L'état de l'approvisionnement en MLCC en 2021

Alors que 2021 se prolonge, une nouvelle pénurie ponctuelle de MLCC oblige certaines industries à être agiles et à s'adapter à la volatilité de la chaîne d'approvisionnement.

 

Plus de la moitié de l'année 2021 s'est écoulée, et la pénurie de puces automobiles fait toujours rage. Même si des entreprises comme Intel et TSMC investissent dans des capacités de fabrication supplémentaires, beaucoup dans l'industrie et dans le secteur financier s'attendent à ce que les pénuries se poursuivent tout au long de 2021. Le coût est également stupéfiant, avec des estimations dépassant désormais les 100 milliards de dollars en termes de revenus perdus pour l'industrie automobile seule.

 

Les pénuries de composants électroniques ne sont pas nouvelles en 2020 et 2021. En 2020, cela était dû au fait que tout le monde restait à la maison, soit à cause des mises en congé, des achats paniques, de la demande excessive pour l'électronique de travail à domicile et/ou des confinements forcés. En 2021, il semble que la demande refoulée des consommateurs, les CAPEX et les investissements dans la réouverture créent des pénuries dans tout, des bois de construction aux plastiques.

 

Une pénurie récurrente qui trouve ses racines en 2017 est la pénurie de condensateurs céramiques multicouches (MLCC). La pénurie de ces composants a commencé à atteindre des niveaux préoccupants en 2018, suivie d'une accalmie en 2019. En 2020, les problèmes évidents de capacité de fabrication mondiale en raison de la COVID-19 ont ravivé les craintes d'une pénurie de MLCC. À mi-2021, la crainte d'une pénurie de MLCC persiste en raison des problèmes de chaîne d'approvisionnement pour les systèmes industriels, médicaux et militaires, surtout maintenant que plus d'un fabricant a tiré la sonnette d'alarme. Il y a maintenant une question de savoir si une pénurie généralisée s'étendra au-delà de ces industries particulières et affectera le marché électronique plus large. Si vous planifiez une conception qui nécessitera des MLCC, vous voudrez peut-être envisager des alternatives dans l'éventualité où vos composants requis sont en rupture de stock avec de longs délais.

Qui pourrait être affecté par une pénurie de MLCC en 2021 ?

La vague actuelle de la pénurie de MLCC affecte plusieurs industries au-delà de l'automobile. Certes, les automobiles ont besoin de condensateurs en plus d'une énorme gamme d'autres électroniques, mais les industries faisant les gros titres les plus récents sont l'électronique de défense, les dispositifs médicaux et l'automatisation industrielle.

 

Alors, s'agit-il d'une pénurie due à l'offre ou à la demande ? Intéressant, le problème d'inventaire dans ces industries est un peu des deux. Certains des produits qui stimulent la consommation des stocks de MLCC incluent :

 

• Les radars de faible puissance, les radios et les produits de réseautage sans fil fonctionnant à des fréquences GHz

• L'équipement compatible 5G, tel que les téléphones portables, les produits IoT, l'équipement de station de base et d'autres équipements de télécommunications

• L'électronique grand public (ordinateurs portables, smartphones, etc.), qui nécessite aujourd'hui beaucoup plus de MLCC qu'il y a quelques années

 

Les MLCC dans ces produits sont utilisés en grande quantité et viennent en petits condensateurs (

 

En conséquence, les produits industriels, médicaux et militaires nécessitant des MLCC à haute tension et à haute Q subissent une pression due à la réduction des stocks de MLCC dans les tailles de boîtiers plus grandes. Les produits affectés incluent les alimentations/régulateurs, les bobines d'IRM, les amplificateurs, les lasers et de nombreux autres produits spécialisés nécessitant des boîtiers plus grands.

Qui tire la sonnette d'alarme ?

