ขอบเขตของตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ที่มีให้เลือกใช้นั้นมีความหลากหลายและครอบคลุมอย่างยิ่ง

ไม่ใช่เพียงตั้งแต่การนำ 5G มาใช้อย่างแพร่หลายเท่านั้นที่ทำให้ความต้องการตัวเก็บประจุแบบมัลติเลเยอร์เซรามิกชนิดชิป (MLCC) เพิ่มสูงขึ้น นอกจากการเร่งการเติบโตของตลาด MLCC อย่างมีนัยสำคัญแล้ว การใช้งานในด้านอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค การประมวลผลข้อมูล โทรคมนาคม และอีกหลายสาขา ยังส่งผลให้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเกิดภาวะขาดแคลนในอุตสาหกรรมโดยรวมอีกด้วย

ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้มีส่วนทำให้ OEM จำนวนมากขึ้นเริ่มมองหาวิธีการทดแทน MLCC ด้วยตัวเก็บประจุประเภทอื่น สถานการณ์ดังกล่าวยิ่งทวีความรุนแรงขึ้นจากการคาดการณ์ว่าความต้องการจะเพิ่มสูงขึ้นจาก 5G

ทางเลือกของ MLCC ที่เหมาะสมบางส่วนสามารถพบได้ภายในกลุ่มผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมที่ครอบคลุมของ Panasonic ในฐานะผู้ผลิตตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ที่มีความเชี่ยวชาญด้านการออกแบบมาอย่างยาวนาน ตัวเก็บประจุ SP-Cap และ OS-CON ของ Panasonic รวมถึงตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลิเมอร์ POS-CAP ตลอดจนเทคโนโลยีตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมแบบไฮบริดโพลิเมอร์ของผู้ผลิต ล้วนเป็นตัวเลือกที่ควรพิจารณาอย่างใกล้ชิด

สำหรับตัวเก็บประจุโพลิเมอร์นำไฟฟ้า ขอบเขตการใช้งานได้ขยายตัวอย่างเห็นได้ชัดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ (รวมถึงตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมแบบดั้งเดิม) โดดเด่นด้วยค่าความจุที่สูงและคุณลักษณะด้านไบแอสที่ยอดเยี่ยม ซึ่งเหนือกว่าตัวเก็บประจุแบบมัลติเลเยอร์เซรามิกชนิดชิปอย่างชัดเจน

MLCC เป็นตัวเก็บประจุแบบติดตั้งบนพื้นผิวและมีค่าคงที่ โดยมีชั้นโลหะและเซรามิกสลับกันทำหน้าที่เป็นไดอิเล็กทริก MLCC ถูกใช้งานในปริมาณมากกว่าตัวเก็บประจุประเภทอื่นใด ตั้งแต่สมาร์ตโฟนไปจนถึงยานยนต์ไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์สำหรับงานอุตสาหกรรมของ Panasonic ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นทางเลือกที่มีความสำคัญสูงสำหรับลูกค้าที่ต้องการลดต้นทุนและพื้นที่บนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อุปกรณ์ที่ใช้โพลิเมอร์เหล่านี้ให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์และเซรามิกแบบดั้งเดิมในด้านต่อไปนี้:

• คุณลักษณะทางไฟฟ้า
• ความเสถียร
• อายุการใช้งาน
• ความเชื่อถือได้
• ความปลอดภัย
• ต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน

ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์และไฮบริดประเภทต่าง ๆ มีข้อดีและประโยชน์เฉพาะตัวในแง่ของแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม ลักษณะการตอบสนองต่อความถี่ สภาวะการทำงาน และข้อกำหนดด้านการใช้งานอื่น ๆ

หากรวมอุปกรณ์ไฮบริดเข้าไปด้วย โดยพื้นฐานแล้วจะมีตัวเก็บประจุโพลิเมอร์หลักอยู่สี่ประเภท ซึ่งแต่ละประเภทประกอบด้วยวัสดุอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรดที่แตกต่างกัน และมีรูปแบบบรรจุภัณฑ์และเป้าหมายการใช้งานที่แตกต่างกัน โดยสรุปได้ดังนี้…

SP-Caps: เรือธงใหม่ของ ESR ที่ต่ำเป็นพิเศษ

ด้วยการใช้โพลิเมอร์นำไฟฟ้าเป็นอิเล็กโทรไลต์และอะลูมิเนียมเป็นแคโทด คุณลักษณะทางไฟฟ้าที่โดดเด่นของตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ชนิดนี้คือค่าความต้านทานอนุกรมสมมูล (ESR) ที่ต่ำมากเป็นพิเศษ (ต่ำสุดถึง 3mΩ) ซึ่งถือว่าต่ำที่สุดในอุตสาหกรรม

