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  • 2021-9-9 10:47
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    村田制作所: 短暂停工对MLCC供货影响有限
    受新冠疫情影响,在8月的最后一周(8月25-31日),村田制作所位于日本福井县的MLCC主力制造工厂武生事务所停工。外界普遍推测,正值iPhone 13的发布前夕,村田MLCC主力厂的短暂停工,可能会影响到iPhone以及Sony Play Station在内的相关产品的生产计划。对此,村田日前做了回应…… 停产对MLCC供货影响有限 据外媒统计,村田在全球MLCC市场份额的占比超过40%,是全球龙头MLCC制造和供货商。武生事业所主要生产智能手机用MLCC,是村田位于日本国内的MLCC主要据点。 据村田方面表示,尽管武生事务所的停工,会在一定程度上降低MLCC的产量,该事件对村田业绩的影响仍在核算中。同时村田也承诺,会尽量把对客户的供货时间周期的影响降到最低。 村田也在其后说明了原因,尽管福井武生事务所是村田最大的MLCC制造工厂,但是全球MLCC的供货需求和产能规模,并不会因为福井武生事务所的短暂停厂而受影响。对全球MLCC的产能供应而言,岛根县出云村田、无锡村田以及菲律宾村田等全球制造工厂的产能同样也有非常重要的地位。另外,作为全球第一大的电子元器件制造商,村田的元件库存储备足以应对工厂中短期的产能消耗,短暂的停工事件对客户供货需求的影响非常有限。 停产是对员工安全最大的保护 停工的最后一天(8月31日),村田在官网针对本次停工原因做了说明。村田制作时代表董事社长中岛规巨解释说:“8月3日,村田福井武生事务所首次出现新冠肺炎疫情确诊案例,该名确诊者是村田合作公司的员工。为了保证所有员工的生命安全,村田于8月22日-31日期间,实施了以全体员工为对象的PCR检查。到8月29日,村田有5416名员工进行了PCR检查,发现确诊病例数124例。其中有98例是在8月3-24日期间被确诊,此后的确诊人数有所增加,累计人数达到124人。截至发稿日,村田福井武生事务所已经全面复工。中岛规巨表示,村田计划在复工后的一段时间内,仍会每天做1000人规模的PCR检查。 停产事件背后体现对MLCC市场的高度依赖 多层陶瓷电容器(MLCC)由陶瓷材料制成,"多层 "指的是多层导电和绝缘材料,使它们在狭小的空间(如手机内部)内具有超高的性能。目前,一部最新的智能手机需采用1000+个MLCC,而在电动车的领域,每辆汽车需要数万颗MLCC。村田福井武生事务所短暂停工所引发的关注,体现出业界对MLCC器件市场的高度依赖。
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    2021-7-8 11:19
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    接下来请讲解一下另一个关于安装的课题“啸叫”。啸叫是指听到来自PCB板的类似“叽”或“吱”声音的现象。例如,听说有的便携设备用的廉价充电器发出相当大的啸叫音。 是啊!可能有些设备或环境即使产生了啸叫也未注意到,或者是不在意的现象,但如果在就寝时的安静环境中,应该可以注意到您列举的便携设备充电器等的啸叫声。另外,音频设备等听到在播放声音之外的声音就是比较严重的问题了。 -首先,请讲解一下啸叫的机理。 高介电常数的陶瓷电容器具有给电介质施加电压时,电介质变形(失真)的特性。这是压电效应的相反现象,被称为“ 逆压电效应 ”。此外,有时也将具有这种特性表达为“ 压电性 ”或“ 逆压电性 ”。如果施加的是DC电压,则仅产生相应的失真,而如果是有振幅的电压,则使MLCC周期性地变形并引起PCB板振动。如果其频率是可听频段20Hz~20kHz,就可听到声音。 上图是更具体的示意图,表示施加电压与MLCC变形的关系。