Condensatori ceramici con reofori: non diamoli per vinti
Il formato tradizionale dei componenti dotati di reofori può rappresentare, per alcuni, una tecnologia ormai vecchia, ma i condensatori di questo tipo mantengono significativi vantaggi rispetto alle corrispondenti versioni a montaggio superficiale.
In un mondo dominato da dispositivi elettronici di largo consumo prodotti in grandi volumi e fortemente miniaturizzati, schede elettroniche densamente popolate di componenti e destinate ai centri di elaborazione dati, commutatori per telecomunicazioni e data center aziendali, i componenti con terminali tradizionali – come i condensatori – cedono necessariamente il passo alle soluzioni alternative a montaggio superficiale con dimensioni paragonabili a quelle di un circuito integrato, più adatte a perseguire il duplice intento di migliorare l’efficienza di produzione e di risparmiare spazio sui circuiti stampati.
“Le notizie sulla mia morte sono decisamente un’esagerazione”, recita la celebra battuta di Mark Twain e, in effetti, lo stesso potrebbe dirsi per i condensatori ceramici multistrato provvisti di reofori (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor). Questo tipo di dispositivi continua, infatti, a offrire vantaggi significativi rispetto ai condensatori ceramici multistrato a montaggio superficiale e ad altre tecnologie di condensatori. Tali benefici comprendono una tolleranza maggiore agli stress, al rumore microfonico, agli errori di polarità, oltre a vantare una maggiore efficienza volumetrica e – in alcuni casi – anche un ingombro più ridotto sul circuito stampato.
Condensatori ceramici tradizionali: strutture, materiali e tipologie
Internamente, un condensatore ceramico multistrato provvisto di reofori ha la medesima struttura dell’analogo dispositivo a montaggio superficiale. A differenza di quest’ultimo, però, nel primo caso i conduttori sono collegati a entrambe le superfici terminali, caratteristica che non solo assicura una connessione elettrica affidabile, ma fornisce anche un robusto supporto meccanico allo stesso condensatore.
Un condensatore MLCC con terminali di tipo radiale presenta, generalmente, fili conduttori scoperti che sporgono da ciascuna estremità di un condensatore a chip ceramico e che scendono verticalmente verso il basso, mantenendosi paralleli fra loro. Questi componenti elettrici sono tipicamente disponibili sul mercato sia come dispositivi nudi non incapsulati, sia racchiusi in un rivestimento protettivo o, ancora, in un contenitore stampato. Si possono trovare di svariate dimensioni e di differenti valori di capacità, con un’ampia scelta di forme e passo dei reofori, come mostrato in Figura 1, per poter meglio adattarsi ad un ampio ventaglio di applicazioni diverse.
Mentre un condensatore a chip per montaggio superficiale è progettato per essere posizionato e saldato in posizione piatta sopra la scheda elettronica, i componenti radiali rimangono verticali perpendicolarmente alla scheda stessa. Questa loro peculiarità può aiutare i progettisti a risparmiare parte dello spazio occupato sul circuito stampato, rendendo così i dispositivi con reofori vantaggiosi in tutta una serie di progetti ad alta densità. La disposizione parallela dei terminali, inoltre, consente un inserimento diretto a spina, che rende questi dispositivi particolarmente adatti ad essere utilizzati con le macchine per inserzione automatica di componenti ad alta velocità. I condensatori di tipo radiale sono una soluzione ideale anche per le applicazioni nelle quali al circuito stampato viene preferito il cablaggio da punto a punto.
I condensatori ceramici multistrato con reofori di tipo assiale hanno i terminali che sporgono da ciascuna estremità del corpo stesso del condensatore, lungo il suo asse di simmetria. Questi dispositivi sono spesso impiegati per coprire brevi distanze sui circuiti stampati o attraversare uno spazio aperto nei collegamenti punto-punto. I condensatori ceramici assiali, una volta montati, sporgono di poco rispetto alla superficie del circuito stampato quando vengono posizionati parallelamente alla scheda, se confrontati con i reofori in configurazione radiale.
