フレキシブル終端付き積層セラミックコンデンサでEV充電の安全および安心を確保

自動車に搭載される電子部品の量が急速に増加している中で、業界では、センサ、エンジン制御ユニット（ECU）、ナビゲーション、車内接続、オーディオ、先進運転支援システム（ADAS）が重視される傾向にあります。電気自動車（EV）の普及に伴い、800V以上の電圧に耐え、厳しい環境要件にも対応できる高電圧、高信頼性の電子部品が重要視されています。これは、コンデンサのレベルまで重要視する必要があります。

自動車設計者がコンデンサを選定する際には、AEC-Q200のような耐ストレス性に関する規格に準拠するだけでなく、用途に応じて多くの物理的および電気的特性を考慮する必要があります。フィードバックループに使用されるコンデンサは、許容誤差が非常に小さく、温度係数が安定したものが求められます。高周波用途では、等価直列インダクタンス（ESL）を低くする必要があります。電力用途では、高いリップル電流が予想されるため、等価直列抵抗（ESR）の低い部品が必要です。EVの場合、サイズや重量を最小限に抑えることも重要です。

この要求項目に対処するためには、AEC-Q200を含む複数の国際安全規格および認証に適合している安全認証済みの面実装積層セラミックコンデンサ（MLCC）を使用します。

この記事では、MLCCコンデンサの構造とEV用MLCCに求められるものについて解説します。そして、MLCC固有のサイズと体積効率、FlexiCap終端や高耐電圧などの特徴が、物理的および電気的な要件を満たすためにどのように役立っているかを示しています。Knowles Syfer の実例を紹介しています。

MLCCの構造

MLCCは、個別のコンデンサ素子を縦に多数積層し、端部で並列接続した構造の面実装コンデンサです（図1）。そのため、多層という言葉が使われています（図1）。

図1：MLCCの構造を示す断面図です。複数のコンデンサ層が共通のパッケージに積層された状態を示しています。（画像提供：Knowles Syfer）

MLCCを構成するには、セラミック誘電体の層を、極性の異なる電極で交互にスクリーニングしながら積み上げていきます。これにより、非常に多くの層を構成することができます。これら複数の電極のプラス（+）とマイナス（-）を並列に接続することで、比較的小さなパッケージで大きな容量値の製品を製造することができます。

電極は金属製で、高い導電性を持っています。製造工程では、電極が化学的に反応しないこと、高融点であることが求められます。このため、Knowles Syfer MLCCコンデンサでは、電極に銀とパラジウムを組み合わせて使用しています。

誘電体は、絶縁体としても優れている必要があります。誘電体の比誘電率（e_r）は、決められた部品の形状で製作可能な静電容量を決定します。例えば、Knowles Syferの 強化型安全認証済み面実装MLCCには、2つのクラスのセラミック誘電体が用意されています。1つ目は、EIAクラス1の誘電体であるC0G/NP0です。この誘電体は、e_r が0である真空の誘電率に対して、20～100の比誘電率を有しています。2つ目は、EIAクラス2の誘電体であるX7Rで、e_r は2000～3000です。比較として、マイカのe_r は5.4、プラスチックフィルムは3です。そのため、ある容量値に対してセラミックコンデンサは小さくなります。誘電体の選択は、温度、印加電圧、時間に対するコンデンサの安定性に影響します。一般に、e_rが高いほど静電容量値は安定しません。

EIAでは、クラス2の誘電体を英数字で分類しています。最初の文字が最低温度、数字が最高温度、最後の文字が静電容量許容差を表しています。X7Rの誘電体は、最低温度-55°C、最高温度+125°C、静電容量許容差±15%となります。C0Gのようなクラス1の誘電体も同様のコーディングをしています。最初の文字は、温度による静電容量の変化をppm/°C（parts per million per degree Celsius）で表す有効数字です。C0G誘電体の場合、Cは温度安定性のゼロppm/°Cの有効数字を表します。2番目の数字は、温度安定性の乗数です。0は10^-1の乗数を表します。最後の文字Gは、静電容量誤差を±30ppmと定義しています。

クラス1の誘電体は、より高い精度と安定性を備えています。また、損失も少なくなっています。クラス2の誘電体は安定性に欠けますが、体積効率が高いため、単位体積当たりの静電容量が大きくなります。その結果、より高い値のMLCCコンデンサには、一般的にクラス2の誘電体が使用されます。Knowles Syferでは、誘電体と最大305VACまでの定格に応じて、4.7ピコファラッド（pF）から56ナノファラッド（nF）の幅広い静電容量範囲の強化型安全認証済みMLCCをご用意しています。

MLCCの静電容量は、電極の重なり面積とセラミック誘電体のe_r に正比例します。静電容量は誘電体の厚さに反比例し、定格電圧はそれに正比例します。そのため、静電容量、定格電圧、コンデンサの物理的な大きさの間にトレードオフが存在します。

