Trendy kondenzátorových technologií v moderní elektronice

Trh pasivních součástek

Pasivní součástky dnes reprezentují typicky méně než 20 % ceny součástek elektronických zařízení. Prohlédneme-li si ale současnou desku plošných spojů, můžeme konstatovat, že pasivní součástky zaujímají až 70 % celkové její plochy. V souvislosti s postupným přibližováním aktivní polovodičové technologie svým limitům a miniaturizací elektroniky se tak stále častěji stáčí pozornost právě na pasivní součástky. Při vývoji elektronických obvodů se zpravidla věnuje většina úsilí aktivním integrovaným obvodům a pasivní elektronické součástky jsou často považovány za tu „jednoduchou a nezajímavou“ část řešení. To platí bohužel i o dlouhodobém přístupu k investicím do těchto technologií. Od dob objevení tranzistoru se investovaly obří finanční prostředky zejména do nákladného základního výzkumu a vývoje polovodičových technologií, zatímco pasivní součástky byly víceméně ponechány aplikovanému vývoji v rukou samotných výrobců pasivních součástek, kteří si nemohli dovolit financovat náročný základní výzkum.

Podstata chování například kondenzátorů přitom není vůbec triviální záležitostí, jak se může na první pohled zdát. Vlastnosti moderních kondenzátorů jsou dnes podstatnou měrou určeny charakteristikami přechodových vrstev mezi vodivými elektrodami a vrstvou dielektrika. Tyto přechody jsou často tvořeny sub-oxidy kovů, z nichž mnohé mají polovodivé vlastnosti, a popsat chování těchto vrstev za různých podmínek pak vyžaduje hlubší pochopení základních fyzikálních mechanismů v komplexní struktuře kondenzátoru.

V souvislosti s růstem podílu levné spotřební elektroniky navíc vzrůstá od 90. let minulého století tlak na snižování nákladů a „levné“ pasivní součástky jsou jedny z prvních, u nichž dochází k přesunu výroby do levnějších částí světa. Evropští výrobci pasivních součástek se snaží udržet výzkum, vývoj a výrobu v Evropě zejména orientací na výrobky s vyšší přidanou hodnotou do speciálních odvětví, jako jsou automobilové, průmyslové, vesmírné nebo zdravotnické aplikace. Tyto aplikace na druhou stranu vyžadují součástky, které jsou schopné spolehlivě pracovat v náročných podmínkách vibrací, zvýšené teploty, vlhkosti apod., a přitom garantovat dlouhodobou stabilitu parametrů a nulovou toleranci k vadám s detailní analýzou každého vadného kusu. Výrobci součástek jsou v této souvislosti svými zákazníky tlačeni k dodání různých modelů svých produktů – od těch nejjednodušších simulací charakteristik po náročné fyzikální a životnostní modely. Tyto modely však již nelze věrně vytvořit bez poznání a popsání základních mechanismů v dané struktuře. Trh pasivních součástek se tak více a více polarizuje, kdy na jedné straně je potřeba zvyšovat objem výroby a omezovat náklady k udržení konkurenceschopnosti levných výrobků a na druhé straně se speciality stávají ještě většími specialitami se zvyšujícími se požadavky a investicemi.

Žijeme v době velmi rychlých změn, které s sebou nesou velké nároky na neustálé změny přístupů, inovace a otevřenost novým řešením, na druhé straně tyto změny přináší také řadu příležitostí. Velcí výrobci těží zejména z přístupu na celosvětový trh, finanční stability a možnosti rychlé inovace na základě zkušeností z různých druhů aplikací svých výrobků v globálním měřítku. Menší a střední firmy mají výhodu ve flexibilitě a často odborné znalosti svého výrobku až po nejvyšší vedení firmy, což přináší potenciál pro rychlé technologické inovace a vývoj nové specifické součástky dle nejnáročnějších požadavků zákazníka.

Nové kondenzátorové technologie

Příkladem svěžího větru v relativně stojatých vodách pasivních součástek mohou být dvě kondenzátorové technologie, které se v poslední době velmi rychle rozvíjejí: 1) technologie 3D křemíkových kondenzátorů a 2) superkondenzátory.