Isolamento meccanico
La causa più frequente di guasto fra i condensatori ceramici multistrato a montaggio superficiale è l’incrinatura interna degli strati ceramici, causata dalla flessione del circuito stampato su cui sono montati, in condizioni di carico termico e meccanico (tali guasti sono noti anche con il nome di “flex cracks”, ossia incrinature da flessione). I condensatori ceramici MLCC a montaggio superficiale che vengono posizionati vicino a connettori a pressione risultano più facilmente soggetti a questo tipo di rotture. Le incrinature da flessione possono essere indotte anche da alcune fasi del processo di fabbricazione, come la depannellizzazione o l’assemblaggio finale. Tali spaccature si originano tipicamente a partire dallo spigolo interno della banda di terminazione montata e si propagano verso l’alto attraverso gli strati ceramici. Se l’incrinatura si estende fino ad arrivare agli elettrodi interni sul lato opposto, qualsiasi penetrazione ionica o infiltrazione di umidità potrà consentire il passaggio di una corrente, causando, così, un corto circuito.
L’isolamento meccanico è considerato la soluzione più efficace per prevenire le incrinature da flessione e, in questo senso, diverse sono le tecnologie messe a punto per i condensatori MLCC allo scopo di ridurre il problema. Esse comprendono i sistemi a elettrodo interno aperto in caso di guasto di tipo “fail open” sviluppati da Kemet, quali: la tecnologia a elettrodo flottante (FE-CAP: floating electrode) e a modalità aperta (OM-CAP: open-mode), oltre a quella a terminazioni flessibili (FT-CAP: flexible termination). I componenti con reofori assiali o radiali, a loro volta, hanno il vantaggio di essere intrinsecamente isolati dal punto di vista meccanico e risultano, pertanto, assai meno soggetti alle incrinature da flessione, come illustrato nella Figura 2. I terminali di collegamento, infatti, riducono significativamente il trasferimento degli stress dalla scheda al corpo rigido del nucleo ceramico interno al condensatore stesso.
Le proprietà di assorbimento degli urti tipiche dei reofori aumentano, inoltre, la resistenza di questi condensatori ai forti impatti e alle vibrazioni di grande ampiezza. Grazie a tali caratteristiche, i condensatori dotati di reofori si rivelano perfettamente adatti per impieghi in ambienti come i vani motore nel settore aerospaziale, le sonde geofisiche, i comandi dei motori per veicoli ibridi ed elettrici, i sensori da installare sotto il cofano per l’industria automobilistica, oltre ad una vasta serie di applicazioni militari ed alle trivellazioni di pozzi in profondità.
Mettiamo al bando i condensatori “che cantano”
Le due caratteristiche più comuni dei materiali dielettrici di Classe II e Classe III sono rappresentate dalla elettrostrizione e dalla piezoelettricità. Considerati spesso per errore come fenomeni legati fra loro, queste due proprietà possono provocare effetti spiacevoli in alcune specifiche applicazioni circuitali.
L’elettrostrizione è un comportamento tipico di tutti i dielettrici, nei quali il materiale subisce deformazioni meccaniche a seguito dell’applicazione di un campo elettrico. I dielettrici di Classe II e di Classe III, come, ad esempio, X7R, X5R, Z5U e Y5V sono composti da materiali ferroelettrici che mostrano effetti di variazione dimensionale elettrostrittiva ancora maggiori. La deformazione meccanica di un condensatore MLCC a montaggio superficiale, che sia stato montato su di una superficie e che sia composto da materiale ferromagnetico, può generare un’emissione sonora, simile ad un mormorio intonato a bocca chiusa e perfettamente udibile (cioè un “canto”), come illustra la Figura 3. Più condensatori montati vicini sulla medesima scheda sono in grado di amplificare il suono fino a renderlo facilmente percepibile.
La piezoelettricità, anche definita come “effetto piezoelettrico”, consiste nella capacità che possiede un materiale di generare una tensione e/o un segnale elettrico (rumore) quando sottoposto ad uno stress meccanico esterno o ad una vibrazione. In modo del tutto analogo al fenomeno della “microfonia”, i condensatori ceramici multistrato che contengono materiali ferroelettrici sono di natura piezoelettrica e sono, quindi, in grado di convertire tensioni esterne, esattamente come un microfono fa con i suoni, in un segnale elettrico. Quest’ultimo si rivela spesso indesiderato (rumore) e può addirittura introdursi all’interno del circuito, come illustrato nella Figura 4.
