Phạm vi của tụ điện polymer có sẵn vừa đa dạng vừa toàn diện.

Không chỉ kể từ khi 5G được giới thiệu rộng rãi, nhu cầu về tụ điện chip gốm nhiều lớp (MLCC) ngày càng tăng. Ngoài việc tăng trưởng thị trường MLCC đáng kể, các ứng dụng trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, xử lý dữ liệu, viễn thông và nhiều lĩnh vực khác thậm chí còn dẫn đến tình trạng thiếu hụt trên toàn ngành trong những năm gần đây.

Tất cả những yếu tố này đã góp phần khiến ngày càng nhiều OEM bắt đầu tìm cách thay thế MLCC bằng các loại tụ điện thay thế. Điều này càng trở nên trầm trọng hơn bởi dự đoán về nhu cầu ngày càng tăng do 5G.

Một số lựa chọn thay thế MLCC thích hợp có thể được tìm thấy trong danh mục công nghiệp phong phú của Panasonic. Là nhà sản xuất tụ điện polymer hàng đầu với chuyên môn thiết kế lâu năm, SP-Caps và OS-CON của Panasonic cũng đáng để xem xét kỹ hơn, cũng như tụ điện polymer tantali POS-CAP, cùng với công nghệ tụ điện nhôm lai polymer của nhà sản xuất.

Đối với tụ điện polymer dẫn điện, các lĩnh vực ứng dụng đã mở rộng đáng kể trong thời gian gần đây. Tụ điện polymer (cũng như tụ điện nhôm thông thường) nổi bật với số liệu điện dung lớn và các đặc tính phân cực tuyệt vời rõ ràng vượt trội so với các tụ điện chip gốm nhiều lớp của chúng.

MLCC là tụ điện có giá trị cố định, gắn trên bề mặt với các lớp kim loại và gốm xen kẽ đóng vai trò là chất điện môi. MLCC được sử dụng với khối lượng lớn hơn bất kỳ loại tụ điện nào khác, trong mọi thứ, từ điện thoại thông minh đến xe điện.

Tụ điện polymer công nghiệp của Panasonic đã được chứng minh là một giải pháp thay thế phù hợp cho những khách hàng đang tìm cách tiết kiệm chi phí bảng mạch in (PCB) và bất động sản. Các thiết bị dựa trên polyme này mang lại lợi thế về hiệu suất so với các tụ điện và gốm thông thường khi nói đến những điều sau: 

• Đặc tính điện
• Tính ổn định
• Tuổi thọ
• Độ tin cậy
• Sự An Toàn
• Chi phí vòng đời

Các loại tụ điện polymer và hybrid khác nhau có những ưu điểm và lợi ích rất cụ thể về điện áp lý tưởng, đặc tính tần số, điều kiện hoạt động và các yêu cầu ứng dụng khác.

Nếu chúng ta bao gồm các thiết bị lai, về cơ bản có bốn loại tụ điện polymer chính, mỗi loại bao gồm các vật liệu điện phân và điện cực khác nhau và mỗi loại cung cấp các mục tiêu đóng gói và ứng dụng khác nhau. Tổng quan ngắn gọn như sau…

SP-Caps: Chiếc flagship mới của ESR cực thấp

Sử dụng polyme dẫn điện làm chất điện phân và cực âm nhôm, đặc tính điện phân biệt của các tụ điện polyme này là điện trở nối tiếp tương đương cực thấp (xuống đến 3mΩ), thuộc hàng thấp nhất trong ngành.

SP-Caps bao gồm dải điện áp từ 2 đến 6.3V và cung cấp điện dung từ 2.2 đến 820μF. Được đóng gói trong nhựa đúc như một thiết bị gắn trên bề mặt nhỏ gọn (SMD), các tụ điện polymer nhiều lớp này có cấu hình thấp. Do các đặc tính về điện và yếu tố hình thức của chúng, chúng phù hợp với nhiều thiết bị điện tử cầm tay hoặc các ứng dụng khác yêu cầu tụ điện cấu hình thấp sẽ không gây nhiễu cho tản nhiệt gần đó.

OS-CONs: Điện dung lớn và tuổi thọ cao

Giống như SP-Caps, tụ điện OS-CON cũng dựa trên polyme dẫn điện và nhôm, nhưng chúng có cấu trúc lá quấn. Các tụ điện polymer quấn này bao gồm nhiều loại điện áp và giá trị điện dung hơn so với các loại tụ điện polymer khác. Điện áp kéo dài từ 2,5 đến 100V, trong khi điện dung chạy từ 3,3 đến 2,700μF.