SP-Caps ครอบคลุมช่วงแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 2 ถึง 6.3V และให้ค่าความจุตั้งแต่ 2.2 ถึง 820μF บรรจุในเรซินขึ้นรูปเป็นอุปกรณ์ติดตั้งบนพื้นผิว (SMD) ขนาดกะทัดรัด และมีรูปทรงแบบบาง ด้วยคุณลักษณะทางไฟฟ้าและรูปแบบดังกล่าว จึงเหมาะกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาหลากหลายชนิด หรือการใช้งานอื่น ๆ ที่ต้องการตัวเก็บประจุแบบบางซึ่งไม่รบกวนฮีตซิงก์ที่อยู่ใกล้เคียง

OS-CONs: ค่าความจุสูงและอายุการใช้งานยาวนาน

เช่นเดียวกับ SP-Caps ตัวเก็บประจุ OS-CON ก็ใช้โพลิเมอร์นำไฟฟ้าและอะลูมิเนียมเป็นพื้นฐานเช่นกัน แต่มีโครงสร้างแบบฟอยล์พัน ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์แบบพันเหล่านี้ครอบคลุมช่วงแรงดันและค่าความจุที่กว้างกว่าตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ประเภทอื่น แรงดันไฟฟ้าครอบคลุมตั้งแต่ 2.5 ถึง 100V ในขณะที่ค่าความจุอยู่ระหว่าง 3.3 ถึง 2,700μF

นอกจากนี้ อายุการใช้งานที่ยาวนานยังเป็นหนึ่งในปัจจัยที่ทำให้ได้รับความนิยมสำหรับการใช้งานในเซิร์ฟเวอร์และสถานีฐาน ตัวอย่างเช่น ซีรีส์ SVPT ที่มีอายุการใช้งาน 20,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 105°C มอบโซลูชันที่โดดเด่นสำหรับการใช้งานดังกล่าว

POSCAPs: ตัวเก็บประจุที่เหมาะสำหรับอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัด

ตัวเก็บประจุประเภทนี้ใช้โพลิเมอร์นำไฟฟ้าเป็นอิเล็กโทรไลต์และมีแคโทดเป็นแทนทาลัม ครอบคลุมช่วงแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 2 ถึง 35V และค่าความจุตั้งแต่ 3.9 ถึง 1,500μF นอกจากนี้ยังโดดเด่นด้วยค่า ESR ที่ต่ำ โดยตัวเก็บประจุ POSCAP บางรุ่นมีค่า ESR ต่ำถึง 5mΩ

บรรจุในตัวเรซินขึ้นรูป ตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลิเมอร์เหล่านี้เป็นหนึ่งในตัวเลือกที่มีขนาดกะทัดรัดที่สุดในตลาด อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะมีขนาดเล็ก แต่ก็มีขนาดให้เลือกหลากหลายสำหรับตัวเก็บประจุประเภทนี้

ตัวเก็บประจุไฮบริด: จุดเด่นของทั้งสองโลก

ตัวเก็บประจุไฮบริดประกอบด้วยการผสมผสานระหว่างของเหลวและโพลิเมอร์นำไฟฟ้าเพื่อทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ และใช้อะลูมิเนียมเป็นแคโทด โพลิเมอร์ให้การนำไฟฟ้าสูงและมีค่า ESR ต่ำตามไปด้วย ในขณะที่ส่วนของของเหลวในอิเล็กโทรไลต์สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูงและให้ค่าความจุที่สูงขึ้นเนื่องจากมีพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพขนาดใหญ่

ตัวเก็บประจุไฮบริดเหล่านี้ให้ช่วงแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 25 ถึง 80V และค่าความจุตั้งแต่ 10 ถึง 560μF โดยมีค่า ESR อยู่ระหว่าง 11 ถึง 120mΩ ซึ่งสูงกว่าตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ประเภทอื่น แต่ก็ยังถือว่าต่ำมากเมื่อพิจารณาถึงการใช้งานด้านกำลังไฟที่สูงกว่า

ข้อดีของตัวเก็บประจุโพลิเมอร์

มาดูตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ให้ใกล้ชิดยิ่งขึ้น เพื่อดูว่าอะไรทำให้พวกมันมีประสิทธิภาพเหนือกว่า MLCC และเทคโนโลยีอื่น ๆ

