Lebensentscheidend – MLCCs für sicherheitskritische Anwendungen in rauer Umgebung

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Elektronische Komponenten in sicherheitsrelevanten Systemen wie medizinische Geräte, Flugzeug-Steuerungen, Airbags oder Fahrerassistenzsysteme müssen höchsten Anforderungen in Sachen Zuverlässigkeit und Sicherheit gerecht werden. Das gilt auch für passive Bauelemente wie Keramikkondensatoren.

Elektronische Komponenten kommen heute in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz, deren fehlerfreie Funktion ein absolutes Muss ist. Beispiele dafür sind medizinische Elektronikmodule, die im menschlichen Körper implantiert werden, aber auch Steuerungen von Flugzeugen, Airbags in Automobilen oder Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Diese für das Leben von Menschen entscheidenden Systeme vertrauen auf das Zusammenspiel von höchst zuverlässigen, hochwertigen Elektronikkomponenten. Dazu zählen auch passive Bauteile, die in unterschiedlichen Geräten wichtige Aufgaben erfüllen müssen.

Dieser Beitrag stellt zwei fortschrittliche Kondensatortechnologien vor, die sich nicht nur durch höchste Leistungsdaten, sondern auch durch eine extrem hohe Zuverlässigkeit und eine besondere Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen auszeichnen, und damit neue Anwendungen in den Märkten Automotive und Luftfahrt erschließen.

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Flexible Anschlüsse für raue Umgebungen

Der Umsatz mit Elektroniksystemen, die für den Automotivemarkt ausgelegt sind, steigt rasant an. Zahlreiche neue Spezifikationen und Entwicklungen führen zu einer Reihe moderner Geräte, die besonders für den Einsatz in Applikationen geeignet sind, bei denen hohe Temperaturen, große Temperaturschwankungen und hohe Vibrationen eine zentrale Rolle spielen.

Die Entwicklung solcher Geräte erfordert bei der Verwendung von Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) ein robustes Anschlusssystem, das einerseits eine hohe physikalische Biegung der Leiterplatte und andererseits die Belastung resultierend aus den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (coefficient of thermal expansion, CTE) zwischen Kondensator und Leiterplatte aushält. Dies wird durch Hinzufügen einer leitfähigen Epoxyschicht unter der äußeren Terminierungsschicht erreicht. Die Materialeigenschaften der Epoxyschicht erlaubt, dass der Kondensator eine Biegung der Leiterplatte von bis zu 5 mm widerstehen kann, ohne dass ein Riss im Kondensatorinneren entsteht oder sich der ESR (equivalent series resistance) erhöht bzw. die Stabilität des ESR über die Lebensdauer oder bei sich ändernden Umgebungsbedingungen beeinträchtigt wird.

Der erste im Markt eingeführte Kondensator mit flexibler Terminierung ist Flexiterm des Spezialisten für passive Komponenten, AVX. Bild 1 zeigt, dass die Flexiterm-MLCCs deutlich robuster hinsichtlich mechanischer Biegung sind als Standard-NP0- und -X7R-MLCCs.

Die Technologie mit den flexiblen Terminierungen wird in zahlreichen Komponentenfamilien eingesetzt, die besonders in hoch zuverlässigen Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen eine Fehlfunktion eines einzigen Kondensators das ganze System abschalten könnte. Beispiele dafür sind Eingangskondensatoren sowie Hochspannungs- oder Hochtemperaturkondensatoren in Filter- oder Snubber-Schaltungen in Automotive-Modulen.

Seit ihrer Markteinführung tragen die MLCCs mit flexiblen Anschlüssen dazu bei, die Zahl der Reparaturen des Endproduktes bzw. die Kosten für die Austauscharbeiten der Module und damit die Ausfallzeiten immer mehr zu senken. Neben den technischen Eigenschaften wie hohe mechanische Biegefestigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber thermischen Belastungen wie sie bei wechselnden Temperatursprüngen aufgrund von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten entstehen können, haben vor allem die niedrigen Kosten wesentlich zur enormen Verbreitung der Bauteile beigetragen.

Anspruchsvolle Automotive- und Avionics-Anwendungen

Die große Anzahl an vielfältigen Anwendungen in den Automotive- und Avionics-Märkten hat zu zusätzlichen Anforderungen bezüglich der Performance der Bauteile geführt, einschließlich der Beseitigung der Gefahr eines durch extreme Biegung der Leiterplatte hervorgerufenen Kondensatorbruchs.

Als Antwort darauf, wurde für diese anspruchsvollen Systeme ein Produkt entwickelt, das einerseits flexible Anschlüsse aufweist und andererseits intern zwei in Serie geschaltete Kondensatoren beinhaltet. Damit lassen sich zwei diskrete Kondensatoren, die üblicherweise in einem Winkel von 90 Grad zueinander in Serie auf der Leiterplatte platziert sind, ersetzen. Bild 2 zeigt den internen Aufbau eines Flexisafe-MLCCs von AVX mit flexiblen Anschlüssen und zwei Kondensatoren in Serie, die in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind.

