解讀電容器跟ADAS那說不清道不明的復(fù)雜關(guān)系

汽車技術(shù)的進(jìn)步大幅增加了現(xiàn)代汽車中的電子內(nèi)容，而電子技術(shù)的發(fā)展又讓汽車越來越安全、智能、舒適、環(huán)保和節(jié)能。兩者的發(fā)展相輔相成，相得益彰，為人們的生活提供了極大的便利，但與此同時，電子元件的可靠性也成為了保證汽車安全的重要因素，特別是應(yīng)用于日漸普及的高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的產(chǎn)品將對汽車安全性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

目前，我國 ADAS 新車滲透率尚不足 4%，與發(fā)達(dá)國家相比相差很遠(yuǎn)。隨著相關(guān)政策的陸續(xù)出臺，國內(nèi) ADAS 市場將快速增長。根據(jù)預(yù)測，2020 年中國 ADAS 市場規(guī)模將達(dá) 963 億元，平均年復(fù)合增長率達(dá) 52%，遠(yuǎn)超國際市場。

惡劣環(huán)境挑戰(zhàn)電子元件

汽車是一個惡劣的環(huán)境，存在著極寬溫度范圍（瞬間加熱和冷卻）、機械振動、噪聲、氣體污染，以及瞬變電壓、大電流等的潛在風(fēng)險。而這些正是影響現(xiàn)代汽車功能穩(wěn)定性、可靠性和駕駛體驗的重要因素。

　　汽車高溫不僅是發(fā)動機艙

隨著近年來以自動駕駛為目的的汽車多功能化，如現(xiàn)階段研發(fā)重點 ADAS 的不斷發(fā)展，各類電子控制單元（ECU）的機電一體化不斷完善。汽車中搭載的電子設(shè)備越來越多，而電子元件的可靠性對汽車整體可靠性的影響也越來越大。特別是在溫度急劇變化及機械強度（應(yīng)力）很高的汽車應(yīng)用中，更需要有耐久性的電子元件來滿足更高的要求。此外，在實現(xiàn)高性能的同時還需要滿足解決空間緊張的小型化要求。

　　直面挑戰(zhàn)，電容器各顯神通

電動汽車的發(fā)展大幅增加了片式多層陶瓷電容器（MLCC）用量，傳統(tǒng)汽車的用量約為 2400 顆，而特斯拉等新能源車的用量在 8000 顆左右，其中每輛車的 ADAS 平均用量已達(dá) 2000-3000 顆。

為了滿足自動駕駛汽車零部件更高水平可靠性和魯棒性要求，電容器的先進(jìn)功能性、易用性、物理替代性等方面都在不斷改進(jìn)。傳統(tǒng) MLCC 采用了一些新技術(shù)，而鉭聚合物電容又欲取而代之；超級電容也在發(fā)力 ADAS 應(yīng)用市場。

·MLCC 技術(shù)推陳出新

在提高駕駛安全性方面，ADAS 變得越來越重要，支持這類功能的 IC 越來越多，為了抑制噪聲需要使用更多平滑去耦 MLCC。從節(jié)省空間的設(shè)計角度看，對小型化、高電容 MLCC 的需求將不斷增加。

與汽車安全裝置 ADAS/AD ECU 相關(guān)的 MLCC

MLCC 具有體積小、比容大、壽命長、可靠性高、適合表面安裝等特點，但在環(huán)境惡劣的汽車中，它難免出現(xiàn)一些故障。為了滿足車載級要求，TDK 開發(fā)的高可靠性產(chǎn)品樹脂電極型（Soft Termination，也叫柔性端電極）MLCC 應(yīng)運而生。它可以解決彎曲裂紋及焊錫裂紋的問題，保證應(yīng)用的可靠性。

通常，元件發(fā)生彎曲裂紋的主要原因是基板的彎曲應(yīng)力，包括焊錫量導(dǎo)致的焊錫應(yīng)力、基板分割時的應(yīng)力及制造時的應(yīng)力等。元件體裂紋時可能會發(fā)生“短路模式”或“開路模式”故障。