ความหนาแน่นของความจุและความเสถียรเทียบกับไบแอส DC: MLCC แสดงการพึ่งพาค่าความจุอย่างมากต่อไบแอส DC เนื่องจากวัสดุไดอิเล็กทริกแบบเฟอร์โรอิเล็กทริกที่ใช้ใน MLCC

ในทางตรงกันข้าม ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ไม่มีปัญหาดังกล่าวและยังคงมีความเสถียรตลอดเวลา ข้อได้เปรียบเฉพาะนี้ช่วยให้สามารถลดจำนวนชิ้นส่วนได้อย่างมากเมื่อใช้ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์แทน MLCC ส่งผลให้ประหยัดพื้นที่บน PCB ลดขั้นตอนในกระบวนการผลิต และลดต้นทุน

ความเสถียรเทียบกับอุณหภูมิ: คุณลักษณะด้านอุณหภูมิของ MLCC โดยทั่วไปจะแสดงเส้นโค้งที่เปลี่ยนแปลงไปในลักษณะต่าง ๆ ภายในช่วงค่าความคลาดเคลื่อนของแต่ละผลิตภัณฑ์ ในทางกลับกัน สำหรับตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ ค่าความจุจะเพิ่มขึ้นในลักษณะเชิงเส้นตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ

คุณลักษณะด้านอุณหภูมิของ MLCC แตกต่างกันไปตามชนิดของไดอิเล็กทริก แต่ทั้งหมดล้วนประสบกับการเสื่อมสภาพตามอายุ โดยแสดงการพึ่งพาอุณหภูมิและต้องการอุณหภูมิการทำงานที่ต่ำกว่า

ตัวเก็บประจุเซรามิกมีความเปราะและไวต่อการกระแทกทางความร้อน ดังนั้นจึงต้องมีการป้องกันเพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวระหว่างการติดตั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ MLCC ขนาดใหญ่ที่มีค่าความจุสูง โดยทั่วไป ตัวเก็บประจุเซรามิกรองรับช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ –40°C ถึง 85°C ขณะที่ค่าความจุอาจเปลี่ยนแปลงประมาณ +5% ถึง –40% และจะอยู่ในช่วงที่เหมาะสมที่สุดที่อุณหภูมิต่ำประมาณ 5 ถึง 25°C

นอกจากนี้ ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ยังมีศักยภาพในการพัฒนาเพื่อให้ได้ค่าพิกัดที่สูงขึ้นในด้านความหนาแน่น ความเค้นสนามไฟฟ้า และอุณหภูมิ (ซึ่งปัจจุบันจำกัดอยู่ที่ 125°C) อันเนื่องมาจากกลไกการทำงานและความก้าวหน้าของวัสดุไดอิเล็กทริก โพลิเมอร์ที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูงช่วยให้ได้ความหนาแน่นพลังงานสูง

ผลกระทบเพียโซอิเล็กทริก: MLCC จะเกิดการเปลี่ยนรูป (หดหรือขยาย) เมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้า คุณลักษณะนี้ของ MLCC เรียกว่า “ผลเพียโซอิเล็กทริกผกผัน” (ซึ่งเป็นผลตรงข้ามของผลเพียโซอิเล็กทริก)

แรงดันไฟฟ้า DC ที่ได้จากอะแดปเตอร์ AC หรือแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่งอาจก่อให้เกิดแรงดันริปเปิลในบางกรณี สำหรับตัวเก็บประจุ MLCC หากความถี่ของแรงดันริปเปิลอยู่ในช่วงความถี่ที่มนุษย์ได้ยิน ผลเพียโซอิเล็กทริกผกผันอาจทำให้เกิดเสียงแหลมรบกวนได้

ในทางตรงกันข้าม ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์นำไฟฟ้าไม่มีผลเพียโซอิเล็กทริกผกผัน และจึงไม่ก่อให้เกิดเสียงหรือการสั่นสะเทือนขนาดเล็กใด ๆ

ความเสถียรเทียบกับความถี่: เทคโนโลยีที่แตกต่างกันจะแสดงการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุที่แตกต่างกันตลอดช่วงความถี่กว้าง

ต่างจากตัวเก็บประจุแทนทาลัม ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์แสดงสมรรถนะการตอบสนองต่อความถี่ที่ใกล้เคียงกับ MLCC อย่างมาก