Les avertissements d'une éventuelle nouvelle vague de pénurie de MLCC ne sont pas nouveaux. En novembre 2020, le distributeur de composants passifs TTI a publié une lettre à ses clients, exposant leurs attentes concernant des délais de livraison plus longs que la normale pour les MLCC de grande taille (>0603 packages), avec des délais pouvant s'étendre jusqu'à 20 semaines ou plus. De plus, l'augmentation de la production d'électronique grand public en 2020 et la poursuite de l'augmentation des achats de smartphones au premier et deuxième trimestre 2021 mettent une pression supplémentaire sur la demande pour les petits emballages de MLCC dans toute la chaîne d'approvisionnement.

 

Un coup d'œil sur certaines données de la chaîne d'approvisionnement depuis le début de la pandémie jusqu'à fin juin éclaire davantage la situation. Le graphique ci-dessous montre les stocks totaux de condensateurs céramiques au cours des 18 derniers mois. À partir de novembre 2020, coïncidant avec le moment où TTI a publié leur lettre, nous voyons les stocks de MLCC commencer à diminuer régulièrement, avec une baisse d'environ 35% des stocks mondiaux au cours des 8 mois suivants (cumulés sur tous les distributeurs).

 

 

Inventaire total de condensateurs céramiques chez tous les distributeurs du 3 mars 2020 au 30 juin 2021.

 

En regardant le graphique ci-dessus, il est difficile de parler de pénurie. Une affirmation notable récente d'une pénurie de MLCC vient de Scott Horton chez Johanson Technology (premièrement rapporté dans Embedded Computing le 27 mai), un fabricant de MLCC desservant l'industrie automobile. C'est la première instance (à ma connaissance) où quelqu'un a utilisé le terme « pénurie » pour décrire la diminution régulière des stocks de condensateurs. Un coup d'œil sur les données d'inventaire des condensateurs céramiques de Johansen donne un indice sur la raison pour laquelle ils ont tiré la sonnette d'alarme. Leur inventaire a récemment vu une baisse d'environ 16% sur la même période et est resté bas en raison de la forte demande.

 

Inventaire total de condensateurs céramiques pour Johanson Technologies chez tous les distributeurs du 3 mars 2020 au 30 juin 2021.

 

Adaptation aux changements de l'offre

Pour répondre à l'augmentation de la demande de l'année dernière en électronique grand public (principalement les smartphones, les tablettes et d'autres produits), une grande partie de la capacité de fabrication pour les MLCC s'est déplacée des condensateurs à haute Q/haute tension vers des condensateurs dans des boîtiers physiquement plus petits et à des valeurs de Q inférieures. Ces composants physiquement plus petits ont tendance à avoir des notes de tension plus basses et des auto-résonances plus élevées ; les notes de tension faibles dans les tailles de boîtiers plus petits les rendent moins utiles dans les industries affectées. De plus, les contraintes d'espace serré dans les petits appareils électroniques limitent l'utilisation de tailles de boîtiers plus grandes car elles pourraient ne pas s'insérer dans les petits boîtiers utilisés pour les appareils électroniques grand public. Étant donné la demande à travers les différentes tailles de boîtiers et le déplacement de la capacité vers l'électronique grand public, je ne pense pas que nous devrions être surpris de ces développements. Contrairement à la situation de 2018, les données sur l'inventaire total à travers les distributeurs montrent qu'il est difficile de parler d'une pénurie complète de MLCC car, comme mentionné ci-dessus, cela n'affecte pas toutes les industries ou fabricants. Cependant, il y a eu une réduction constante de l'inventaire à travers la chaîne d'approvisionnement. Cela souligne le besoin pour les équipes de conception de planifier à l'avance et d'envisager des substituts pour leurs produits. Actuellement, les fournisseurs de services de fabrication électronique (EMS) aux États-Unis déplacent leur capacité rapatriée ou mettent en ligne de nouvelles capacités pour répondre aux pénuries à travers la chaîne d'approvisionnement. Le temps nous dira comment cette partie spécifique du marché des condensateurs se comportera et si la demande continue de réduire les stocks de condensateurs à long terme. Entre-temps, les concepteurs de PCB et les ingénieurs doivent réfléchir à la manière d'adapter leurs conceptions pour résister à une pénurie de MLCC et continuer à mettre des produits sur le marché.