Ngoài ra, tuổi thọ cao của chúng là một trong những yếu tố khiến chúng được ưa chuộng sử dụng trong các máy chủ và trạm gốc. Ví dụ, với tuổi thọ 20.000 giờ ở 105 ° C, dòng SVPT cung cấp một giải pháp độc đáo cho các ứng dụng như vậy.

POSCAP: Các tụ điện được lựa chọn cho các thiết bị nhỏ gọn

Các loại này sử dụng polyme dẫn điện làm chất điện phân và có cực âm tantali. Chúng trải dài điện áp từ 2 đến 35V và điện dung từ 3.9 đến 1.500μF. Chúng cũng gây ấn tượng với ESR thấp, với một số tụ điện POSCAP của chúng tôi thể hiện giá trị ESR thấp tới 5mΩ.

Được đóng gói trong vỏ nhựa đúc, các tụ điện polyme tantali này là một trong những lựa chọn nhỏ gọn nhất hiện có trên thị trường. Phải nói điều này, mặc dù chúng thực sự nhỏ gọn, nhưng có rất nhiều kích cỡ cho loại tụ điện này.

Tụ điện lai: Tốt nhất của cả hai thế giới 

Tụ điện lai bao gồm sự kết hợp của polyme lỏng và dẫn điện để đóng vai trò là chất điện phân và nhôm làm cực âm. Polyme cung cấp độ dẫn điện cao và ESR thấp tương ứng. Trong khi đó, phần lỏng của chất điện phân có thể chịu được điện áp cao và cung cấp xếp hạng điện dung cao hơn do diện tích bề mặt hiệu quả lớn của nó.

Các tụ điện lai này cung cấp dải điện áp từ 25 đến 80V và điện dung từ 10 đến 560μF. Ở 11 đến 120mΩ, giá trị ESR cho các loại tụ điện lai cao hơn các loại tụ điện polymer khác, nhưng vẫn rất thấp khi xem xét các ứng dụng công suất cao hơn mà chúng giải quyết.

Ưu điểm của tụ điện polymer

Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các tụ điện polymer để xem điều gì khiến chúng vượt trội hơn MLCC và các công nghệ khác.

Mật độ điện dung và độ ổn định so với độ lệch DC: MLCC thể hiện sự phụ thuộc điện dung mạnh vào phân cực DC do vật liệu điện môi sắt điện được sử dụng cho MLCC.

Để so sánh, tụ điện polymer không có vấn đề như vậy và vẫn ổn định theo thời gian. Ưu điểm cụ thể này cho phép số lượng bộ phận thấp hơn đáng kể khi sử dụng tụ điện polymer thay vì MLCC, do đó tiết kiệm không gian PCB quý giá, giảm các bước trong quá trình sản xuất và giảm chi phí.

Độ ổn định so với nhiệt độ: Các đặc tính nhiệt độ điển hình cho MLCC liên quan đến đường cong thay đổi theo nhiều cách khác nhau trong phạm vi dung sai của mỗi sản phẩm. Để so sánh, trong trường hợp tụ điện polyme, điện dung tăng theo kiểu tuyến tính để đáp ứng với sự gia tăng nhiệt độ.

Các đặc tính nhiệt độ của MLCC khác nhau tùy theo loại điện môi, nhưng tất cả chúng đều bị hỏng do lão hóa do phụ thuộc vào nhiệt độ và yêu cầu nhiệt độ hoạt động thấp hơn.

Tụ điện gốm rất giòn và nhạy cảm với sốc nhiệt, vì vậy cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa để tránh nứt trong quá trình lắp, đặc biệt là đối với các MLCC lớn có điện dung cao. Thông thường, tụ điện gốm hỗ trợ phạm vi nhiệt độ từ –40°C đến 85°C, trong khi điện dung của chúng thay đổi khoảng từ +5% đến –40%, nằm trong phạm vi tối ưu xung quanh nhiệt độ thấp từ 5 đến 25°C.

Ngoài ra, tụ điện polymer có tiềm năng phát triển lớn để đạt được xếp hạng cao hơn về mật độ, ứng suất trường và nhiệt độ (hiện được giới hạn ở 125 ° C) do cơ chế làm việc và tiến bộ vật liệu điện môi của chúng. Các polyme hằng số điện môi cao hơn cho phép mật độ năng lượng cao.

Hiệu ứng áp điện: MLCC biến dạng (co lại hoặc mở rộng) khi tiếp xúc với điện áp. Đặc tính MLCC này được gọi là "hiệu ứng áp điện nghịch đảo" (ngược lại của hiệu ứng áp điện).