發(fā)生彎曲的主要原因和過程

在車載應(yīng)用中，基板彎曲應(yīng)力及熱沖擊會導(dǎo)致電容焊錫接合部發(fā)生膨脹或收縮，普通 MLCC 端子電極的 Cu（銅）底材層均鍍了 Ni（鎳）及 Sn（錫）。而樹脂電極產(chǎn)品是一種在鍍 Cu 及鍍 Ni 層中加入導(dǎo)電性樹脂層的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有一定柔性，可以吸收其產(chǎn)生的應(yīng)力，與普通電極產(chǎn)品相比可改善連接的可靠性。

普通電極 MLCC 與樹脂電極產(chǎn)品端子的不同

樹脂層可以吸收熱沖擊導(dǎo)致焊錫接合部膨脹收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力以及基板彎曲應(yīng)力等，防止元件體產(chǎn)生裂紋。

據(jù)介紹，與普通電極產(chǎn)品相比，TDK 的 MLCC 樹脂電極產(chǎn)品在耐基板彎曲性（極限彎曲）試驗中具有 2 倍以上的彎曲耐性。測試表明，普通電極產(chǎn)品的陶瓷元件體內(nèi)發(fā)生裂紋時，雖然導(dǎo)電性樹脂電極產(chǎn)品鍍鎳層開始與導(dǎo)電性樹脂層剝離，但并未產(chǎn)生裂紋，因此確認(rèn)樹脂電極產(chǎn)品可以抑制裂紋。

電子元件的焊錫裂紋源于制造中焊接工序及嚴(yán)酷的使用條件等。主要原因是，在汽車反復(fù)溫度變化的環(huán)境中，元件電極部與基板的熱膨脹系數(shù)之差導(dǎo)致了熱應(yīng)力施加于焊錫接合部位。同時，出于環(huán)?？紤]，汽車用電子元件中使用了無鉛焊錫，從溫度管理及焊錫組成來看，比以往的共晶焊錫發(fā)生焊錫裂紋的風(fēng)險更高。

發(fā)生焊錫裂紋的主要原因

一般情況下，經(jīng)過熱沖擊后會發(fā)生粘合強度降低，普通電極 MLCC 在 3000 次熱循環(huán)（-55 至 125℃）沖擊試驗后，粘合強度降低了約 90%，而樹脂電極產(chǎn)品僅降低了約 50%。樹脂電極產(chǎn)品優(yōu)異的耐熱沖擊性特點得到了熱沖擊試驗數(shù)據(jù)的確認(rèn)。

MLCC 熱沖擊試驗數(shù)據(jù)

TDK 認(rèn)為，在汽車發(fā)動機艙或有其他熱源設(shè)備等溫度變化較大的場合，所使用的電子元件會因元件體裂紋、與基板接合部應(yīng)力引起焊錫裂紋，可能導(dǎo)致元件脫落、短路、開路故障。使用樹脂電極產(chǎn)品可以在占用空間不變的前提下，防止因基板翹曲、彎曲及熱沖擊而產(chǎn)生裂紋，還可抑制外部應(yīng)力，從而改善 ADAS 系統(tǒng)的連接可靠性。

9 月份，TDK 已開始量產(chǎn)車載等級 CGA 系列樹脂電極 MLCC 新產(chǎn)品，實現(xiàn)了更大電容量，其中 2012 規(guī)格電容為 22μF，3216 規(guī)格電容為 47μF。

·鉭聚合物電容搶占地盤

汽車中電子元件越來越多，而能夠容納它們的空間卻越來越小。一些公司一直在探索縮小汽車級電容器、節(jié)省板卡空間的機會。

Kemet 高級技術(shù)營銷經(jīng)理 Wilmer Companioni 認(rèn)為，汽車應(yīng)用具有特殊性，MLCC 的穩(wěn)定性及容量精度與其采用的介質(zhì)材質(zhì)存在對應(yīng)關(guān)系。其失效的主要原因是 MLCC 外部或內(nèi)部存在開裂、孔洞、分層等各種微觀缺陷。這些缺陷會直接影響 MLCC 的電性能、可靠性，最終影響 ADAS 系統(tǒng)的功能。