从开关电源考虑,输出电压是DC,包括开关频率引起的纹波电压。输出纹波诱发被用作输出电容器的MLCC的振动。 在PCB板中,由于在MLCC两端的电极为焊接,电极间的长度方向的变形(图中蓝色的双箭头)使PCB板表面(图中黄绿色的双箭头)变形,如此反复导致振动。该振动通过PCB板的传导被放大,成为人耳能听到的程度的音压是 啸叫 。当然,条件是振动的频率为可听频段。 -啸叫是种典型的现象,有怎样的对策呢? 啸叫不仅与电介质材料和电容器的形状有关,也与PCB板的尺寸和安装状态等有关,实际上需要进行电容器自身的对策和布局两方面的探讨。不管怎样,让啸叫完全消失是相当难的,可采用改善到容许范围内的方法。在此介绍4个对策。 ①通过材料进行改善 开发出使用了逆压电效应很低、即变形较小的电介质材料的MLCC。基本上如右图所示, 低介电常数材料的失真更低 。例如,有LD(Low Distortion)系列等可降低啸叫的产品群。 ②通过电路板设计进行改善 这是PCB板方面的改善。例如,对于同一电源线,如图所示, 两面安装 相同的MLCC。两个MLCC的振动相反相互抵消,振动被缓解。 ③通过结构进行改善:LW(长度-宽度)逆转结构 MLCC的 电极间的长度通常大于宽度 。通过缩短电极间的长度,可减轻导致PCB板振动的电极间的变形。如图所示,准备了宽度较电极间宽的类型的MLCC。图中称为“RGC”的是逆转结构型。 ④通过结构进行改善:金属框架型 在弯曲应力的对策中提过的 金属框架 型MLCC也有助于改善啸叫。从结构立刻可以想象到,金属框架吸收MLCC的振动。 -各种对策的效果是怎么样的呢? 这四个对策之中,可以预期金属框架有很好的效果。看试验数据就一目了然了。从以下数据可以看出,金属框架型与标准品相比,最大可改善约30dB的音压。 -关于啸叫的对策,有什么要注意的地方吗? 啸叫如前面所提到的,不仅与MLCC的材料和形状有关也与PCB板和安装有关,因此有些情况需要从不同的角度来多方研究。不仅是改善效果的大小,为了改善啸叫有可能要变更PCB板布局和元器件。现实中,这些有可能是限制事项,有时需要权衡。 例如,虽然金属框架型的改善效果很好,但对元器件的高度有限定时,可能无法使用。相反,如果因改善效果不错、可解决高度问题而采用LW逆转型,则需要变更布线模式和布局。下表总结了这些限制事项与对策的关系,仅供参考。 电容器制造商可以采取包括这些方法在内的综合啸叫对策,所以咨询制造商也是良策。 -另外,啸叫对于叠层陶瓷电容器自身的可靠性有不良影响吗?例如,如果响声不是问题,可以对响声置之不理地继续使用下去吗? 啸叫被认为对MLCC自身没有影响。MLCC自身的振动非常小,仅为微米~纳米级别。相比之下,利用压电效应的压电蜂鸣器和陶瓷振荡器等,是积极的利用了高达几十倍振动的产品,具有充分的可靠性。从这点看也可以理解MLCC的逆压电效应对可靠性并没有特别的影响。 来源:techclass.rohm
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    2021-7-8 11:16
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    前面谈了电源电路中的特性话题,此次谈一下安装相关的话题。由于叠层陶瓷电容器是表面贴装元件,和其他的表面贴装元器件相同,存在一些安装相关的课题。代表性的课题是弯曲裂纹与啸叫。 -那么,从弯曲裂纹开始提问。表面贴装中典型的课题是PCB板的应力导致的裂纹吧? 这不仅限于 叠层陶瓷电容器 ,众所周知,当PCB板产生挠曲时,对 表面贴装元器件 施加应力,造成焊接部的劣化和剥落、元器件中产生裂纹等器械性的劣化和损伤。当然,叠层陶瓷电容器也同样存在这种被称作“弯曲裂纹”的课题。 -作为元器件制造商是不是想说“请不要使PCB板弯曲”。 那是无法回避的重要注意事项,因此元器件方准备了提高了耐应力性能的产品类型。有两种类型,第一种是“树脂外部电极型”,第二种是“金属框架型”。 -也就是说元器件方有应对方法。 