가 EV에 적합한 이유

FlexiCap이 적용된 MLCC는 회로 기판이 전기적 과도, 충격, 진동 및 넓은 온도 범위에 노출되는 EV 환경에 이상적입니다. Knowles Syfer 커패시터 값의 전체 범위는 AEC-Q200 자동차 인증과 함께 사용할 수 있습니다. 부품은 표준에 포함된 엄격한 스트레스 테스트를 통과한 경우 'AEC-Q200 인증'을 받은 것으로 간주됩니다. 이러한 테스트에는 온도, 열충격, 내습성, 치수 허용 오차, 용제에 대한 내성, 기계적 충격, 진동, 정전기 방전, 납땜성 및 기판 굴곡 등이 포함됩니다.

결론

Knowles Syfer AEC-Q200 인증 MLCC는 EV 응용 제품, 특히 증가된 테스트 전압과 안전 마진이 필수적인 800V 배터리 시스템에 매우 적합합니다. 따라서 설계자에게 기능, 안정성, 안전 인증의 고유한 조합을 제공합니다.