Трещины в конденсаторах

Керамические конденсаторы MLCC являются наиболее популярным и широко используемым типом конденсаторов в современной электронике. Мы уже привыкли, что если речь идет о конденсаторе, то это скорее всего керамический. Лично я никогда не сталкивался с проблемами в их работе, но наткнулся на одно интересное видео, которое раскрывает некоторые особенности их использования.

Дело в том, что керамика достаточно хрупкая. Если она подвергается механическим напряжениям, то в конденсаторе могут появиться трещины. И это не обязательно следствие сильного удара или падения. Даже попытка вставить разъем в плату может привести к ее изгибу и, следовательно, к созданию механического напряжения на керамическом конденсаторе.

Чем опасны трещины в конденсаторе? Как известно, MLCC-конденсаторы состоят из множества параллельно соединенных электродов, формирующих емкость. Если эта конструкция трескается, в лучшем случае между пластинами появляется разрыв, а в худшем случае возникает КЗ. Последнее особенно нежелательно, особенно при работе над ответственными проектами.

Что можно с этим всем сделать? Ранжирую варианты по степени тупизны:

1) Не использовать керамические конденсаторы (без комментариев).

2) Повернуть конденсатор перпендикулярно линии механического напряжения.

Посмотрите на изгиб платы на Рисунке 1 и представьте, что конденсатор повернут на 90 градусов. Механическое напряжение уменьшится, а следовательно, вероятность трещины уменьшится.

3) Использовать маленькие конденсаторы.

4) Предотвратить изгиб платы с помощью дополнительных механических методов, например, добавив дополнительное отверстие для крепежа.

5) Использовать специальные конденсаторы, с повышенной стойкостью к механическим напряжениям.

Именно на последнем пункте начинается самое интересное.

TDK предлагает несколько вариантов таких решений.

1. MEGACAP
   Самое топовое решение в плане устойчивости к изгибу платы (выдерживает до 10 мм!!!). Все напряжения в точке пайки принимают на себя металлические держатели, которые не так хрупки как керамика. Помимо устойчивости к ударам, они также устойчивы к вибрациям.
   Из очевидных недостатков - высота и стоимость.
   

2. Soft termination

Я часто видел такие конденсаторы в фильтрах на DigiKey, но почему-то думал, что они связаны с функцией "soft start" в некоторых DC-DC преобразователях.

На самом деле, это специальная хитрая технология, которая включает проводящий слой смолы между контактной площадкой и обкладкой конденсатора. Эта смола смягчает как механическое напряжение, так и термическое расширение.

3. Serial design

Если в разработке ни в коем случае, ни при каких условиях недопустимо КЗ, то можно использовать два последовательно включенных конденсатора. Хотя их суммарная емкость будет меньше, но в случае выхода из строя одного из них, другой конденсатор будет поддерживать работоспособность схемы. Именно эта идея лежит в основе конструкции Serial design.

4. Open mode

Этот тип конденсаторов тоже для разработок, где нельзя допустить КЗ. Идея в том, что трещины в основном образуются в местах пайки конденсатора к печатной плате. Соответственно, все замыкания электродов тоже проходят в этой области. Но если уменьшить длину электродов так, чтоб в области контактных площадок их не было, то никакие трещины не страшны. Замыкаться будет некому.

Очевидный недостаток - чем меньше площадь пересечения обкладок, тем меньше емкость. Поэтому этот тип конденсатора хорош только в случае, когда требуется небольшая емкость

Для подведения итогов и облегчения выбора, TDK предоставляет таблицу, где сравнивает надежность, стоимость, емкость и даёт советы по использованию своих конденсаторов. Что предлагают другие производители я не смотрел, но, кажется, что примерно то же самое. Если знаете еще какие-то технологии или способы, то пишите в комментах.