片式多層陶瓷電容器 (簡稱MLCC) 憑借容量范圍寬、頻率特性好、體積超小、無極性、自動(dòng)化生產(chǎn)適配度高等特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，被稱為“電子工業(yè)的大米”，并且正通過技術(shù)進(jìn)步，不斷向新的市場空間滲透。

近年來，隨著汽車電氣化和智能化的發(fā)展，車載應(yīng)用已經(jīng)成為MLCC的一個(gè)重要市場，而且值得注意的是——電氣化和智能化水平越高的汽車，對于MLCC的需求量也越大。有分析顯示，一輛傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上的MLCC用量約為3,000顆，而對于純電動(dòng)的智能車型，單車MLCC的用量則會(huì)高達(dá)18,000顆！

車用MLCC面對的雙重挑戰(zhàn)

雖然市場前景可期，不過眾所周知，想要“上車”的元器件必須要經(jīng)受得住更嚴(yán)苛的考驗(yàn)。這對于車用MLCC也不例外，與通用版本的MLCC相比，其必須面對來自各類汽車應(yīng)用的雙重挑戰(zhàn)。

第一重挑戰(zhàn)來自于“高電壓”。在電氣化和智能化的推動(dòng)下，汽車的功率需求越來越大，車用MLCC也面臨著越來越多的“高壓環(huán)境”，由此帶來的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)比我們想象的更為復(fù)雜和嚴(yán)峻。具體來講，這些挑戰(zhàn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

電場應(yīng)力下的元件老化

在高電壓持續(xù)作用下，MLCC內(nèi)部的介質(zhì)材料將承受巨大的電場應(yīng)力，這種應(yīng)力長時(shí)間作用，會(huì)在MLCC電介質(zhì)內(nèi)部積累疲勞損傷，造成絕緣電阻下降，加速元件老化；極端情況下甚至?xí)l(fā)生介質(zhì)擊穿，導(dǎo)致元件失效。

局部放電與表面爬電

電容器內(nèi)部或表面存在的微小空隙、裂紋或污染物，在高電壓下其附近會(huì)發(fā)生空氣電離，產(chǎn)生肉眼不可見的局部放電，隨著時(shí)間推移會(huì)引發(fā)介質(zhì)劣化、電容漂移，甚至失效。而電容器表面端子間的爬電距離不足，高電壓還可能會(huì)通過表面“拉弧”造成短路。

壓電效應(yīng)產(chǎn)生的開裂風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)高頻紋波電壓施加到電容器上時(shí)，會(huì)因逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生微小的機(jī)械振動(dòng)，這種振動(dòng)若與PCB的機(jī)械諧振頻率耦合，會(huì)疊加為周期性機(jī)械應(yīng)力，增加元件焊點(diǎn)和陶瓷本體上產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

電壓系數(shù)導(dǎo)致的容值衰減

X7R等陶瓷介質(zhì)在施加直流偏壓時(shí)，其介電常數(shù)會(huì)顯著下降，導(dǎo)致實(shí)際電容值遠(yuǎn)低于標(biāo)稱值，進(jìn)而導(dǎo)致性能“打折”及功能性失效。

除了高電壓，車用MLCC與其他車載元器件相同，還必須面對惡劣環(huán)境的“魔鬼考驗(yàn)”，具有更出眾的可靠性，這就是第二重挑戰(zhàn)。車用MLCC的可靠性挑戰(zhàn)可歸納為三點(diǎn)：

振動(dòng)與機(jī)械應(yīng)力

持續(xù)的高強(qiáng)度振動(dòng)可能會(huì)在陶瓷體內(nèi)部引發(fā)微裂紋，或者導(dǎo)致MLCC焊點(diǎn)疲勞斷裂，這種損傷無疑是系統(tǒng)可靠性的“隱形殺手”。

極端溫度的沖擊

車用MLCC往往需承受從-40℃至150℃的極端溫差，不同材料的熱膨脹系數(shù)差異會(huì)在溫度循環(huán)中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致介質(zhì)層開裂或電極氧化，引發(fā)元件性能劣化或失效。