那么，有沒有一種既可靠又小巧的產(chǎn)品可以替代市場上的 MLCC 呢？有，鉭聚合物電容（Ta Polymer）為汽車設(shè)計師提供了一種新的潛在解決方案，有助于實現(xiàn)板空間節(jié)省、無壓電噪聲和小型化的解決方案。

他介紹說，自 2015 年以來，Kemet 就推出了鉭聚合物 SMD 產(chǎn)品組合，開啟了汽車元件小型化和降低整體解決方案成本的機會，并挑戰(zhàn)了 MLCC 供應(yīng)鏈。

2018 年開始，MLCC 供應(yīng)鏈顯示出一些松動，一些客戶在尋找 MLCC 的替代解決方案。為了驗證可行技術(shù)，Kemet 進(jìn)行了大量研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工程師在 75V 以下和 1uF 到 1mF 之間電容范圍時，可以使用鉭聚合物電容器。

不同電容器技術(shù)的電容和電壓

不過，從 MLCC 轉(zhuǎn)換為鉭聚合物 SMD 元件的過程并不是“一對一”的，需要遵循幾個注意事項。其中機械和尺寸特性是首先要驗證的參數(shù)。

MLCC 轉(zhuǎn)為鉭聚合物 SMD 要考慮的參數(shù)

MLCC 和鉭聚合物電容之間能不能直接替代，必須進(jìn)行尺寸比較：MLCC EIA 代碼 0805 和 1206 可以使用 P-2012 和 A-3216 尺寸直接替代。盡管替代不是直接的，更大的 MLCC EIA 代碼 1210 和 2220 也可以用 B3528 和 D7343 來替代。

MLCC 與鉭聚合物尺寸比較

為了確定什么樣的解決方案合適，就需要比較電氣特性。MLCC 技術(shù)具有電容降偏效應(yīng)、溫容降效應(yīng)和最終壽命老化效應(yīng)的特點。另一方面，MLCC 技術(shù)泄漏電流極低，絕緣電阻范圍為 100 至 1000MΩ；鉭聚合物電容器的 DCL（漏電電流）指標(biāo)定義為 0.1×C×V μA（C：以μF 計的額定電容；V：以 V 計額定電壓）。

MLCC 和鉭聚合物技術(shù)的電容效應(yīng)

在過去幾年里，鉭聚合物汽車產(chǎn)品組合最小尺寸為 3528-21，現(xiàn)在，已有了超小型外殼尺寸 3216-12（又名 1206）和 2012-10（又名 0805）。Kemet 的 T597 系列采用 3216-12 超小外殼尺寸，已做到 125℃，完全符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)。

今年推出的 T597 系列

除 AEC-Q200 要求外，T597 系列也在撓性板（5mm，60 秒）中進(jìn)行了測試，顯示了所有電氣特性，符合規(guī)范且無裂紋。

T597 EIA 3216-12 的撓性板測試

新型鉭聚合物 SMD T597 新的外殼尺寸為滿足汽車市場 ADAS 小型化趨勢提供了解決空間問題的方法。例如，作為前后攝像頭 5V 輸出電源軌，為超小型化 ADAS 應(yīng)用節(jié)省了板上空間。

在這種類型應(yīng)用中，0805 和 1206 MLCC 與 10μF 和 22μF 很常見，最高工作溫度限制在 105℃。在汽車級解決方案中，可考慮使用最高電容量的鉭聚合物 SMD P2012-10（與 0805 相同）和 S3216-10（與 1206 相同）來替代。

Wilmer Companioni 指出，在用鉭聚合物電容替代 MLCC 時，解決方案的總成本是主要驅(qū)動因素，而不是每個元件的成本。

·超級電容助力汽車電氣化未來

自 2019 年 4 月起，我國強制要求 9 米以上大客車裝備 AEB（自動緊急制動）裝置。因為 AEB 是 ADAS 的基本功能，有人說國內(nèi) ADAS 系統(tǒng)迎來了政策紅利。

