I condensatori MLCC (condensatori ceramici multistrato) più comuni presenti sul mercato industriale e automotive sono caratterizzati da un TCC (coefficiente di temperatura di capacità) ampiamente noto come X7R, dove la ‘X’ sta per -55°C, il ‘7’ per +125°C e la ‘R’ per ±15% di tolleranza nell’intervallo di temperature.
Con un margine di tolleranza più stretto sulle variazioni di capacità, pari al ±15%, molti progettisti semplicemente sceglieranno prodotti X7R anziché X7S. 
Tuttavia, quando si sceglie un MLCC, è importante considerare non solo il coefficiente TCC, ma anche la polarizzazione DC, ovvero la variazione di capacità alla tensione applicata in continua.
Samsung Electro-Mechanics Co (SEMCO) si concentra sulle soluzioni MLCC che forniscono prestazioni elevate in termini sia di parametri TCC che di polarizzazione DC. E mentre alcuni prodotti X7R offrono una polarizzazione DC migliore rispetto ai dispositivi X7S, è vero anche il contrario, con alcuni MLCC X7S che forniscono un netto vantaggio.
Quindi, come mai sempre più aziende non scelgono i condensatori MLCC X7S? Il motivo, a quanto pare, risiede unicamente nella mancanza di conoscenza.
Nel campo moderna elettronica automotive e industriale, si osserva comunemente una tendenza verso una maggiore integrazione e l’aggiunta di un numero crescente di funzionalità, che tendono a richiedere sempre più capacità.
Un MLCC che offre un TCC X7S fornisce probabilmente una capacità effettiva più elevata di un MLCC con un TCC X7R (a parità di capacità nominale), perché il TCC è solo uno dei fattori che influenza la capacità. Un altro parametro importante che influenza le prestazioni è la polarizzazione DC.
Quest’ultima è data dalla variazione di capacità quando una tensione in continua viene applicata lungo i terminali. I condensatori MLCC devono gestire la polarizzazione di tensione DC e sono quindi anche sensibili a questo fenomeno. Il valore di capacità diminuirà all’aumentare della tensione DC, e ciò può impattare negativamente su molti tipi di circuito.
La sfida dello sviluppo
Esistono diversi modi in cui gli OEM possono sviluppare MLCC con valori di capacità più elevati, la maggior parte dei quali comporta tipicamente miglioramenti nei materiali ceramici.
Ad esempio, una granulometria più fine del materiale ceramico consente di ottenere strati più sottili, mentre un ulteriore trattamento dei grani può migliorare l’omogeneità e l’affidabilità.
Inoltre, migliorando il drogaggio del materiale è possibile aumentare la costante dielettrica relativa (εr). Tutti questi fattori consentono di ottenere valori di capacità più elevati, con risultati notevoli, anche di 10μF/50V su package 1206.
Ogni progettista alla ricerca di una soluzione ad alta densità ed efficienza in un alloggiamento compatto può trarre vantaggio da questi MLCC. Le applicazioni che richiedono valori elevati di precisione, stabilità e affidabilità elettrica osserveranno dei vantaggi significativi: queste includono i circuiti di bypass dell’alimentazione, l’elettronica consumer e gli apparecchi di telecomunicazione.
Per approfondire, la costante dielettrica relativa (talvolta nota come permittività relativa) è una misura della quantità di energia potenziale elettrica, sotto forma di polarizzazione indotta, immagazzinata in un determinato volume di materiale sottoposto all’azione di un campo elettrico.
Tuttavia, quando si aumenta la permittività relativa di un materiale ceramico, si ha un particolare effetto collaterale: gli utenti possono aspettarsi di assistere a una variazione più marcata della permittività relativa al variare delle condizioni operative, ovvero della tensione DC applicata, del parametro TCC e del tempo.
In breve, la disponibilità di un valore di capacità stabile dipende dalla possibilità di raggiungere un buon equilibrio delle proprietà del MLCC che possono assicurare le migliori prestazioni a partire da queste condizioni di utilizzo.
Perdita di capacità
Tutte le impostazioni di Classe II per i condensatori MLCC (inclusi i dispositivi X7R e X7S) presentano un valore di capacità che varia in base alla tensione DC applicata (polarizzazione DC), al TCC e al tempo (invecchiamento).
Quest’ultimo, ad esempio, si verifica quando i grani ceramici perdono la capacità di riorientarsi nel tempo, in gran parte a causa della necessità dei domini di trovare stati energeticamente più stabili. Questa stabilizzazione del dominio comporta una diminuzione della permittività relativa, che si traduce direttamente in una perdita di capacità.
