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Comment remédier à la pénurie de MLCC

Pour entrer dans le vif du sujet : le marché est confronté à des vagues successives de pénuries d'approvisionnement, de hausses de prix et d'allongement des délais pour les MLCC. L'évolution des besoins dans le secteur de l'automobile et de l'électronique industrielle a influencé la demande du marché et contribué à une réorientation de la fabrication, en abandonnant l'utilisation des MLCC pour un usage général au profit des applications spécialisées. Cette tendance n'est pas nouvelle, mais comme les ressources des brokers, les stocks des distributeurs en MLCC s'amenuisent y compris pour les anciens composants, il est nécessaire de chercher des alternatives. De plus, tous les indicateurs convergent vers un douloureux constat: Rien ne changera avant 2020 (et même cette date reste discutable). 

Les pistes s'orientent vers les condensateurs en polymère

Les MLCC sont de loin les condensateurs les plus économiques du marché et les plus répandus. Et ce pour de bonnes raisons : ils sont fiables, peu coûteux et faciles à fabriquer. Cependant, ils ne conviennent pas pour les applications néccessitant un stockage d'énergie comme les circuits de lissage, les systèmes d'alimentation secourue et les applications subissant des contraintes mécaniques. Les alternatives disponibles ne remplissent pas tous les critères, il faudra nécessairement faire des compromis. Il y a bien sûr des caractéristiques dimensionnelles qui permettent de monter des composants sur la carte en lieu et place, mais ce n'est que le sommet de l'iceberg.

Avec plus de 60 % de part de marché, Panasonic est le fabricant leader de condensateurs solides en polymère d'aluminium. Il a joué un rôle majeur dans l'optimisation de cette technologie. Les condensateurs en polymère offrent des valeurs de capacité élevée et d'excellentes propriétés de polarisation avec lesquelles les condensateurs céramique multicouches ne peuvent pas rivaliser. De plus, les condensateurs en polymère ont de très faibles caractéristiques ESR. et leur inductance équivalente série ESL est dorénavant faible, grâce à des améliorations structurelles récentes. Les condensateurs en polymère offrent également une excellente stabilité à basse température et présentent un faible dessèchement de l’électrolyte pendant tout sa durée de leur fonctionnement. Ils se déclinent chez Panasonic sous quatre technologies offrant des caractéristiques différentes :

  • OSCON : Le choix à privilègier lorsque l'application implique des courants d'ondulation, des tensions et des capacités élevées.
  • SP-CAP : Similaires aux OSCON, mais au format chip, ils offrent une très faible ESR, ce qui rend les rendent intéressants comme alternative aux MLCC caractérisés par une ESR négligeable et une faible ESL . Seul inconvénient : les tailles de boîtier disponibles sont limitées. 
  • Hybride : Certifiés pour l'automobile, ces condensateurs sont une alternative appropriée aux MLCC dans les applications relatives à la sécurité.
  • POSCAP : Ils ont la particularité d'être difficiles à utiliser, mais ils offrent un grand choix de tailles de boîtier – à partir de 2 mm (boîtier A).

 

Condensateurs en polymère contre MLCC 

Les condensateurs SP-CAP et POS-CAP qui offrent des dimensions réduites et une forme cubique, conviennent particulièrement au remplacement des MLCC. En comporant les caractéristiques, ces deux technologies polymère aux MLCC, on constate néanmoins de nombreuses différences.

  • Stabilité des valeur de capacité : la figure 1 ci-dessous montre la variation des valeurs de capacité sur une large plage de fréquences pour les différentes technologies. Elle fait apparaître clairement que les condensateurs en polymère ont des performances très similaires aux condensateurs céramique multicouches.