ADAS 要使用各種先進(jìn)的傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，這些都需要有可靠穩(wěn)定的分布式多電源網(wǎng)絡(luò)來提供能量，以實現(xiàn)一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)；同時，作為汽車電氣和電子系統(tǒng)的統(tǒng)一安全要求，ISO26262-18 新版的功能安全標(biāo)準(zhǔn)也將逐步執(zhí)行，其執(zhí)行器用電安全已成為供電系統(tǒng)的關(guān)鍵要素之一。

伴隨 ADAS 部署，對整車用電功率提出了更高的要求。單靠原本就重量不菲、續(xù)航里程吃緊的鋰電池已經(jīng)力不從心。怎么解決電力不足的問題呢？

作為儲能裝置，超級電容器具有高功率密度、快速充放電、工作溫度范圍寬、免維護(hù)、綠色環(huán)保、高可靠性和超長壽命的特點。它的理想應(yīng)用是需要高功率和恒定循環(huán)的場合，例如 KERS（動能回收系統(tǒng)），其制動能量可以儲存并重新為車載設(shè)備供電。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，電池和超級電容器已成為互補技術(shù)：電池提供長期能源，而超級電容器提供快速反應(yīng)和高功率。所以說，超級電容器加電池是汽車電氣化的未來。

電池的能量與超級電容的大電流快放電互補

NAWA Technologies 首席執(zhí)行官 Ulrik Grape 說，他的公司用 15 年開發(fā)了一種新型超級電容器，可以提供現(xiàn)有超級電容器功率和能量的三到五倍。這種超快速碳電池填補了現(xiàn)有超級電容器和鋰電池之間的鴻溝。其超級電容器型電池可以使電動汽車的續(xù)航里程提高一倍以上，一次充電就可以行駛 1000 公里，也可以在 5 分鐘內(nèi)充電到 80%的容量。

他也承認(rèn)，即使是最具創(chuàng)新性的超級電容器，在儲能方面仍無法與鋰離子電池競爭。他說：“當(dāng)然可以用超級電容器給一輛小型車供電，但續(xù)航里程很短，需要經(jīng)常充電。對于整個汽車行業(yè)，混合動力電池才可以釋放我們技術(shù)的全部潛力?！?/p>

談到開發(fā)混合動力電池的初衷，Ulrik Grape 說：“毫無疑問，汽車電池系統(tǒng)正在顯著改善，但如果結(jié)合兩種不同的技術(shù)，就能帶來最好的混合能源儲存和動力?！被旌想姵乇澈蟮睦碚撌卿囯x子電池和超級電容器的結(jié)合，它可以顯著降低電池組重量，提高整體效率和系統(tǒng)壽命。

NAWA 的超級電容器的金屬板采用 VACNT（垂直排列碳納米管）工藝制造，稱為超快速碳電池。這些排列成陣列管子就像刷子上的刷毛，大大增加了可容納電荷的表面積。

超快速碳電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Ulrik Grape 還表示：“通過超級電容器與鋰電池的結(jié)合，可以使鋰電池更小，降低能量和熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性，將總重量從 300 公斤減少到 210 公斤，而具有相同的總功率。重量減輕了 30%，但性能更高，行駛里程更長?！?/p>

其實，國內(nèi)在超級電容器應(yīng)用方面并不落后，作為首家將超級電容器應(yīng)用于乘用車的公司，烯晶碳能全系列 3V 超級電容單體完全滿足 AEC-Q200 車規(guī)級要求和 ISO16750-3 Table12 要求，已在紅旗 H5/H9、Volvo-XC40 等車型裝車十幾萬臺，有近十個項目定點，其中用戶包括歐洲多家知名車企品牌。

烯晶碳能相關(guān)人士認(rèn)為，汽車功能安全分析表明，在 L2.5 級及以上自動駕駛模式（Hands Off）狀態(tài)下，車輛電源出現(xiàn)故障會導(dǎo)致車輛駕駛安全負(fù)載和自動駕駛負(fù)載無法工作。為了提醒駕駛員立即接管駕駛并確保接管期間的駕駛安全，需要有備用電源對這些負(fù)載進(jìn)行供電，以確保駕駛安全。這時就是超級電容器的用武之地。

應(yīng)用超級電容拓?fù)?/strong>