首先,简单了解一下 弯曲裂纹 的机理。如下图所示,安装在PCB板的表面贴装型叠层陶瓷电容器在PCB板挠曲时,受到应力。特别是对表示应力分布的图片的红色圆圈所圈定的部分、即下方的电极边界附近施加了最大应力,如黄色虚线所示,朝圆角上方产生裂纹。 作为第一个应对类型而列出的“ 树脂外部电极型 ”是如右图所示的在Ni的外部电极与焊料(Ni/Sn)镀层之间形成导电性树脂层来缓解机械性应力的结构。此外,不仅有助于改善来自PCB板的 弯曲应力 ,对热循环所导致的内部裂纹和焊料劣化也有改善效果。另外,还具有对于环境条件的耐湿性更高、提高安装焊接时的耐热冲击性、改善焊料卷边、平坦性等等优点。 -具体可以得到多大的改善? 请看弯曲裂纹与热循环的相关数据。首先,关于弯曲耐性,将对于 挠曲量 的残存率、即不发生裂纹的比率绘制为图表。标准品是从不到3mm左右的挠曲量时开始产生裂纹,4mm时约一半产生裂纹,而树脂外部电极产品即使6mm的挠曲量也没有产生裂纹。另外,右侧图片是试验后试料的横截面照片。发生故障的标准电极产品,如前面用图形说明的那样,在施加最大应力的部分发生裂纹。 其次,关于热循环试验的 焊料劣化 ,下图是测量 固定强度 变化的结果。如图所示,可以看到相比标准电极产品的劣化程度,树脂外部电极产品大幅度改善。焊料劣化是由PCB板与叠层陶瓷电容器的线膨胀系数不同所引起的,焊料产生裂纹,最终有可能从PCB板剥落。 -从感性上明白了导电性树脂可缓解应力,是效果相当不错的产品。另外,使用时有什么要注意的吗? 这是给出的结果仅是我们公司的MLCC的试验结果。耐性等因制造商而异,所以有必要向各制造商仔细确认产品特性。实际上,各电容器制造商所使用的导电性树脂材料各异,比如树脂的弹性和粘合强度等有差异。理所当然,材料的不同表现为相应的不同特性,所以不能一概而论说“树脂外部电极产品效果好”。 -接下来请介绍一下另一种类型“金属框架型”。 “ 金属框架型 ”在很早以前就有,所以知道人比较多。MLCC的电极上附有金属框架,如图所示,金属框架吸收来自PCB板的应力,使施加在电容器上的应力变得相当小。当然,效果比树脂外部电极更大。请看1206与0805的弯曲试验结果。 该测量数据由于在试验中当给了最大挠曲量10mm时没有发生故障,所以在粉色的测量极限线上粘贴了蓝线来表示。虽然是枯燥的数据,但可以理解其弯曲耐性高。此外,作为与其他电极产品的区别,图中给出了各种产品的保证值。标准品的挠曲量保证值是1mm,之前介绍过的树脂外部电极型是3mm,而金属框架型可以保证到5mm。 -标准型、树脂外部电极型、金属框架型的使用区分上该如何界定比较好? MLCC给出了挠曲量的保证值,但PCB板的挠曲量很难定量化。因为涉及PCB板的厚度、尺寸、元器件的安装位置、PCB板的安装方法等诸多因素,因此在试制阶段对弯曲裂纹和焊接劣化进行评估,如果用树脂外部电极型还未能解决问题,可考虑变更为金属框架型的方法。 来源:techclass.rohm
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    2021-7-8 11:06
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    除输出纹波之外,输出电容器还有要注意的地方吗? 输出电容器 除输出纹波外,还对输出负载电流的变动起到保持稳定的作用。例如,CPU从休眠状态进入运转状态时,急剧流过较大负载电流,发生输出电压一瞬间降低的现象。 -负载瞬态响应特性是电源的重要特性之一吧。 对于 负载变动 的 输出变动 ,在刚才例子中提到的“急剧增加”时的变动和与其相反的“急剧下降”时均会发生。在刚才的CPU例子中,就是从运转状态进入休眠状态等这类条件。在这种情况下,输出电压瞬间上升。下面开始讲一下“负载急剧增加时的输出电压下降水平虽然在容许范围内,但负载 急剧下降 时的输出电压上升大到出乎意料”的事例。 下面使用表示波形和状态的图来说明。