長期性能穩(wěn)定性

汽車的設(shè)計(jì)壽命通常要求超過10年或15萬公里，因此車用MLCC必須具有出色的復(fù)雜環(huán)境耐受性，通過AEC-Q200這一“準(zhǔn)入門檻”的嚴(yán)苛認(rèn)證，確保在整個(gè)生命周期內(nèi)性能的穩(wěn)定。

綜上所述，車用MLCC既要面對高電壓環(huán)境的考驗(yàn)，又要經(jīng)受來自機(jī)械沖擊、極端溫度、復(fù)雜環(huán)境等多方面的挑戰(zhàn)，因此如何打造具有高可靠性的高壓MLCC，就成了車用MLCC技術(shù)演進(jìn)的一個(gè)重要考量。

高壓車用MLCC兩大賦能技術(shù)

想要打造可靠的高壓車用MLCC，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)MLCC的結(jié)構(gòu)和工藝顯然無法滿足要求，在這個(gè)基礎(chǔ)上修修補(bǔ)補(bǔ)難免力不從心，這時(shí)就需要顛覆性的新思路，能夠從根源上化解風(fēng)險(xiǎn)，為產(chǎn)品創(chuàng)新打開突破口。

好消息是，這個(gè)“突破口”被YAGEO集團(tuán)旗下的KEMET找到了！通過巧妙地整合浮動(dòng)電極 (Floating Electrode) 和柔性端子 (Flexible Termination) 兩大創(chuàng)新技術(shù)， KEMET成功地解決了車用MLCC面臨的高電壓、高可靠性設(shè)計(jì)難題。

KEMET是如何做到的？下面我們就從解讀浮動(dòng)電極和柔性端子兩大技術(shù)入手，為大家揭秘。

1浮動(dòng)電極技術(shù)

傳統(tǒng)MLCC中，內(nèi)電極是采用交錯(cuò)連接至兩端端子的并聯(lián)方式，以此在單位體積內(nèi)獲得較大的容量。而浮動(dòng)電極采用了一個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)變革，通過在內(nèi)電極中配置不直接連接外部端子的浮空電極片，形成了一種級(jí)聯(lián)/串聯(lián)電極設(shè)計(jì)，其等效電路可以看做在單個(gè)單片結(jié)構(gòu)內(nèi)配置形成多個(gè)串聯(lián)的電容器。

不難理解，采用浮動(dòng)電極的架構(gòu)，相當(dāng)于將幾個(gè)耐壓較低的電容單元串在一起，形成了一個(gè)高壓電容。根據(jù)串聯(lián)分壓原理，施加在元件兩端的總電壓將被均勻分配到內(nèi)部每一個(gè)串聯(lián)的電容單元上，因此每個(gè)電容單元介質(zhì)層實(shí)際承受的電壓將遠(yuǎn)低于總電壓。換言之，采用浮動(dòng)電極技術(shù)的電容器在相同介質(zhì)厚度下，能夠耐受更高的電壓和靜電放電 (ESD) 沖擊。

除了更“耐壓”，浮動(dòng)電極還具有一個(gè)避免短路失效的關(guān)鍵特性。傳統(tǒng)MLCC在遭受機(jī)械應(yīng)力、產(chǎn)生裂紋時(shí)，裂紋極易連通上下電極，導(dǎo)致短路失效，進(jìn)而增加電路過熱甚至起火的安全風(fēng)險(xiǎn)。而浮動(dòng)電極設(shè)計(jì)因其內(nèi)部電極的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即使產(chǎn)生裂紋，通常也只會(huì)切斷某個(gè)串聯(lián)單元的連接，造成電容值下降，但電容器整體仍呈現(xiàn)高阻或開路狀態(tài)，從而杜絕短路失效風(fēng)險(xiǎn)，大大提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

總之，采用浮動(dòng)電極技術(shù)，雖然與并聯(lián)結(jié)構(gòu)的普通MLCC相比在容量上有所折中，但卻帶來了更優(yōu)的高耐壓和高安全特性，這正是車載高壓應(yīng)用中不可或缺的要素。

2柔性端接技術(shù)

如果說浮動(dòng)電極技術(shù)是從MLCC的“內(nèi)部”結(jié)構(gòu)上解決問題，那么柔性端接技術(shù)則是在MLCC的“外部”端子設(shè)計(jì)上做文章。