Naturalmente, la maggior parte dei progettisti sa già che la polarizzazione DC riduce significativamente la capacità effettiva dei condensatori MLCC di Classe II.
Per chiarire, entrambe le formulazioni X7S e X7R sono caratterizzate da ceramiche ‘stabili in temperatura’ che rientrano fra i materiali EIA di Classe II. Insieme al TCC e all’invecchiamento, questi tre fattori dipendono l’uno dall’altro, per cui migliorarne uno avrà un impatto su uno o su entrambi gli altri fattori.
L’approccio ampiamente condiviso consiste nel migliorare simultaneamente sia la polarizzazione DC sia il TCC, e ciò mostrerà risultati solo quando si avrà in futuro un miglioramento nel complesso della qualità delle polveri ceramiche.
Condensatori X7S: una migliore polarizzazione DC
Ci sono tuttavia buone notizie, e SEMCO rende noto che gli attuali condensatori MLCC X7S sono in grado potenzialmente di offrire una polarizzazione DC migliore rispetto ai dispositivi X7R. Per dimostrarlo, l’azienda ha eseguito una serie di misure che definiscono le caratteristiche prestazionali di polarizzazione DC di un MLCC X7S di SEMCO e di un dispositivo X7R di un altro produttore.
In termini di specifiche, entrambi i MLCC erano caratterizzati da una capacità di 1μF con una tolleranza del 10% a 6.3V in un package/alloggiamento di dimensioni 0402.
Le misure hanno evidenziato che il condensatore MLCC X7S di SEMCO mostrava un tasso di variazione di capacità di circa -30,7% a 4V. Per contro, i dispositivi MLCC X7R degli altri fornitori presentavano un tasso di variazione della capacità notevolmente più elevato, pari a circa -50,6% a 4V.
Come già detto, questo miglioramento della polarizzazione DC produce un certo impatto sul TCC. A 4V e 85°C, il condensatore MLCC X7S di SEMCO ha registrato un tasso di variazione della capacità del -6%, rispetto a +6% (a 4V, 85°C) del dispositivo MLCC dell’altro produttore.
Come mostra il grafico, il dispositivo MLCC X7S di SEMCO da 1μF risulta il più performante nel complesso, offrendo ancora una capacità di 0,59μF a 4V, 85°C, rispetto ad appena 0,52μF per l’X7R.
Una bassa conoscenza del mercato
Il mercato ha ben presente la fascia di tolleranza dei dispositivi X7R del ±15%, che ne rende difficile la sostituzione come tecnologia preferita senza una profonda analisi delle specifiche MLCC.
Tuttavia, come hanno mostrato le misure sopra descritte, quando si prendono in considerazione le reali condizioni di lavoro – confrontando la polarizzazione DC e il TCC – il condensatore MLCC X7S potrebbe offrire una maggiore capacità residua.
I criteri analizzati in questo articolo si verificano spesso per valori elevati di capacità, dove la polarizzazione DC è sempre più evidente e agisce per ridurre la capacità effettiva. Questo è anche il fronte in cui i progettisti spesso combattono per aumentare la capacità anche di pochi nF con margini calcolati stretti.
Uno sguardo al futuro
Qualsiasi progettista di sistemi o di componenti elettronici che opera nei mercati automotive, industriale o altro, otterrà vantaggi significativi considerando più attentamente i dispositivi X7S per i loro requisiti MLCC alle alte capacità.
I risultati presentati da SEMCO dimostrano che i condensatori MLCC X7S possono talvolta offrire una polarizzazione DC notevolmente migliore rispetto ai dispositivi X7R analoghi. Anche quando si prende in considerazione il TCC, i dispositivi MLCC X7S si rivelano spesso essere i migliori in termini di prestazioni complessive.
Ci sono molti sviluppi in corso nella progettazione di MLCC, mentre i fornitori cercano di soddisfare le richieste sempre più pressanti degli ingegneri nell’industria elettronica di oggi. La ricerca di nuovi materiali e gli effetti di parametri come la polarizzazione DC e il TCC fanno sì che la scelta corretta degli MLCC dipenda molto dall’applicazione specifica.
I condensatori MLCC X7R e X7S possono fornire la soluzione ottimale in relazione agli obiettivi di progetto. Per i progettisti che desiderano evitare di cedere il vantaggio alla concorrenza, il messaggio chiave è di non continuare semplicemente a scegliere, per i nuovi progetti, i condensatori MLCC che si sono sempre usati, ma di considerare tutte le opzioni. I vantaggi potenziali potrebbero offrire una piacevole sorpresa.
– articolo di Benjamin Blume, Team Leader Ingegnerizzazione Europa e Hank Kang, Responsabile Prodotti Componenti Passivi, Samsung Electro-Mechanics
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