Le lunghe terminazioni (conduttori di collegamento) dei condensatori dotati di reofori consentono un isolamento meccanico del componente stesso dalla scheda elettronica. Tale isolamento blocca il trasferimento di stress meccanici e vibrazioni del circuito stampato verso il corpo del condensatore, riducendo, pertanto, il rischio d’insorgenza di rumore microfonico. I reofori, inoltre, forniscono una soluzione efficace al canto dei condensatori, smorzando l’emissione sonora prodotta dall’elettrostrizione.
Ulteriori vantaggi dei condensatori ceramici multistrato con i reofori
A differenza dei componenti a montaggio superficiale, che devono essere montati su di un circuito stampato, i condensatori con reofori offrono una versatilità di impiego di gran lunga maggiore. L’industria automobilistica, quella aerospaziale e il settore delle perforazioni petrolifere fanno affidamento sui condensatori ceramici multistrato tradizionali da utilizzare in siti e postazioni ove non sia richiesto un circuito stampato, o per applicazioni in ambienti ostili che potrebbero danneggiare rapidamente un circuito stampato. Oltre a essere compatibili sia con la lega saldante, sia con gli adesivi elettricamente conduttivi, i condensatori dotati di reofori consentono ulteriori metodi di montaggio alternativi. Come efficace soluzione nella soppressione del rumore negli assemblaggi dei motori elettrici a spazzole e nei condotti di distribuzione dell’alimentazione (blindosbarre), i condensatori tradizionali vengono solitamente saldati o crimpati direttamente ai terminali del motore, alle unità di alloggiamento e alle barre di distribuzione dell’energia elettrica, essendo, queste, le aree più prossime, nella maggior parte dei casi, alle fonti di rumore.
Sotto alcuni aspetti, i condensatori ceramici multistrato tradizionali vincono anche il confronto con altre tecnologie di condensatori. Diversamente dai condensatori elettrolitici o al tantalio, ad esempio, essi non sono polarizzati e risultano, quindi, immuni ai guasti provocati da un inserimento scorretto. Essi presentano, inoltre, una maggiore efficienza volumetrica rispetto ai condensatori a film: tale caratteristica contribuisce a ridurre i problemi termici e consente ai progettisti della scheda una maggiore libertà per sfruttare lo spazio supplementare ora disponibile su circuito stampato e destinarlo ad altri componenti. In alternativa, il risparmio di spazio ottenuto può permettere di progettare un circuito stampato più piccolo e, quindi, meno caro.
I tecnici godono di un’ampia scelta in termini di valori di capacità, intervalli di temperatura e di tensione supportati. I condensatori con reofori di tipo radiale e di tipo assiale prodotti da Kemet, ad esempio, sono garantiti per un valore massimo di temperatura operativa che va da 85 °C a 260 °C. La serie di componenti con reofori di tipo radiale supporta tensioni nominali massime che appartengono all’intervallo 25 V DC – 10.000 V DC, mentre i condensatori con reofori di tipo assiale sono disponibili nell’intervallo di tensioni che va da 25 V DC a 250 V DC. I dispositivi assiali inoltre, rappresentano la soluzione ideale in tutte le applicazioni per le quali non è disponibile un componente commerciale standard di tipo radiale con caratteristiche adeguate, o dove i vincoli di altezza richiedono un dispositivo assiale con profilo più basso.
I condensatori ceramici con reofori di tipo assiale e radiale presentano proprietà elettriche, fisiche e meccaniche vantaggiose, che ne garantiranno l’impiego in una serie di applicazioni ancora per molti anni a venire. Questi dispositivi offrono quella versatilità di cui hanno bisogno gli ingegneri per spingere sempre più avanti i limiti della progettazione elettronica e migliorare ulteriormente le prestazioni delle apparecchiature usate nelle applicazioni più impegnative dal punto di vista fisico. Ed è proprio qui che i condensatori ceramici multistrato tradizionali con reofori sembrerebbero avere una lunga vita di fronte a loro.
Autore: Corey Antoniades, Ceramic Technical Product Manager, Kemet Corporation