Flexisafe-MLCC liefern im Vergleich zu zwei MLCCs in Serie mit einer 90-Grad-Orientierung besondere elektrische Vorteile: eine höhere Zuverlässigkeit, einen geringeren Innenwiderstand (ESR) und eine kleinere Eigeninduktivität (equivalent series inductance, ESL). Da der Flexisafe-MLCC geringere Abmessungen als zwei Standard-MLCCs in Serie aufweist und die Leitung für die Anbindung der zwei diskreten Kondensatoren wegfällt, werden der ESR und die ESL deutlich minimiert. In Bild 3a werden zwei Standard-MLCCs in Serie durch einen einzigen Flexisafe-MLCC ersetzt. Bild 3b vergleicht die ESL-Werte von zwei 220-nF-MLCCs in Serie mit einem Single-100-nF-Flexisafe-MLCC, Bild 3c den ESR eines Standard-100-nF-MLCC mit einem 100-nF-Flexisafe-MLCC.

Dank ihrer niedrigen ESR- und ESL-Werte sind die flexiblen Two-in-One-MLCCs bei Verwendung an Stromversorgungsleitungen wesentlich effizienter als Lösungen mit mehreren Komponenten. Zudem zeichnen sich die MLCCs mit ihren beiden, in Serie geschalteten Kondensatoren durch eine extrem hohe Zuverlässigkeit aus, die beispielsweise bei kritischen Signalsteuerungsleitungen von in Flugzeugen verbauter Elektronik und in aktiven Sicherheits- und ADAS-Steuergeräten von Fahrzeugen eine wichtige Rolle spielt.

Heute sind in den meisten modernen Fahrzeugen ADAS-Systeme, einschließlich automatischer Beleuchtungs- und Bremssysteme, adaptiver Geschwindigkeitskontrollsysteme sowie Assistenzsysteme für den Spurwechsel und zur Erkennung des toten Winkels eingebaut. Die in diesen Systemen eingesetzten Steuerungen reagieren auf die Fehlfunktion eines Kondensators, der einen Ausfall des kompletten Systems zur Folge haben kann.

Extrem zuverlässige MLCCs mit Elektroden aus unedlem Metall

Zu den technischen Anforderungen in lebenswichtigen Elektronikanwendungen für Automotive-, Avionics- und Kommunikationssysteme zählt vor allen eine definierte Zuverlässigkeit. Weitere Features sind eine kompakte Bauform, ein geringes Gewicht und eine optimierte Kosteneffizienz. Diese gewünschten Eigenschaften können MLCCs mit Elektroden aus unedlem Metall (Base metal electrode, BME) erfüllen. BME-MLCCs weisen höhere Kapazitätswerte und einen breiteren Spannungsbereich in bis zu viermal kleineren Gehäusen auf als vergleichbare MLCCs mit Edelmetallelektroden (precious metal electrode, PME), siehe Bild 4.

Erreicht wurde die hohe Zuverlässigkeit der BME-MLCCs durch:

• die Reduzierung der Partikelgröße des dielektrischen X7R-Materials Wismut-Titanit zur Steigerung der Durchschlagsfestigkeit (V/µ),

• die Optimierung des Dielektrikums für die spezifischen Prozessanforderungen von BME-Komponenten,

• die Optimierung der Dicke der dielektrischen Schichten und

• die Verbesserung der Verguss-, Druck- und Schichtungsprozesse für die extrem dünnen Keramikschichten, um selbst bei hohen Kapazitätswerten ein geringes Gewicht der Bauteile zu erreichen.

BME-MLCCs nutzen konservative Designansätze zur Erreichung einer hohen Zuverlässigkeit und zum Schutz vor externen Umgebungseinflüssen (Bild 5).

Heute sind BME-MLCCs verfügbar, die nach der S-311-P-838-Spezifikation der NASA qualifiziert und für den Einsatz in Anwendungen in der europäischen Raumfahrt geprüft sind. Sie sind auf der Qualified Parts List (QPL) der European Space Association (ESA) gelistet und entsprechen den Kriterien der 3009/041-Spezifikation der European Space Components Coordination (ESCC). Die höchst zuverlässigen Komponenten zeichnen sich durch hohe Kapazitätswerte von 2,2 bis 8,2 µF und einen weiten Spannungsbereich von 16 bis 100 V aus. Die Gehäusebauformen reichen von 0603 bis 1812. Typische Anwendungen sind u.a. Filterung von I/O-Leitungen und Energiespeicherung in leistungsfähigen Schaltnetzteilen. AVX ist einer der wenigen qualifizierten Lieferanten von zuverlässigen BME-X7R-MLCCs, die den Spezifikationen NASA S-311-P-838, der ESA QPL und ESCC 3009/041 entsprechen.

Die Entwicklung und Markteinführung von leistungsfähigen MLCCs mit flexiblen Anschlüssen sowie kompakten MLCCs in BME-Technologie ermöglichen in Zukunft die Realisierung neuer vielversprechender Systeme der nächsten Generation.

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* Ussama Margieh ist FAE-Team-Manager Europe bei der AVX GmbH in Hallbergmoos.

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