  • Capacité, stabilité et polarisation c.c. : les MLCC ne peuvent atteindre les valeurs de capacités que les condensateurs en polymère offrent pour un même encombrement. Les valeurs de capacité des MLCC dépend aussi fortement de la polarisation c.c. due aux diélectriques ferroélectriques utilisés. La capacité des MLCC varie en fonction de la tension c.c. appliquée, ce qui peut conduire à une baisse de plus de 70 % par rapport aux spécifications de la fiche technique. La capacité des condensateurs en polymère quant à elle varie peu lorsque la tension d'appliquée change (voir la figure 2). ainsi l'utilsisation des SP-CAP ou POSCAP  permettent de limité le nombre de composants par rapport aux MLCC, ce qui réduit l'encombrement sur la carte à circuits imprimés, le coût de la BOM et les étapes de fabrication.

Figure 2 - Capacitance Density for MLCC vs. Polymer Capacitors

  • Stabilité/température : la capacité des condensateurs en polymère augmente parallèlement à la température. Les caractéristiques de température des MLCC diffèrent selon le type de diélectrique, mais tous présentent des défaillances dues au vieillissement en se montrant dépendants de la température et exigent une plus basse température de service. Les condensateurs céramique sont cassants et sensibles aux chocs mécaniques. Il est donc nécessaire de prendre des précautions pour éviter une fissuration. La plage de températures habituelle des condensateurs céramique est de -40 à +85 °C, voire +125 °C, la capacité variant entre +5 % et -40 % ; la valeur idéale se situe à une température comprise entre 5 et 25 °C. De leur côté, les condensateurs en polymère ont un grand potentiel de développement pour atteindre de plus hautes valeurs de densité, supporter des contraintes de champ plus élevées et de plus hautes températures (actuellement limitées à 125 °C) en raison de leur mécanisme de fonctionnement et du progrès des matériaux diélectriques. Mais les polymères à constante diélectrique plus élevée permettent une haute densité d'énergie.

 

Figure 3 - Temperature Characteristics for MLCC vs. Polymer Capacitors

  • Effets piézoélectriques typique aux MLCC: La plupart des condensateurs céramique présentent des effets piézoélectriques, qui peuvent provoquer dans certains circuits des signaux indésirés. Les effets piézoélectriques peuvent entraîner l'apparition de bruits électriques. Lorsqu'un champ ou un potentiel électrique est appliqué à la surface d'un condensateur MLCC, il peut provoquer une déformation sur une plage de fréquences s'étendant de 20 Hz à 20 KHz et audible à l'oreille humaine. Ce phénomène est alors appelé "bruit acoustique" ou "chant" du MLCC (voir figure 4). Dans la plupart des cas, un MLCC seule n'est pas suffisante pour générer un niveau de pression acoustique (NPA) problématique ou perturbateur. Mais soudé sur un circuit imprimé, le MLCC génère un phénomène de masse à ressort, qui augmente ou amortit les oscillations en fonction des fréquences. Ce phénomèrne touchant uniquement la technlogie céramique, peut être éviter en utilisant une autre technologie, notamment les condensateurs polymère.

 

Figure 4 - Piezoelectric Effects for MLCC vs. Polymer Capacitors

  • La robustesse est aussi un point faible des MLCC : Des fissures dans les composants en céramique limite la fiabilité de l'assemblage et le rendement. Ces fissures se manifestent par des défauts électriques : contact intermittent, résistance variable, perte de puissance et courant de fuite excessif. C'est pourquoi les condensateurs MLCC subissent différents tests de fiabilité, tels que des tests de choc thermique, de flexion de la carte de circuit imprimé, d'humidité, et d'autres encore, en fonction des applications ciblées. Parmi ces tests de fiabilité, celui de la flexion de la carte évalue la résistance mécanique aux fissures. La flexion d'une carte de circuit imprimé survient fréquemment pendant ou entre les étapes de fabrication, ainsi que lors d'une utilisation dans des conditions de variation de température. Les condensateurs polymère ne présentent pas ces faibles mécaniques.

 

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21 Sep 2018, 8:09

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