1) 3D křemíkové kondenzátory IPDiA

Křemíkové kondenzátory, které se vyrábějí polovodičovou technologií CMOS nebo MIS jsou na trhu již řadu let a využívají se zejména pro svoji stabilitu parametrů s teplotou a schopnost miniaturizace v tenkých vrstvách. Nevýhodou je poměrně malá dielektrická konstanta SiO₂ (~ 3,9) a nízké hodnoty dosahované kapacity v řádech desítek až stovek pF.

Před několika lety však francouzská firma IPDiA přišla se svou patentovanou technologií PICS s 3D strukturou, která podstatně zvyšuje povrch elektrod, a tím i výsledný poměr hustoty kapacity na plochu.

 

Obr. 1  Struktura křemíkového kondenzátoru IPDiA 3D PICS; zdroj: IPDiA

 

V roce 2016 se dosahované hodnoty hustoty kapacity na plochu v objemové výrobě pohybovaly mezi velmi solidními 250 až 400 nF/mm² v rozsahu jmenovitého napětí 3–30 V, čímž se tato technologie přiblížila současné technologii keramických kondenzátorů třídy I., tj. NP0/C0G.

Oproti této technologii má však 3D PICS řadu výhod:
– nižší zbytkový proud
– teplotní stabilita –250 až 300 °C
– tenké struktury až do 30 µm
– nižší hmotnost

Kromě omezeného rozsahu jmenovitého napětí 3–30 V je v současné době limitací relativně vyšší cena, a tak první úspěšné aplikace a probíhající kvalifikace byly hlavně speciality v oblasti těžby ropy, kardiostimulátorů, ale i vesmírné elektroniky. Nicméně to, že o této technologii ještě asi hodně uslyšíme, demonstruje i fakt že v roce 2016 v laboratorních podmínkách tato technologie dosáhla na první vzorky s hustotou kapacity až 4 µF/mm² a s růstem výroby lze očekávat i potenciální zlevnění, zvláště pak z pohledu ceny za µF. Na podzim roku 2016 firmu IPDiA koupila japonská firma Murata, která je jedním z největších výrobců pasivních součástek, a dá se předpokládat další rychlý rozvoj této technologie.

2) Superkondenzátory

Další kondenzátorovou technologií, o které v poslední době slýcháme velmi často, jsou superkondenzátory. Jedná se o součástky na pomezí kondenzátorů a baterií, které nemají stabilní vrstvu dielektrika, ale kapacity je dosahováno hromaděním náboje na rozhraní elektrod. Díky tomu, že toto rozhraní je tvořeno pouze několika atomovými vrstvami, je dosahováno velké kapacity řádově mF až tisíce Faradů. Toto nábojové rozhraní vytváří článek, obdobně jako u baterií, s definovaným napětím – podle použité technologie od 1,2 do 3,8 V.

 

Obr. 2  Nábojové rozhraní superkondenzátoru v nabitém stavu (vlevo) a ve vybitém stavu (vpravo); zdroj: Wikipedie

 

Z hlediska technologie rozlišujeme tři základní typy superkondenzátorů: elektrostatické, elektrochemické a hybridní. U elektrostatických kondenzátorů (EDLC Electrostatic Double Layer Capacitors) je dominantním mechanismem vytvoření elektrostatického náboje v tzv. Helmholzově vrstvě, u elektrochemických převažuje tzv. pseudokapacita, tj. náboj vytvořený specifickými navázanými ionty. Hybridní superkondenzátory pak kombinují jednu elektrodu s převažujícím elektrostatickým mechanismem a druhou elektrodu s dominancí pseudokapacity. Superkondenzátory, obdobně jako baterie, jsou využitelné pouze pro stejnosměrné DC aplikace, mají omezený teplotní rozsah a nejsou schopny vydržet teplotní zátěž montáže na desku. Na rozdíl od baterií však nedochází k jejich podstatné degradaci při cyklu nabíjení-vybíjení a mají velmi dobrou životnost. Díky poměrně nízkému ekvivalentnímu odporu mají vyšší hustotu výkonu než konvenční baterie. Hustota energie je u nich naopak cca 10 až 30krát menší než u baterií, viz obr. 3. Porovnání klíčových vlastností základních druhů superkondenzátorů s hliníkovými kondenzátory a lithium-iontovými bateriemi je uveden v tabulce 1.