Ce n'est pas encore une pénurie, mais prévoyez des composants de substitution

Autant nous aimerions que l'augmentation de la capacité aux États-Unis et en Asie du Sud-Est soit immédiate et permanente, personne ne peut prédire l'avenir. Si les stocks de MLCC se stabilisent une fois que l'économie mondiale se refroidira dans la phase post-récupération, cette capacité pourrait être déplacée vers d'autres produits. Il est tentant de supposer que nous reviendrons au mode de surplus relatif dans lequel nous étions en 2019. Cependant, la récente poussée de l'administration Biden pour rapatrier la capacité de fabrication de semi-conducteurs pourrait également s'étendre aux MLCC et à d'autres composants, donc ne vous attendez pas à ce que la capacité américaine soit mise hors ligne ou détournée une fois la pénurie passée. Tant que la pénurie est encore d'actualité, il est important pour les concepteurs de réfléchir à la manière dont ils peuvent accommoder des composants alternatifs dans leurs conceptions. Comparée aux pénuries de semi-conducteurs, en particulier les pénuries de CI qualifiés pour l'automobile, une pénurie de MLCC est dans certains cas quelque peu plus facile à gérer. Il y a plusieurs raisons pour lesquelles les entreprises peuvent plus facilement s'adapter à la volatilité de la chaîne d'approvisionnement des MLCC par rapport à une pénurie de CI :

• Combiner des condensateurs : Les condensateurs peuvent être combinés en parallèle ou en série pour obtenir la capacité requise, ce qui n'est pas possible avec les CI. Cependant, cela crée un problème si vous travaillez à des fréquences où les parasitiques dominent dans la conception, comme dans le PDN pour les composants numériques.

• Trouver des substituts : Tous les CI ne sont pas des remplacements directs, même venant du même fabricant. Cela signifie qu'une variante de conception doit généralement être créée si un CI est indisponible. En revanche, les MLCC CMS viennent dans des tailles de boîtiers standard, donc vous pouvez généralement trouver un composant alternatif sans changer la conception.

 

Dans les deux cas, des modifications mineures seront nécessaires dans une conception dans l'événement où votre MPN souhaité est indisponible. Travailler avec des substituts est la solution idéale, bien qu'il soit courant de combiner plusieurs condensateurs en séries ou en parallèles pour produire la capacité désirée.

Combiner des condensateurs

Prendre plusieurs condensateurs et les combiner en série et en parallèle pour produire la capacité équivalente désirée peut sembler assez simple. À des fréquences suffisamment basses, vous n'aurez pas à vous soucier des parasitiques dans les condensateurs. Cependant, les MLCC sont destinés à fonctionner à des fréquences très élevées, en particulier pour le découplage dans le PDN sur un PCB, et pour être utilisés dans la construction de circuits de filtrage pour les conceptions RF. Lors de la combinaison de MLCC de substitution ou de condensateurs alternatifs, l'objectif est d'obtenir une valeur de capacité désirée sans déplacer la fréquence de résonance propre du condensateur vers une fréquence inférieure qui serait indésirable.

 

À basse fréquence, cela n'est souvent pas considéré, même s'il est très courant d'utiliser des banques de condensateurs en parallèle pour atteindre une capacité désirée. Aux hautes fréquences utilisées dans les MLCC, il n'y a que deux spécifications qui devraient recevoir de l'attention lors de la sélection de composants alternatifs et de leur combinaison :

 

• Tension nominale : Les MLCC peuvent avoir des tensions nominales élevées, mais la tension réelle à travers un condensateur individuel dans une banque de condensateurs dépendra de la manière dont le circuit équivalent est conçu.

• Inductance série équivalente (ESL) : La valeur de l'ESL est en série avec la capacité lorsque nous considérons un condensateur du point de vue du modèle de circuit. La valeur de l'ESL est ce qui crée la résonance propre dans un véritable condensateur, et les combinaisons en série ou en parallèle pourraient avoir une fréquence de résonance propre décalée par rapport à la valeur pour un seul condensateur.

