フレキシブル端子付き800V積層セラミックコンデンサは、EV向けに安全で信頼性の高い充電を実現

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。そのため、AEC-Q200などの規格に対応したコンデンサが必要です。

幸いなことに、部品メーカーはその要件をよく理解しています。その1例がKnowles Syferの安全規格認定コンデンサです。Knowles Syferの面実装積層セラミックコンデンサ（MLCC）製品ラインは、AEC-Q200を含む複数の国際安全規格・認証に対応しています。また、スペースに制約のあるアプリケーションに不可欠な、薄型で基板占有面積の少ない部品も導入しています。また、コンデンサのFlexiCap端子により、振動や衝撃のある基板に実装した際の機械的なクラックの発生を抑制することができます。このため、EVアプリケーションに適したコンデンサです。このブログでは、MLCC技術の優位性を理解するために、MLCCについて詳しく見ていきましょう。

MLCCの構造

MLCCは、個々のコンデンサ素子を縦に多数積層し、端部端子で並列接続した構造の面実装型コンデンサです（図1）。

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

複数の電極の + と - 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静電容量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、ある部品の形状で達成可能な静電容量を決定します。Knowles Syfer MLCCは、2つのクラスのセラミック誘電体を提供しています。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。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安全規格認定MLCCをご用意しています。代表的なMLCCの部品について見てみましょう。

MLCCの例

Knowles Syfer 1808JA250101JKTSYXは、100pFのC0G/NP0コンデンサです。クラスY2（ラインからグランド間）アプリケーション向けに定格電圧250VAC、クラスX1（ラインからライン間）アプリケーション向けに305VACを提供します。このコンデンサの許容差は±5%です。寸法は4.95 x 2 x 1.5mmで、1808パッケージに収納されています。代表的なX7Rコンデンサは、Knowles Syfer 2220JA250103KXTB17です。このコンデンサは10000pF、±10%、250Vのデバイスで、寸法は5.7 x 5 x 2.5mmで、2220パッケージに収納されています。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。

MLCCは電子回路に広く使われていますが、懸念される点として、脆く、機械的な応力が加わるとクラックが発生する可能性があることが挙げられます。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端子を開発することで、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端子ベースを使用し、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端子ベースは、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。FlexiCap端子付き部品は、焼結端子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。これにより、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。

Knowles Syfer 1808JA250101JKTS2Xは、FlexiCap、100pF、250VAC（クラスX2）、1kV DC、C0G/NP0コンデンサで、静電容量許容差は±5%です。物理的な寸法は、前述した100pFのMLCCと同じです。FlexiCapはコンデンサのサイズに影響を与えません。Knowles Syfer 2220YA250102KXTB16は、1000pF、±10%、250VのX7Rコンデンサで、FlexiCap端子も備えています。FlexiCap端子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、標準的な焼結端子付きMLCCと同じであり、特別な取り扱いは必要ありません。

MLCCがEVに適している理由

FlexiCapを搭載したMLCCは、電気的過渡現象、衝撃、振動、広い温度範囲にさらされる回路基板のEV環境に最適です。Knowles Syferのコンデンサの全製品は、AEC-Q200の自動車用認定を受けています。AEC-Q200規格に含まれる厳格な応力試験に合格した部品は、「AEC-Q200認定品」とみなされます。温度、熱衝撃、耐湿性、寸法許容差、耐溶剤性、機械的衝撃、振動、静電気放電、はんだ付け性、基板の曲げなど、さまざまな試験を実施しています。

まとめ

Knowles Syferの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安全マージンが不可欠な800Vバッテリシステムに適しています。そのため、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。