 

Obr. 3  Porovnání hustoty energie a výkonu mezi kondenzátory, superkondenzátory, bateriemi a palivovými články; zdroj dat: Wikipedie

 

Tabulka 1  Tabulka porovnání základních vlastností superkondenzátorů s elektrolytickými hliníkovými kondenzátory a lithium-iontovými bateriemi; zdroj dat: Wikipedie

 

Kromě již zmíněných nevýhod je při aplikacích superkondenzátorů nutné věnovat pozornost maximálnímu špičkovému proudu definovanému výrobcem a také počítat s jevem dielektrické absorpce, která může snížit hodnotu počáteční kapacity až o 30–50 %, tj. např. u 10 F je ihned k dispozici cca 7 F a 3 F se projeví postupně na DC napětí až s delší časovou konstantou. Při sériovém zapojení superkondenzátory rovněž vyžadují pro dosažení vyššího napětí velmi dobré vyvažovací obvody, každý 0,1 V nad jmenovité napětí snižuje jejich životnost na polovinu!

Pro řadu aplikací, jako jsou moderní EV/HEV automobily, nebo v případě obnovitelných zdrojů je výhodné kombinovat superkondenzátory a baterie, kde se superkondenzátory stávají bankou energie pro okamžité použití a baterie se starají o dlouhodobou dodávku energie.

Testováním, simulacemi a ohodnocením superkondenzátorů pro Evropskou kosmickou agenturu se v České republice zabývá firma EGGO Space s. r. o. v Lanškrouně ve spolupráci s týmem prof. J. Šikuly z VUT v Brně a firmou CSRC v Kroměříži. Ze studie prof. Šikuly mimo jiné vyplývá i možný potenciál k dalšímu podstatnému zvyšování kapacity, což potvrzují i pravidelné zprávy o nových a nových technologiích superkondenzátorů, které posunují tuto technologii velmi rychle vpřed.

Trendy v aplikacích kondenzátorů

1) Spínané zdroje

Stabilizace výstupního napětí spínaných zdrojů je z obvodového hlediska v současnosti hlavní aplikací kondenzátorů. Výběr správného typu kondenzátoru je důležitou součástí návrhu konstrukce spínaného zdroje. Dle příručky National Semiconductor [1] můžeme až 99 % problémů spjatých s lineárními a spínanými regulátory přičíst nesprávné volbě výstupního kondenzátoru. Požadavky na výstupní kondenzátory jsou podobné: nižší a nižší sériový odpor ESR, vysoké proudové zatížení, nízká vlastní indukčnost ESL a stabilita kapacity při vyšších frekvencích.

Moderní spínané regulátory dosahují zejména změnou architektury lepší a lepší stability, což se promítá do snižování požadavků na hodnotu výstupní kapacity. Zejména v procesorových aplikacích se vyžaduje vysoký okamžitý výkon spojený s potřebou kondenzátorů s nízkým ESR a vysokými mezními proudy. V konečném důsledku tak můžeme sledovat postupný posun používaných typů výstupních kondenzátorů od elektrolytických přes tantalové směrem ke keramickým MLCC třídy II a v posledních době i MLCC třídy I, tj. kondenzátorů s relativně malými kapacitami, ale velmi nízkým ESR, ESL a stabilními parametry.

V roce 2016 se na trhu objevily integrované spínací regulátory s novou architekturou, která dokonce zcela eliminuje potřebu výstupního kondenzátoru. Možná se jedná o trochu nadnesené tvrzení tiskových zpráv, v detailní specifikaci se pak kupříkladu dočtete, že nějaký „malý“ kondenzátor na výstupu se stále doporučuje, nicméně se jedná o potvrzení zmíněného trendu v postupném posunu použití kondenzátorových technologií na pozici výstupního kondenzátoru. A jak již bylo řečeno, protože tato aplikace je nejčastější obvodové využití kondenzátoru, může tento trend v následujících letech ovlivnit i podíl zastoupení jednotlivých typů kondenzátorů na trhu.

