Tụ gốm là thuật ngữ chung chỉ các loại tụ điện sử dụng vật liệu gốm làm chất điện môi. Có nhiều loại tụ gốm với kích thước đa dạng, trong đó, tụ gốm đa lớp (MLCC) là loại tụ điện được sử dụng phổ biến nhất trong các mạch điện hiện nay.
Ưu điểm của MLCC
- Dung sai dung lượng lớn: So với tụ đơn lớp, MLCC sử dụng công nghệ xếp chồng nhiều lớp, giúp mở rộng phạm vi điện dung.
- Kích thước siêu nhỏ: Các thiết bị như máy tính bảng và điện thoại thông minh ngày càng trở nên mỏng nhẹ hơn, đòi hỏi linh kiện điện tử có kích thước siêu nhỏ. MLCC đang phát triển theo xu hướng này.
- Đặc tính tần số cao tốt: Nhờ vào chất lượng vật liệu ngày càng cải tiến, MLCC có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều dải tần số khác nhau với điện trở và trở kháng thấp. Ngoài ra, MLCC không có cực tính, giúp việc lắp ráp trở nên đơn giản hơn.
- Điện áp định mức cao: Công nghệ thiêu kết ở nhiệt độ cao giúp cấu trúc gốm của MLCC trở nên chắc chắn hơn, cho phép hoạt động ở dải điện áp rộng, đáp ứng tiêu chuẩn của nhiều loại mạch khác nhau.
- Điện trở nối tiếp tương đương (ESR) thấp: ESR của MLCC chỉ vài milliohm, giúp giảm nhiệt lượng phát ra trong quá trình hoạt động. Điều này không chỉ tối ưu hiệu suất mà còn kéo dài tuổi thọ linh kiện.
Xu hướng phát triển của MLCC có độ tin cậy cao
Để đáp ứng nhu cầu thu nhỏ thiết bị điện tử, tăng dung lượng, cải thiện độ bền và giảm chi phí, MLCC cũng đang phát triển nhanh chóng. Theo số liệu từ Tổng cục Hải quan Trung Quốc, năm 2022, lượng MLCC nhập khẩu của Trung Quốc đạt 2,13 nghìn tỷ chiếc, chủ yếu thuộc phân khúc trung và cao cấp. Hiện nay, MLCC đang mở rộng sang các lĩnh vực yêu cầu độ tin cậy cao như viễn thông, điện tử ô tô, thiết bị y tế, hàng không vũ trụ và công nghiệp quân sự.
1. Kích thước nhỏ, dung lượng lớn
Xu hướng thu nhỏ linh kiện điện tử luôn là mục tiêu phát triển quan trọng. MLCC hiện nay có kích thước tối thiểu là 0201 cho các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao, trong khi các sản phẩm dân dụng có thể đạt 08004 hoặc nhỏ hơn.
Dung lượng tĩnh điện của tụ đơn trong lĩnh vực độ tin cậy cao đã đạt đến 100μF, trong khi các ứng dụng dân dụng có thể lên tới 150~200μF, thậm chí 1000μF đối với một số nhu cầu đặc biệt.
2. Độ tin cậy cao
Trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao, MLCC phải đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe hơn về tuổi thọ và độ bền. Ví dụ:
- Thời gian thử nghiệm ổn định trong môi trường ẩm thấp (điện áp thấp) tăng từ 240 giờ lên 1000 giờ.
- Yêu cầu tỷ lệ lỗi giảm từ 1 lỗi xuống 0 lỗi trong mẫu nhận diện.
- Mức độ đánh giá lỗi tăng từ M lên P và S.
- Thời gian thử nghiệm tuổi thọ ở nhiệt độ cao đạt 125℃.
3. Khả năng chịu nhiệt và điện áp cao
Với xu hướng thiết bị điện tử công suất cao và điện áp cao, MLCC chịu điện áp lớn, dòng điện lớn và công suất cao đang được phát triển. Ví dụ:
- Tụ gốm điện áp cao dùng trong ống sóng hành trình có thể chịu điện áp hơn 10KV.
- Tụ gốm chịu nhiệt độ cao được sử dụng trong hệ thống điều khiển động cơ và thiết bị hàng không vũ trụ có thể hoạt động ở nhiệt độ lên đến 220℃.
4. Hiệu suất cao trong tần số cao và hệ số Q lớn
Để đáp ứng nhu cầu của 5G về tốc độ truyền tải cao và dung lượng lớn, MLCC có hệ số Q cao sẽ được phát triển để sử dụng ở tần số cao hơn.
- Hệ số Q của MLCC trong mạch vô tuyến (RF) ảnh hưởng trực tiếp đến băng thông.
- MLCC có hệ số Q cao, ESR thấp, ESL thấp ngày càng quan trọng trong lĩnh vực truyền thông.
- Tụ chip vi sóng (cấu trúc đơn lớp và đa lớp) được sử dụng trong mạch dải sóng hoặc vi sóng (f≥300MHz), bộ khuếch đại công suất, bộ phát tín hiệu,… với đầu mạ vàng, cấu trúc bền vững và tần số cộng hưởng cao.
5. Thành phần hóa
Một xu hướng quan trọng là tích hợp nhiều MLCC thành một cụm để tạo thành tụ giá đỡ đa lõi (multi-core bracket capacitor). Loại tụ này được sử dụng rộng rãi trong:
- Lọc nguồn điện, bộ chuyển đổi DC/DC, mạch chuyển đổi năng lượng
- Mạch xả (dung lượng lớn), lọc nhiệt độ cao hoặc khử nhiễu
So với tụ tantalum rắn và tụ điện phân nhôm, tụ MLCC đa lõi có ESR thấp hơn. ESR siêu thấp giúp giảm tiêu hao năng lượng và tối ưu hiệu suất hoạt động. ESR của loại tụ này có thể nhỏ hơn 10mΩ.
Nhờ cấu trúc đa lõi, tụ này cũng có:
- Cảm kháng phân tán thấp hơn so với việc mắc song song nhiều MLCC
- Khả năng chịu dòng điện lớn hơn
- Giảm tác động của ứng suất nhiệt lên tụ gốm
- Chống chịu tốt hơn với ứng suất cơ học nhờ tận dụng độ dẻo dai của vật liệu kim loại
Tổng kết
MLCC đang trở thành linh kiện không thể thiếu trong các mạch điện tử hiện đại. Xu hướng phát triển chính của MLCC tập trung vào thu nhỏ kích thước, tăng dung lượng, cải thiện độ tin cậy, nâng cao khả năng chịu nhiệt – chịu điện áp, và tối ưu hiệu suất tần số cao. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ 5G, điện tử ô tô và hàng không vũ trụ, MLCC có độ tin cậy cao sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử toàn cầu.