上侧的波形图中表示同步整流降压转换器的输出电压(红色)和电感电流(深蓝色)以及负载电流(粉色)。 首先,首先,负载电流在纵向虚线①(蓝色)的稍前方开始减少,最终几乎为零。例如,请想象为就像CPU或某种设备因关机的关系,3A大的负载电流几乎变没。 其次,电感电流在纵向虚线①(蓝色)前方最近的开关周期的高边开关断开(低边接通)期间内负载电流开始减少,因此好像多少延迟了断开时间,在纵向虚线①(蓝色)的时间点,下一个周期(高边接通/低边断开)开始。因此,尽管不需要负载电流可是电感电流增大。然后,在纵向虚线②(绿色)的时间点变为断开,就这样持续断开状态,电感电流减少至零附近。请记住,电感电流在过程中保持着比负载电流大的状态。 接下来,基于负载电流与电感电流(开关)的变化来看输出电压的关系。负载电流开始减小时,希望输出尽可能不立即降至最低,高边开关仍处于断开,可是因电源IC控制的关系使高边开关的进行了接通动作,输出电压急剧上升(①蓝色与②绿色的纵向虚线期间)。此时的导通时间似乎稍短,因为负载电流正在不断减小,该时间点的功率供给在输出电容器流过大量的电流。 其后,高边开关变为断开,电感电流减小。电感电流超过负载电流,其差流过输出电容器,输出电压持续上升。下侧的波形图表示电容器电流。 输出电压从③红色纵向虚线附近开始下降,这是因为随着时间推移电感电流与负载电流的差,即电容器电流在减小。请在下侧的波形图中比较电感电流与负载电流的差和电容器电流的变动。可以看出,负载电流波形的倒置是电容器电流波形,与电感电流交点处的电容器电流是零,以后的倒置区间是负值,之后返回至零左右。 输出电压的变动是Vc+Vesr,它们全都涉及电容器电流。特别是Vesr,由于按ESR×电容器电流发生, ESR 较大时输出变动变大是必然的。 -还没有提及ESL,没有关系吗? 我认为在该例的条件下,不需要特别考虑,但当负载电流的减少更急剧时,会出现 ESL 的影响。 -该例中,使用的输出电容器是导电性高分子型,关于不同电容器的种类,特别是使用叠层陶瓷电容器时会出现什么样的不同? 这里有使用各种输出电容器时的数据。对包括3种有代表性的 导电性高分子 型、以及 叠层陶瓷-MLCC 在内的容值和尺寸不同的16种电容器进行了实验。从上侧的波形图看到,负载急剧下降时,有较大的输出电压的变动。其下侧的波形图是变动部分的放大,因电容器的不同种类与容值而有很大差异。 -话虽如此,说实话由于不便于看清,所以尝试了映射表示。 前面也说明过,该例的输出电压变动的主要原因是Vc和Vesr,与电容器的类型无关,容值大=必然是ESR小的电容器,其关键要点是像减小这种负载急剧下降时的输出电压变动。 -MLCC的优点是什么? 在纹波专题中也提到过,叠层陶瓷电容器-MLCC的ESR和ESL较低,从这些寄生成分的角度来看,即使容值相比导电性高分子型小也可以满足客户需求,当然,在小型化方面也颇具优势。容值为导电性高分子型的2/3左右即可。 -明白了。还有其他要注意的地方吗? 上面所举的例子,负载急剧下降时的电压上升较大的第一要因是,所使用的电源IC的控制、即负载急剧下降时的响应特性。反过来讲,通过使用负载减少时立即跟上型的电源IC,这里出现的现象在容许范围内也许不是问题。 在这里我通过这个事例想说的是,如果发生了类似的现象,可通过把输出电容器换为ESR较小的产品来解决。此外,包括纹波专题在内,输出电容器是在寄生成分ESR和ESL较小方面占优势,但是由于有些电源IC可能因输出电容器的ESR较小而产生问题,因此需要进行充分的探讨。 来源:techclass.rohm
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    2021-7-8 11:01