Đầu ra điện áp DC từ bộ đổi nguồn AC hoặc nguồn điện chuyển mạch gây ra điện áp gợn sóng trong một số trường hợp. Trong trường hợp tụ điện MLCC, nếu tần số của điện áp gợn sóng nằm trong dải tần số có thể nghe được, hiệu ứng áp điện nghịch đảo có thể dẫn đến phát ra tiếng ồn rít lên.

Để so sánh, tụ điện polymer dẫn điện không có hiệu ứng áp điện nghịch đảo và do đó không gây ra bất kỳ phát ra tiếng ồn hoặc rung động vi mô nào.

Độ ổn định so với tần số: Các công nghệ khác nhau thể hiện sự thay đổi khác nhau về cấu hình điện dung trên một dải tần số rộng.

Không giống như tụ điện tantali, tụ điện polymer thể hiện hiệu suất đáp ứng tần số rất giống với các tụ điện MLCC của chúng.

Độ bền bỉ: Các vết nứt trên các thành phần công nghệ gắn trên bề mặt gốm (SMT) hạn chế độ tin cậy và năng suất lắp ráp. Những vết nứt này biểu hiện dưới dạng các khuyết tật điện dưới dạng tiếp xúc gián đoạn, điện trở thay đổi, mất điện dung và dòng điện rò rỉ quá mức. Đây là lý do tại sao MLCC phải trải qua các bài kiểm tra độ tin cậy khác nhau bao gồm sốc nhiệt, uốn cong bo mạch (uốn cong) và kiểm tra độ ẩm phân cực, v.v., tùy thuộc vào các ứng dụng được nhắm mục tiêu.

Trong số các thử nghiệm độ tin cậy khác nhau, thử nghiệm uốn cong của bo mạch đánh giá khả năng chống nứt cơ học khi MLCC chịu ứng suất uốn trên PCB mà MLCC được hàn vào. Sự uốn cong như vậy của PCB có thể xảy ra thường xuyên trong (và giữa) các bước sản xuất và trong quá trình hoạt động dưới sự thay đổi nhiệt độ.

Gốm sứ mạnh về độ nén nhưng yếu về độ căng. Do đó, khi MLCC được hàn bị uốn cong quá mức, một vết nứt dễ dàng được tạo ra trong phần tử. Một vết nứt uốn cong có thể gây ra sự dẫn điện giữa các điện cực bên trong đối diện. Cũng có thể mở không thành công có thể tiến triển thành short-fail khi tiếp tục sử dụng sản phẩm theo thời gian. Nếu vết nứt trên phần tử tụ điện tiến triển thành hỏng đoản mạch, nó có thể gây ra các sự cố như sinh nhiệt, bốc khói hoặc đánh lửa. Điều này có nghĩa là bắt buộc phải thực hiện các biện pháp đối phó với các lỗi do uốn cong, đặc biệt là trong các thiết bị cần có độ tin cậy.

An toàn: Hầu hết các tụ điện gốm đều có định mức điện áp khá cao. Nếu tụ điện gặp điện áp giữa các cực của nó cao hơn điện áp định mức của nó, điện môi có thể bị hỏng và các electron sẽ chạy giữa các lớp kim loại mỏng bên trong tụ điện, tạo ra hiện tượng đoản mạch.

May mắn thay, hầu hết các tụ điện gốm đều được chế tạo với biên độ an toàn lớn và không gặp bất kỳ loại hỏng hóc thảm khốc nào (chẳng hạn như phát nổ). Tuy nhiên, "quy tắc ngón tay cái" được chấp nhận chung quy định rằng bạn nên giảm 50% tụ điện gốm. Điều này có nghĩa là nếu bạn đang mong đợi có tối đa 5V giữa các dây dẫn của tụ điện, thì bạn nên sử dụng tụ điện được đánh giá từ 10V trở lên.  

Để so sánh, không cần xem xét giảm lượng cho tụ điện polyme. Hơn nữa, các thiết bị này thường có thể chịu được điện áp tăng từ 15 đến 25%.

Kết luận

Phạm vi tụ điện polymer có thể được sử dụng làm giải pháp thay thế MLCC rất đa dạng và toàn diện. Có các loại cụ thể cho các yêu cầu cụ thể. Tuy nhiên, điểm chung của tất cả chúng là chúng là một lựa chọn hiện đại về hiệu suất điện, độ tin cậy, độ bền và an toàn, đặc biệt là khi xem xét chi phí trọn đời tổng thể của chúng.

Nói một cách đơn giản hơn, tụ điện polymer không chỉ là một giải pháp thay thế tốt trong trường hợp thiếu hụt nguồn cung của các sản phẩm khác, mà thực sự là lựa chọn hàng đầu cho quá trình thiết kế của nhiều ứng dụng hiện đại.