Ein Weg aus der MLCC-Knappheit: die Polymer-Kondensatoren

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Stabilität und Temperatur: Das Bild 3 zeigt typische Temperatureigenschaften von Polymer und MLCC. Die Kurve verschiedener MLCCs variiert innerhalb des Toleranzbereichs der jeweiligen Produkte in unterschiedlicher Weise. Bei Polymer-Kondensatoren nimmt die Kapazität mit steigender Temperatur linear zu. Die Temperatureigenschaften der MLCCs unterscheiden sich je nach Art des Dielektrikums, doch alle sind anfällig für temperaturabhängige Alterungsfehler und erfordern geringere elektrische Feldstärken. Keramik-Kondensatoren sind spröde und empfindlich gegenüber Temperaturschocks. Daher müssen insbesondere bei großen Formaten mit hoher Kapazität Vorkehrungen getroffen werden, um Risse während der Montage zu vermeiden. Der typische Temperaturbereich für Keramik-Kondensatoren liegt bei -40 bis 85 oder 125 °C, mit einer Kapazitätsvariation von etwa +5% bis -40% und einem Optimalpunkt im niedrigen Temperaturbereich von 5 bis 25 °C. Aufgrund ihrer Wirkungsweise und der Weiterentwicklung der dielektrischen Materialien haben Polymer-Kondensatoren ein großes Entwicklungspotenzial für höhere Dichte-, Belastungs- und Temperaturwerte (derzeit jedoch auf 125 °C begrenzt), während Polymere mit ihrer höheren Dielektrizitätskonstante eine hohe Energiedichte ermöglichen (Bild 4).

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Piezoelektrische Effekte des Keramik-Chipkondensators

Die meisten Dielektrika von Keramik-Kondensatoren weisen eine Eigenschaft auf, die als piezoelektrischer Effekt bezeichnet wird und in bestimmten Schaltungen unerwartete Signale verursachen kann. In manchen Fällen kann der piezoelektrische Effekt zu elektrischen Störungen führen. Wenn ein elektrisches Potenzial oder Feld auf der Oberfläche eines MLCC eine Verformung im Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz verursacht, kann diese für den Menschen hörbar sein. Dies wird als akustisches Rauschen bezeichnet – man sagt, der MLCC „singt“. Ein MLCC allein reicht in den meisten Fällen nicht aus, um problematische oder störende Schalldruckpegel (SPL) zu erzeugen. Auf der Leiterplatte verlötet, bildet der MLCC jedoch ein Feder-Masse-System, das die Schwingungen je nach Frequenz verstärkt oder dämpft (Bild 5).

Betrachten wir die Robustheit: MLCCs werden mehr als zehn Zuverlässigkeitstests unterzogen, darunter Temperaturschock-, Biege- und einseitige Feuchtigkeitstests, je nachdem, für welche Anwendungen sie vorgesehen sind. Beim Biegetest wird die mechanische Beständigkeit gegen Rissbildung geprüft, die auftreten kann, wenn die Leiterplatte unter Biegespannung steht, auf der der MLCC verlötet ist. Dies kann während und oder zwischen einzelnen Fertigungsschritten und bei Temperaturschwankungen im Betrieb häufig passieren. Biegerisse entstehen durch übermäßiges Verbiegen der Leiterplatte. Ursächlich für das Verbiegen der Leiterplatte sind beispielsweise Probleme während der Fertigung, etwa Lötspannung durch überschüssiges Lötzinn, Druck beim Nutzentrennen oder Verschrauben, Biegen der Leiterplatte während der Endmontage sowie Stöße, Vibrationen oder thermische Ausdehnung im Betrieb.

Keramiken sind sehr kompressions- aber wenig spannungsresistent. Deshalb können sich bei einem zu starken Verbiegen der Leiterplatte leicht Risse im Element bilden. Ein Biegeriss kann einen Kurzschluss zwischen den gegenüberliegenden Innenelektroden bewirken. Außerdem kann es vorkommen, dass sich ein Fail-Open im Laufe der Nutzungsdauer zu einem Fail-Short entwickelt. Wenn ein Riss in einem Kondensatorelement einen Kurzschlussfehler verursacht, kann dies zu Problemen führen und beispielsweise zu Hitze-, Rauch- oder Funkenbildung führen. Deshalb müssen insbesondere bei Geräten, bei denen es auf eine hohe Zuverlässigkeit ankommt, unbedingt vorbeugende Maßnahmen getroffen werden.

Die meisten Keramik-Kondensatoren weisen einen relativ hohen Spannungswert auf. Wenn die Spannung zwischen den Kondensator-Anschlüssen die Nennspannung übersteigt, kann das Dielektrikum zusammenbrechen und der Elektronenfluss zwischen den dünnen Materialschichten im Inneren des Kondensators einen Kurzschluss verursachen.

Beim Vergleich der Lebensdauer von Polymer-Kondensatoren und MLCCs sind ihre jeweiligen Konstruktionen und Eigenschaften zu berücksichtigen. Polymer-Kondensatoren werden als Chip- und als Wickel-Kondensatoren angeboten. Da Polymer-Feststoff-Kondensatoren nicht als Verschleißteile gelten, die gelegentlich ausgetauscht werden müssen, werden sie häufig in SMT-Bauweise gefertigt. Dadurch beanspruchen sie weniger Platz auf der Leiterplatte, sind aber schwieriger abzulösen, falls doch einmal ein Austausch erforderlich sein sollte.

Die Verwendung von Festelektrolyt ist ein großer Vorteil gegenüber Elkos. In einem Nass-Elko kann das Elektrolyt bei Überhitzung verdampfen. Durch den hierbei entstehenden Druck ist es möglich, dass der Kondensator platzt oder sogar explodiert. Dieses Risiko besteht bei Polymer-Feststoff-Kondensatoren nicht – ein solcher Kondensator erfährt entweder einen Kurzschluss oder er beginnt sich wie ein offener Stromkreis zu verhalten. Generell sind also Polymer-Kondensatoren wesentlich zuverlässiger als MLCCs.

Dazu ein technisches Beispiel (Bild 7): Bei diesem Vergleich der verschiedenen Kondensatoren wurden nicht alle Eigenschaften berücksichtigt. Jeder Kondensatortyp ist für bestimmte Bereiche gut und für andere weniger gut geeignet. Bei der Auswahl des passenden Kondensators für die Entwicklung einer bestimmten Schaltung müssen neben den zuvor beschriebenen Eigenschaften eine Reihe weiterer Faktoren berücksichtigt werden, beispielsweise die Kosten und die Größe.

Wenn der Platz begrenzt ist, sind Allzweck-MLCCs grundsätzlich die beste Wahl. MLCCs eignen sich auch für Anwendungen, bei denen der Kondensator sehr hohe Stehspannungsleistungen und Sperrspannungen aushalten muss.

Typische Polymer-Kondensatoren sind eine gute Wahl, wenn es sowohl auf höhere Kapazität als auch auf niedrigere ESR-Werte ankommt. Insbesondere die potenzielle Kosten- und Platzersparnis einzelner Polymer-Kondensatoren gegenüber einer Gruppe von MLCCs mit derselben Leistung kann bei der Entwicklung von Leiterplatten einen großen Unterschied ausmachen. Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen definieren wir folgende Spezifikationen für den Einsatz von Polymer-Kondensatoren anstelle von MLCCs: Spannungsleitungen 16 bis 35 V, Kapazität 22 µF bis 560 µF, vorzugsweise in den Gehäusegrößen B & D.

* Josuha Schlotmann ist Team Leader Business Development Passive, Panasonic Industry, Ottobrunn.

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