大家知道，傳統(tǒng)的MLCC端接是剛性的，其焊接在PCB上，當(dāng)PCB發(fā)生彎曲變形時(shí)，所有的機(jī)械應(yīng)力就會(huì)傳遞到相對脆弱的MLCC陶瓷體上，極易形成裂紋等損傷。而KEMET的柔性端接技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)MLCC端接系統(tǒng)中的賤金屬層 (銅) 和鎳阻擋層之間，加入了一層導(dǎo)電銀環(huán)氧樹脂材料，這就像是在電容器堅(jiān)硬的陶瓷本體與外部電路板之間，墊上了一塊 “緩沖墊”，可以大大舒緩來自外部環(huán)境的機(jī)械應(yīng)力沖擊。

柔性端接技術(shù)對于提升車用MLCC可靠性的作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，在復(fù)雜的PCB裝配和嚴(yán)苛的車載振動(dòng)環(huán)境中，能夠更有效地吸收和分散來自PCB的拉伸與剪切應(yīng)力，避免MLCC陶瓷本體遭受損傷，可以讓MLCC獲得高達(dá)5mm的抗PCB彎曲能力；其次，環(huán)氧樹脂層在提供柔韌性的同時(shí)，仍能夠確保端子的連接強(qiáng)度、可焊性和電氣性能，不打折扣。

可以說，柔性端接技術(shù)以一種“剛?cè)岵?jì)”的方式，為車用MLCC提供了一道堅(jiān)實(shí)的可靠性屏障。與浮動(dòng)電極技術(shù)聯(lián)手，兩者更是相得益彰，造就出可靠的高壓MLCC產(chǎn)品。

KEMET高壓浮動(dòng)電極MLCC

將浮動(dòng)電極與柔性端接這兩項(xiàng)關(guān)鍵賦能技術(shù)合二為一，一個(gè)成功的范例就是KEMET的FF-CAP系列高壓MLCC，它繼承了兩種技術(shù)的全部優(yōu)勢，成為汽車高壓電路設(shè)計(jì)的理想之選。

FF-CAP系列高壓MLCC提供500VDC至3kVDC的額定電壓，電容值范圍覆蓋從10pF到220nF，具有低ESR和ESL的特性，以及-55°C至+125°C的寬工作溫度范圍，符合AEC-Q200車規(guī)認(rèn)證，以及RoHS和REACH等環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足各種車載高壓MLCC的應(yīng)用所需。

有了這樣的技術(shù)底蘊(yùn)，KEMET自然能夠更加游刃有余地?cái)U(kuò)充其高壓浮動(dòng)電極MLCC產(chǎn)品組合。目前，這一產(chǎn)品組合中不僅包括單位體積電容更高的X7R介質(zhì)產(chǎn)品，滿足高壓、高容值應(yīng)用的要求，也包括高頻特性和容值穩(wěn)定性更佳、適配寬禁帶半導(dǎo)體器件的C0G介質(zhì)產(chǎn)品，在確保性能和可靠性的同時(shí)，更大限度地?cái)U(kuò)展高壓浮動(dòng)電極MLCC的應(yīng)用版圖。

表1：X7R和C0G介質(zhì)MLCC的典型應(yīng)用（資料來源：KEMET）

本文小結(jié)

總之，浮動(dòng)電極技術(shù)為車用MLCC帶來了更高的耐壓和ESD性能，柔性端接技術(shù)則為車用MLCC提供了高達(dá)5mm的抗板彎曲能力，使其在可靠性上更上層樓；兩者優(yōu)勢疊加，不僅能夠滿足新一代汽車應(yīng)用在小型化、高耐壓上對于MLCC的新要求，也以更高的可靠性為汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更大的安全冗余空間。

KEMET的高壓浮動(dòng)電極MLCC就是依托這兩大賦能技術(shù)煉成的！對于追求高性能、高可靠汽車電子設(shè)計(jì)的工程師而言，這無疑是不可或缺的理想之選。

KEMET高壓浮動(dòng)電極MLCC性能一覽（圖源：KEMET）