EV用MLCC

MLCCはESLとESRが比較的低いため、高周波用途に適しており、誘電体の選択肢が豊富なため、容量値や許容範囲を用途に合わせて最適化することができます。これらの部品は面実装部品であり、非常に体積効率の高いパッケージであるため、EVのスペース制約に対応することができます。また、アルミ電解コンデンサやタンタルコンデンサに比べ、電圧の過渡現象に対して高い耐性を持っています。

MLCCは広く使われていますが、振動や衝撃による機械的ストレスを受けると、クラックが発生することがあります。クラックがあると、水分の混入による劣化の可能性があります。Knowles Syferの設計者は、部品のたわみに対する耐性を高めたFlexiCap終端を開発することで、この問題に対処しました（図2）。

図2：FlexiCap設計は、通常のエンドキャップバリアの下に独自の柔軟なエポキシポリマー終端ベースを使用し、基板のたわみによる損傷に対する高い耐性を提供します。（画像提供：Knowles Syfer）

FlexiCapで使用されているフレキシブル終端ベースは、電極の上に塗布されています。この材料は、銀を担持したエポキシポリマーで、従来の終端処理技術で塗布し、加熱硬化させるものです。基板と実装されたMLCCとの間の機械的な歪みを吸収する柔軟性を持っています。

結果として、FlexiCap終端付き部品は、焼結終端付き部品と比較して、より大きな機械的歪みに耐えることができます。また、FlexiCapは機械的なクラックや急激な温度変化が起こるアプリケーションに対しての保護も強化されています。EVの設計者にとって、製造される基板の取り扱いにおいて、より高度な屈曲耐性が得られ、歩留まりの向上や現場故障の減少につながるというメリットがあります。

また、電気自動車にとって重要なことですが、Knowles Syferの安全認証済みコンデンサは、AEC-Q200認定で利用可能です。温度、熱衝撃、耐湿性、寸法公差、耐溶剤性、機械的衝撃、振動、静電気放電、はんだ付け性、基板たわみなどの厳しい一連のストレステストに合格した部品が「AEC-Q200認定済み」とみなされます。

電気的には、直流4キロボルト（kV_DC）および3kV_RMSの高い誘電体耐電圧（DWV）を備えています。これらの特性は、広い試験範囲と安全マージンが必要とされるEV800V充電システムにとって重要なものです。

EV用MLCCの例

Knowles Syferの強化された安全認証ラインから、幅広い値のコンデンサがFlexicap終端とAEC-Q200認定の両方を備えており、特にEVアプリケーションに適しています。例えば、 1808JA250101JKTSYX は、100pFのC0G/NP0コンデンサで、クラスY2（ラインからグランド間）アプリケーションではAC250ボルト、クラスX1（ラインからライン間）アプリケーションではAC305ボルトの耐電圧、±5%の許容差があります。寸法は0.195 x 0.079インチ、4.95 x 2.00ミリメータ(mm)で、1808パッケージに収納されています。

図3：1808JA250101JKTSYX MLCCの物理的寸法（左）と推奨ハンダパッド配置（右）を示しています。（画像提供：Knowles Syfer）

代表的なX7Rコンデンサは、Knowles Syfer 1812Y2K00103KSTです。このコンデンサは10000pF ±10%、2kVのデバイスで、寸法は4.5 x 3.2 x 2.5mmで、1812パッケージに収納されています。1808JA250101JKTSYXおよび1812Y2K00103KSTの両コンデンサとも、定格温度範囲は-55°C～+125°Cです。この製品ラインは、使用する誘電体、静電容量値、定格電圧に応じて、ケースサイズ1808、1812、2211、2215、2220で入手可能です。

その他の例としては、許容差±5％の100pF、AC250ボルト（クラスX2）、DC1kV、C0G/NP0コンデンサKnowles Syfer 1808JA250101JKTS2Xなどがあります。2220YA250102KXTB16 は、1000pF±10% 250ボルトのX7Rコンデンサです。

FlexiCap終端付きコンデンサの実装とはんだ付けに必要な製造条件は、標準的な焼結終端付きMLCCと同じであり、特別な取り扱いは必要がないことに注意してください。さらに、図3を再度参照すると、IPC-7351『面実装設計およびランドパターン規格の一般的要件』に準拠したパッドレイアウトを使用して、Knowlesのチップコンデンサを実装することができます。それ以外にも、パッド幅をチップ幅以下にするなど、機械的ストレスを軽減するための工夫がされています。

まとめ

Knowles Syfer Flexicap AEC-Q200認定MLCCは、EVアプリケーション、特に試験電圧の上昇とサージおよび過渡状態に対応する安全マージンが不可欠な800ボルトのバッテリシステムに適しています。また、FlexiCap終端により、より大きな機械的ストレスに対応することができます。そのためAEC-Q200を満足するために、性能、安定性、安全認証のユニークな組み合わせを設計者に提供することができます。