Существует множество областей, в которых электронные блоки работают при экстремальных условиях внешней среды. Военная техника, космические и авиационные приборы, датчики и оборудование для добывающей и перерабатывающей промышленности – вот лишь часть таких приложений. Одним из наиболее распространенных негативных внешних воздействий является сверхвысокая внешняя температура. По этой причине главная задача при построении таких приборов заключается в поиске специализированной элементной базы. Это относится и к пассивным компонентам, в том числе и к конденсаторам. Новые сверхстабильные конденсаторы серии XTSC (EXtreme Temperature Silicon Capacitors) от компании IPDiA производятся с использованием уникальной технологии PICS (Passive Integrated Connecting Substrate) и разработаны специально для работы в самых экстремальных условиях при температурах до +250 °C.
Чтобы подчеркнуть актуальность проблемы, следует привести конкретный пример. Так, типовая рабочая температура автономного датчика давления нефтяной скважины составляет около 125 °С, а пиковое значение может превышать 150 °C. При этом датчик не просто должен «выжить», но и продолжать проводить измерения!
Если рассматривать стандартные температурные диапазоны, то ни один из них не способен обеспечить заданные требования: ни коммерческий (Commercial, 0…85 °C), ни промышленный (Industrial, −40…100 °C), ни автомобильный (Automotive, −40…125 °C), ни расширенный промышленный (Extended Industrial, −40… 125 °C), ни даже военный (Military, −55…125 °C). Для таких случаев приходится искать специализированные компоненты из разделов «High Temperature» или «High-Reliability». И здесь разработчиков может ждать неприятный сюрприз: когда дело доходит до конденсаторов, выбор оказывается, мягко говоря, не велик.
Дело в том, что для сверхстабильных COG/ NPO конденсаторов с малым TKC диапазон рабочих температур, как правило, не превышает 125 °С (Рис. 1). Более широкий диапазон имеют X8R, но и для них он в большинстве случаев ограничен 150 °С, а погрешность емкости достигает ±10%. В таких ситуациях на помощь разработчикам приходят новые конденсаторы XTSC от компании IPDiA. Ключевым преимуществом конденсаторов XTSC является использование уникальной кремниевой технологии PICS (Passive Integrated Connecting Substrate).
 |
| Рис. 1. Диапазон рабочих температур для сверхстабильных COG/ NPO конденсаторов с малым TKC. |
3D технология PICS использует интегральные технологии кремниевых полупроводников для создания пассивных элементов (резисторов, индуктивностей, конденсаторов). Например, базовая технология конденсаторов XTSC напоминает хорошо знакомую TRENCH-технологию формирования затворов полевых транзисторов (Рис. 2). Такая трехмерная структура позволяет достигать большой удельной емкости и весьма стабильных характеристик.
 |
| Рис. 2. Базовая ячейка конденсаторов XTSC. |
Температурная стабильность – не единственное достоинство XTSC. Они имеют целый ряд преимуществ:
- широчайший диапазон рабочих температур: –55…+250 °C;
- сверхвысокая температурная стабильность TKC всего ±1.5% в диапазоне –55…+250 °C;
- минимальное смещение при постоянном токе (эффект DC-bias) всего 0.1 %/В;
- минимальное значение паразитной индуктивности ESL от 100 нГн (для 0402);
- минимальное значение последовательного сопротивления ESR от 400 мОм (для 0402);
- практически полное отсутствие старения < 0.001 %/1000 часов.
Для фильтров и времязадающих цепочек важным параметром является изменение емкости при приложении напряжения тока (эффект DC-bias). Изменение напряжения приводит к падению емкости, а это приводит к искажению фазовых соотношений, а это часто абсолютно недопустимо. Для XTSC этот параметр составляет всего 0.1 %/В, что значительно меньше, чем у обычных конденсаторов с полярным диэлектриком, например, X7R или Y5V, (Рис. 3).
 |
| Рис. 3. Зависимость емкости от приложенного напряжения для различных типов SMD-конденсаторов. |
При создании фильтров не стоит забывать и о паразитной индуктивности. И в этом случае XTSC оказываются на высоте: собственная индуктивность для них не превышает 100 нГн (для корпуса 0402). В то же время для COG она на порядок больше (Рис. 4).
 |
| Рис. 4. Зависимость ESL от величины емкости для различных типов SMD-конденсаторов. |
Для драйверов силовых ключей с бутстрепным конденсатором, работающих в составе импульсных преобразователей напряжения, важно иметь малые токи утечки. Для XTSC токи утечки составляют всего 3 нА в диапазоне напряжений до 3.6 В (Рис. 5).
 |
| Рис. 5. Зависимость токов утечки от напряжения для XTSC. |
Возвращаясь к началу данной статьи, хочется отметить, что для наиболее ответственных приложений (например, космическое или авиационное оборудование) ключевым параметром будет обеспечение высочайшей надежности и долгого срока службы. Если стоит задача минимизировать уровень отказов, то XTSC станет наилучшим выбором. Для них FIT не превышает 0.017 элементов на миллиард часов, а коэффициент старения меньше, чем 0.001% на 1000 часов.
При заказе конденсаторов XTSC следует использовать фирменную систему обозначений (Рис 6).
 |
| Рис. 6. Наименование конденсаторов XTSC. |
Подводя краткий итог, можно сказать, что новая серия конденсаторов XTSC будет оптимальным решением при создании ответственных приложений и устройств, работающих в жестких условиях повышенных температур. Основными областями их применения без сомнения станут космическая, авиационная, военная, автомобильная, промышленная электроника, а также электронные устройства, работающие в добывающих и перерабатывающих отраслях.
Характеристики конденсаторов серии XTSC:
- Диапазон емкостей: 10 нФ … 3.3 мкФ
- Типоразмеры: 0201, 0402, 0603, 0805, 1206, 1812
- Точность: ±15%
- Диапазон рабочих температур: –55 … 250 °C
- TKC: <±1.5% (–55 … 250 °C )
- Напряжение пробоя: 11/30 В
- Смещение емкости при постоянном напряжении: 0.1 %/В
- Паразитная индуктивность: от 100 нГн
- Последовательное сопротивление: от 400 мОм
- Сопротивление изоляции: 50 ГОм мин при 3 В и 25 °C,
- 10 ГОм мин при 3 В и 250 °C
- Старение: 0.001 %/1000 часов
О компании
Компания IPDiA выделилась из состава компании NXP в 2009 году для продвижения полученных в течение десяти лет инновационных 3D-технологий создания пассивных компонентов. Деятельность IPDiA в настоящий момент включает два основных направления: производство сверхярких светодиодов и производство пассивных компонентов для медицинской, автомобильной, промышленной электроники и для электроники, работающей в экстремальных условиях окружающей среды. Штаб-квартира компании базируется в городе Кан (Франция).
Посмотреть подробные характеристики конденсаторов серии XTSC компании IPDiA