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    接下来请介绍一下作为输出电容器使用时的特性和性质的影响。 开关电源电路中,不言而喻输出电容器也和前面提到的输入电容器一样,也是必须有的部件。和输入电容器的思路相同,也需要考虑静电电容以及ESR和ESL这样的寄生成分的影响。但是,和输入相比,由于有施加电流波形和负载等不同点,因此所发生的电压变动和现象也不同。不管怎样,如何将输出所产生的电压变动抑制在最小是要解决的课题。具体而言,需要着眼于输出纹波电压与负载瞬态响应。 -那么,是否能首先进行输出纹波电压相关的说明?因为流过的电流与输入不同,如果能像介绍输入电容器时那样,从输出电容器流过的电流开始说明的话,更容易理解。 以降压转换器为例。首先请看电源电路与纹波的波形成分示意图。通过输出段晶体管开关产生三角波的电感电流,标为DC的电感平均电流通往输出,其三角波部分作为AC流过 输出电容器 。其下面的波形图表示三角波的电容器电流受电容器的寄生成分ESL和ESR、以及电容成分影响产生了怎样的电压。 三角波的电容器电流受 ESL 影响产生矩形波电压。有些 ESR 产生符合欧姆定律的三角波电压,有些电容容量具有时间常数。最终形成这3种成分的合成波。简而言之,急剧上升是ESL产生的,带有斜率的变动是ESR产生的,并分别根据电容容量而产生二次曲线变化。 下面的波形图是实际的 纹波电压 波形。从波形的形态可以看出哪个部分受什么影响较大。这是为了改善此类纹波所需要了解的技术知识,所以要记住。 上方的波形是电感电流,下方的波形是输出产生的纹波电压。急剧上升的部分是由ESL产生的Vesl。之后的增量部分是由ESR所产生的Vesr。其合计是纹波电压的峰值Vp-p。此时的输出电容器是 导电性高分子 型,容值是330µF。ESR是22mΩ,ESL是2nH,二者都是开关频率为500kHz时的值。另外,表格中是实际的电压变动值。如红色值所示,Vesl是Vesr的近2倍,占了整个纹波电压Vp-p的2/3。由于这些数值会随频率等条件而改变,所以请理解为仅仅是一个例子。 -ESL的影响更大吗?经常听说由于输出电压的纹波取决于ESR,所以要使用ESR较低的输出电容器。 这是正确的理解。在该例中,ESR也产生了Vesr。但是,在一些条件下,Vesl所占纹波电压的比例会变大。 -以上了解了ESR与ESL的影响,电容容量是如何影响的呢? 这是表示电容容量与纹波电压关系的数据。电容器是导电性高分子型,容值是330µF、220µF、150µF。从波形图和表格可以看出,几乎没有出现Vesl的变化。这表明Vesl几乎不取决于容量。 -也就是说,基本上要使用ESR和ESL较小的电容器吧。 的确如此。前面已经介绍过 叠层陶瓷电容器 的特征,低ESR、低ESL的MLCC-叠层陶瓷电容器对降低纹波电压非常有效。这是近年来叠层陶瓷电容器作为主要的输入输出电容器使用不断增长的原因。下面的波形图是导电性高分子电容器与叠层陶瓷电容器的纹波电压比较和阻抗特性上叠加了电感电流的频谱示意图。 纹波电压波形中可以看出,粉色系所示的叠层陶瓷电容器的Vesl明显很低,Vesr的梯度也较小。当然,如阻抗特性图与表格数值所示,ESR和ESL也较小。阻抗特性图中,细线表示ESR。 该例中由于开关频率是500kHz,可以知道电感电流的频谱里存在从500kHz的基本波到高次谐波。由于其范围是高于谐振点的频率,所以可以理解ESL的影响较大的原因。 另外,下面用映射图表示其与电容容量的关系。 从该映射图可以知道,MLCC-叠层陶瓷电容器非常有助于降低纹波电压Vp-p,容量与Vesl几乎不存在依存性。顺便说一句,导电性高分子型在代表性的3个品牌中,几乎没有由容量产生的Vesl差异,而不同品牌的ESL有差异。 -看了该比较后注意到,也就是说如果用叠层陶瓷电容器替换导电性高分子电容器,不需要相同容值是吗? 这是非常重要的要点。从纹波电压的角度看,由于叠层陶瓷电容器的ESR、ESL都很小,对于原来的导电性高分子型可以用更低的容量来替换。容量不仅影响尺寸,还会影响成本。在一些条件下,通过使用叠层陶瓷电容器,减小纹波的同时还可以实现小型化并降低成本。 来源:techclass.rohm
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