ความทนทาน: รอยร้าวในอุปกรณ์เซรามิกแบบติดตั้งบนพื้นผิว (SMT) จำกัดความเชื่อถือได้และผลผลิตในการประกอบ รอยร้าวเหล่านี้แสดงออกมาเป็นข้อบกพร่องทางไฟฟ้าในรูปของการสัมผัสไม่ต่อเนื่อง ความต้านทานแปรผัน การสูญเสียค่าความจุ และกระแสรั่วไหลที่มากเกินไป ด้วยเหตุนี้ MLCC จึงต้องผ่านการทดสอบความเชื่อถือได้หลายรูปแบบ เช่น การกระแทกทางความร้อน การทดสอบการโก่งงอของแผงวงจร และการทดสอบความชื้นภายใต้แรงดันไฟฟ้า เป็นต้น ขึ้นอยู่กับการใช้งานเป้าหมาย

ในบรรดาการทดสอบความเชื่อถือได้ต่าง ๆ การทดสอบการโก่งงอของแผงวงจรจะประเมินความต้านทานเชิงกลต่อการแตกร้าวเมื่อ MLCC ถูกกระทำด้วยแรงดัดบน PCB ที่บัดกรีอยู่ การโก่งงอของ PCB ลักษณะนี้สามารถเกิดขึ้นได้บ่อยครั้งระหว่าง (และระหว่างขั้นตอน) การผลิต รวมถึงระหว่างการทำงานภายใต้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

เซรามิกมีความแข็งแรงต่อแรงอัด แต่เปราะต่อแรงดึง ดังนั้นเมื่อ MLCC ที่บัดกรีแล้วประสบกับการโก่งงอของแผงวงจรมากเกินไป รอยร้าวจะเกิดขึ้นได้ง่าย รอยร้าวจากการโก่งงออาจทำให้เกิดการนำไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดภายในที่อยู่ตรงข้ามกัน นอกจากนี้ ยังมีความเป็นไปได้ที่ความล้มเหลวแบบวงจรเปิดจะพัฒนาไปเป็นความล้มเหลวแบบลัดวงจรเมื่อมีการใช้งานผลิตภัณฑ์ต่อเนื่องเป็นเวลานาน หากรอยร้าวบนองค์ประกอบของตัวเก็บประจุพัฒนาไปสู่ความล้มเหลวแบบลัดวงจร อาจก่อให้เกิดปัญหา เช่น การเกิดความร้อน ควัน หรือการลุกไหม้ ซึ่งหมายความว่าจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมีมาตรการป้องกันความบกพร่องที่เกิดจากการโก่งงอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์ที่ต้องการความเชื่อถือได้สูง

ความปลอดภัย: ตัวเก็บประจุเซรามิกส่วนใหญ่มักมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าค่อนข้างสูง หากตัวเก็บประจุได้รับแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วที่สูงกว่าค่าพิกัด ไดอิเล็กทริกอาจเกิดการพังทลายและอิเล็กตรอนจะไหลผ่านระหว่างชั้นโลหะบาง ๆ ภายในตัวเก็บประจุ ทำให้เกิดการลัดวงจร

โชคดีที่ตัวเก็บประจุเซรามิกส่วนใหญ่ถูกออกแบบให้มีระยะความปลอดภัยค่อนข้างมาก และไม่เกิดความล้มเหลวรุนแรง (เช่น การระเบิด) อย่างไรก็ตาม กฎโดยทั่วไปที่ยอมรับกันคือควรลดพิกัดการใช้งานของตัวเก็บประจุเซรามิกลง 50% ซึ่งหมายความว่าหากคาดว่าจะมีแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 5V ระหว่างขั้วของตัวเก็บประจุ ก็ควรใช้ตัวเก็บประจุที่มีพิกัดอย่างน้อย 10V หรือมากกว่า

ในทางกลับกัน ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ไม่จำเป็นต้องพิจารณาการลดพิกัดดังกล่าว นอกจากนี้ อุปกรณ์เหล่านี้มักสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้ากระชากได้ประมาณ 15 ถึง 25%

บทสรุป

ขอบเขตของตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ที่สามารถใช้เป็นทางเลือกแทน MLCC นั้นมีความหลากหลายและครอบคลุม มีประเภทเฉพาะสำหรับข้อกำหนดเฉพาะต่าง ๆ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ทุกประเภทมีร่วมกันคือ เป็นทางเลือกที่ทันสมัยในแง่ของสมรรถนะทางไฟฟ้า ความเชื่อถือได้ ความทนทาน และความปลอดภัย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาถึงต้นทุนตลอดอายุการใช้งานโดยรวม