2) Polovodičová revoluce GaN

Galiová technologie GaN a GaAs kráčí po boku svého staršího křemíkového bratra již více než desítku let, nicméně dosud byla výsadou spíše okrajových aplikací v oblasti mikrovlnné elektroniky. V posledních dvou letech však zvláště technologie na bázi GaN učinila mohutný krok kupředu, který můžeme nazvat takřka revoluční. V roce 2016 několik výrobců představilo GaN čipy pro spínané zdroje s hlavními přednostmi:
– vysoká účinnost ~ 96 %
– spínací frekvence až do 40 MHz
– vysoký výkon v malých a tenkých rozměrech
– od nízkých napětí po 650–1 200 V

Příklady specifikace:
– chip o rozměrech 5 × 6 × 0,9 mm schopný dodávat nepřetržitě 70 A na výstupu 5,5 V s účinností vyšší než 95 %
– chip tenký 0,5 mm schopný nepřetržitě dodávat jmenovitý proud 60 A s účinností blízkou 99 %

 

Obr. 4  Ilustrativní obrázek GaN čipu; zdroj:gansystems.com

 

Vývoj a pronikání GaN technologie do běžných aplikací má přirozeně vliv na potřebu pasivních součástek jak co do objemů, tak i podílu jednotlivých technologií. Příkladem je redesign konvertoru 48 V na 1 V POL z křemíkové na GaN technologii uveřejněný firmou Texas Instruments na stránkách EDN magazínu, odkazovaný i na stránkách EPCI [2], realizovaný na 1 plochy s úsporou až 100 součástek (240 vs 140) oproti původní křemíkové technologii. Další příklad zvýšení účinnosti a výkonové hustoty 48–12 V konvertoru s GaN technologií lze nalézt např. v odkazu [3]. Posun směrem k vyšším spínacím frekvencím, který GaN technologie umožňuje, dále zrychlí trend nahrazování výstupních elektrolytických kondenzátorů kondenzátory s nižší kapacitou MLCC typ I, filmovými nebo křemíkovými kondenzátory, případně i postupnou úplnou eliminací výstupního kondenzátoru. Největším důležitým komponentem se pak stane místo výstupního kondenzátoru např. výstupní cívka, jak je možno vidět na příkladu TI v referenci [2], a to by znamenalo opravdovou revoluci na trhu pasivních součástek.

Závěr

Pasivní součástky dnes stále reprezentují převážnou většinu diskrétních součástek na desce DPS. V mnoha případech jsou kondenzátory kritickou součástkou zapojenou paralelně ve vstupních a výstupních obvodech a podstatnou měrou ovlivňují vlastnosti a spolehlivost celého systému.

Nové kondenzátorové i polovodičové technologie, které právě vstupují na trh, mohou v poměrně krátké době změnit přístup k dalšímu vývoji elektronických zařízení, např. konvertorů využívaných takřka ve všech aplikacích, a tím i k výběru pasivních součástek a jejich zastoupení na budoucím trhu. Je proto potřebné sledovat další vývoj a rychlost zavádění těchto technologií zejména do objemových aplikací.

Článek byl připraven exkluzivně pro časopis DPS. EPCI si klade za cíl podpořit výrobce pasivních součástek v ČR a v Evropě. Pokud vyrábíte nebo vyvíjíte pasivní součástky v ČR nebo na Slovensku a máte-li zájem o navázání kontaktu s ostatními kolegy z průmyslu, ozvěte se prosím na email EPCI níže, případně přes kontaktní formulář na stránkách www.passive-components.eu.

Reference:
[1] Simpson.C., Member of Technical Staff, Power Supply Design Group, National Semiconductor / Texas Instruments, www.ti.com
[2] http://passive-components.eu/high-performance-gan-based-48-v-to-1-v-conversion-for-pol-applications/
[3] http://passive-components.eu/improving-power-density-and-efficiency-in-48v-dc-dc-converters-utilizing-gan-transistors/

tom@passive-components.eu