 

Juste comme exemple, si vous combinez plusieurs MLCC avec différentes spécifications en série pour donner la capacité équivalente d'un MLCC plus petit, les valeurs d'ESL s'additionneront. La fréquence de résonance propre équivalente sera une moyenne complexe des deux résonances propres. Si la fréquence de résonance propre devient trop basse en ajoutant plus de condensateurs en série, le circuit équivalent finira par cesser de se comporter comme un condensateur car l'ESL total devient trop élevé et la fréquence de résonance propre équivalente devient trop basse, ce qui défait le but d'utiliser des MLCC pour commencer. Dans cette situation exemple, où plusieurs MLCC sont combinés en série, vous pourriez envisager d'utiliser des MLCC alternatifs avec des fréquences de résonance propres plus élevées et les utiliser dans une combinaison en série comme substitut pour un condensateur plus petit.

 

Travailler avec des substituts de même capacité dans votre conception

Bien que les stocks de MLCC soient fluctuants, vous pourriez être en mesure de trouver un composant alternatif dans une taille de boîtier différente, mais avec la même capacité. Assurez-vous de prêter attention aux deux principales spécifications mentionnées ci-dessus. Idéalement, lors de la sélection d'un composant alternatif, vous souhaitez que la tension nominale et la fréquence de résonance propre soient plus élevées tout en maintenant la même capacité pour des raisons de sécurité et de performance. Malheureusement, cela n'est généralement pas possible en général.

 

Comme vous ne trouverez pas toujours la même capacité dans la même taille de boîtier, il est important de considérer comment différentes tailles de boîtiers peuvent avoir différentes tensions et notations ESL. Si vous choisissez un MLCC physiquement plus petit pour substituer votre composant indisponible, vous avez tendance à bénéficier de la même ou d'une plus grande auto-résonance car les composants SMD physiquement plus grands ont tendance à avoir un ESL plus petit. Cependant, le composant peut avoir une tension nominale inférieure pour une capacité donnée, ce qui ne peut être compensé qu'en plaçant les condensateurs en série. Les deux facteurs doivent être considérés car ils impactent les applications d'intégrité de puissance RF et les applications de filtrage RF.

 

Il est beaucoup plus facile de remplacer ces MLCC par des empreintes de condensateurs légèrement plus grandes s'ils sont en rupture de stock.

 

Bien qu'un boîtier plus grand aura des spécifications différentes, il est beaucoup plus facile de modifier une disposition de PCB pour avoir une taille de boîtier légèrement différente que de modifier une conception avec plusieurs condensateurs en parallèle. La manière dont vous disposez la carte est également importante car les parasitiques au niveau de la carte affecteront l'intégrité du signal dans la conception.

La visibilité de la chaîne d'approvisionnement aide les entreprises à rester agiles

La croissance de l'électronique grand public et les cycles d'affaires récurrents dans l'industrie électronique continueront de mettre la pression sur la chaîne d'approvisionnement des MLCC. Même après que la capacité entrante aide à soulager la pénurie actuelle, je m'attends à ce que nous soyons de nouveau ici lors du prochain cycle d'affaires. Les grandes et petites entreprises qui utilisent des MLCC pour leurs conceptions doivent rester agiles alors que les stocks des distributeurs et des fabricants fluctuent. Assurez-vous d'utiliser les meilleurs outils de chaîne d'approvisionnement électronique et les moteurs de recherche pour parcourir les stocks des distributeurs et trouver des pièces alternatives. Lorsque vous avez une visibilité sur la chaîne d'approvisionnement alors que vous prévoyez de passer à la fabrication, vous pouvez vous assurer que votre produit est fabriquable à temps et en volume.

 

Lorsque vous devez rester agile alors que vous gérez la pénurie actuelle de MLCC, les fonctionnalités de recherche avancée et de filtration sur Octopart peuvent vous aider à trouver des composants et fournisseurs substituts pour vos conceptions. Les fonctionnalités du moteur de recherche électronique sur Octopart peuvent vous aider à naviguer dans les pénuries de circuits intégrés en vous donnant accès à des données agrégées à travers la chaîne d'approvisionnement. Vous pouvez accéder aux données de tarification des distributeurs, aux inventaires de pièces, aux spécifications des pièces et aux données CAO, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Regardez notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

 

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