Wenn Ihnen das Leben keine MLCCs bietet, nutzen Sie Polymerkondensatoren

Jan 16, 2024

Sofern Sie nicht die letzten 12 Monate unter einem Felsen gelebt haben, werden die folgenden Neuigkeiten für Sie nicht neu sein – sie werden Ihr Leben jedoch enorm beeinflussen, insbesondere wenn Sie als Ingenieur oder Supply-Chain-Manager arbeiten: Damals, Anfang 2017 , erkannten große Hersteller von Keramik-Chip-Kondensatoren, dass die Nachfrage nach MLCCs stärker war als erwartet. Diese Nachfrage wurde insbesondere von den Mobiltelefonherstellern und Automobilendmärkten artikuliert und führte im November 2017 zu durchschnittlichen Lieferzeiten von min. 20 Wochen. MLCC-Hersteller verlassen ihr Verbrauchersegment mit geringen Margen und hohem Volumen und konzentrieren sich auf die Lieferung von Teilen mit höherer Wertschöpfung. Laut MLCC: FY 2018 Global Market Outlook hat sich diese Situation aufgrund der steigenden Nachfrage nach MLCC mit hoher Kapazität sogar noch verschärft, da Produkte der nächsten Generation in mehreren Segmenten MLCC im 100-, 220- und 330-Bereich als Standardteile betrachten. Und nun der pikante Teil: Der Mangel wird sich erst 2020 und darüber hinaus bessern (oder anders gesagt: Es ist an der Zeit, nach einer Alternative zu suchen).

In zahlreichen Branchen werden MLCCs als vertrauenswürdige Arbeitstiere eingesetzt und eingesetzt. Die kostengünstigste Lösung war und bleibt wahrscheinlich auch in den nächsten zehn Jahren bestehen; B. beim Stapeln von Keramik, aber überall dort, wo andere Dielektrika eingesetzt werden können, wird die Nachfrage steigen, da die Hersteller keine andere Wahl haben, als sich von einer so enormen Abhängigkeit von Keramik zu distanzieren. Tabelle 1 zeigt verschiedene Arten von Kondensatoren, einschließlich Elektrolytkondensatoren, OSCON, SP-Cap, POS-Cap, Filmkondensatoren und MLCCs. Die Anwendung bestimmt in der Regel die beste Wahl des Kondensatortyps für die Konstruktion. Aber bevor wir dazu kommen, lässt sich ganz allgemein die folgende Unterscheidung treffen: Während Elektrolytkondensatoren den größten ESR bieten, erleiden diese Kondensatoren bei höheren Temperaturen und Frequenzen eine erhebliche Verschlechterung der Kapazität und des Leckstroms. Keramikkondensatoren haben einen sehr niedrigen ESR und ESL, wodurch sie sich hervorragend für die transiente Leistung eignen, es gibt jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Kapazitätsreduzierung. Obwohl Keramikkondensatoren bei sehr hohen Welligkeitsströmen betrieben werden können, unterliegen sie dem ungünstigen Alterungsfehler und erfordern geringere elektrische Betriebsfelder. Polymer-Elektrolytkondensatoren werden hauptsächlich in Stromversorgungen integrierter elektronischer Schaltkreise als Puffer-, Bypass- und Entkopplungskondensatoren eingesetzt, insbesondere in Geräten mit flacher oder kompakter Bauform. Damit konkurrieren sie mit MLCC-Kondensatoren, bieten aber höhere Kapazitätswerte und zeigen keinen Mikrofoneffekt.

Panasonic ist ein führender Hersteller von Festpolymer-Aluminium-Kondensatoren: SP-Caps und OS-CON, Tantal-Polymer-Kondensatoren – POS-CAP sowie Polymer-Hybrid-Aluminium-Elektrolytkondensator-Technologien und verfügt über die längste Design-In-Expertise und Erfahrung auf dem Markt. Leitfähige Polymer-Aluminium-Feststoffkondensatoren, im Folgenden als „Polymerkondensatoren“ abgekürzt, erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Der Polymerkondensator (sowie herkömmliche Aluminium-Elektrolytkondensatoren) zeichnen sich durch eine große Kapazität und hervorragende Vorspannungseigenschaften aus, mit denen mehrschichtige Keramikkondensatoren niemals mithalten können. Zusätzlich zu diesen Vorteilen weisen Polymerkondensatoren extrem niedrige ESR-Eigenschaften auf. Was die ESL betrifft, die durch die innere Struktur und die Anschlusskonfiguration der Kondensatoren bestimmt wird, haben Polymerkondensatoren durch strukturelle Verbesserungen eine niedrige ESL. Auch im Hinblick auf das Austrocknen des Elektrolyten während der Lebensdauer und die Veränderungen der Eigenschaften bei verschiedenen niedrigen Temperaturen haben die Polymerkondensatoren durch die Verwendung fester Polymermaterialien als Elektrolyt eine sehr hohe Zuverlässigkeit und hervorragende Tieftemperatureigenschaften erreicht.

Vor allem die SP-CAPs und POS-CAPs mit ihrem geringen Größenfaktor und ihrer kubischen Form sind die Produkte der Wahl, wenn es um den Ersatz von MLCCs geht. Wenn man sich die Eigenschaften dieser verschiedenen Technologien genauer ansieht, kann man einige wesentliche Unterschiede zwischen ihnen erkennen.

Stabil vs. Frequenz

Stabile Kapazität: Abbildung 1 zeigt die Kapazitätsänderung über einen weiten Frequenzbereich für verschiedene Technologien. Es zeigt deutlich, dass Polymerkondensatoren eine sehr ähnliche Leistung wie Mehrschicht-Keramikkondensatoren aufweisen.

Kapazitätsdichte/Stabilität vs. DC-Bias

Wenn man sich die Ergebnisse ansieht, stellt sich in Abbildung 1 möglicherweise die Frage, warum jemand auf die Polymertechnologie umsteigen sollte. Die Antwort auf diese Frage lautet:

MLCCs können bei gleicher Grundfläche und gleichem Volumen nicht die gleiche hohe Kapazität wie Polymere erreichen. Zweitens weist der MLCC aufgrund der für MLCCs verwendeten ferroelektrischen dielektrischen Materialien eine starke Kapazitätsabhängigkeit von der Gleichstromvorspannung auf. Mehrschichtige Keramikkondensatoren mit hoher Kapazität haben eine Eigenschaft, die von Elektronikentwicklern oft nicht gut verstanden wird, dh Stabilität und Zuverlässigkeit erfordern umfangreiches Schleifen. Die Kapazität dieser Geräte variiert mit der angelegten Gleichspannung, was zu einem Kapazitätsabfall von mehr als 70 % im Vergleich zu den im Datenblatt angegebenen Spezifikationen führen kann. Bei Polymerkondensatoren ändert sich die Kapazität nicht wesentlich, wenn sich die angelegte Spannung ändert (vergleiche Abbildung 2). Diese Vorteile ermöglichen eine deutlich geringere Teileanzahl bei Verwendung von SP-CAPs oder POSCAPs anstelle von MLCCs, was nicht nur Platz auf der Leiterplatte spart, sondern auch einen Kostenfaktor darstellt, indem Kosten für Teile eingespart und die Produktionsschritte reduziert werden.

Stabilität vs. Temperatur

Abbildung 3 zeigt typische Temperaturverläufe. Die Kurve ändert sich für MLCCs auf unterschiedliche Weise innerhalb des Toleranzbereichs des jeweiligen Produkts. Bei Polymerkondensatoren wächst die Kapazität parallel zum Temperaturanstieg. Die Temperatureigenschaften von MLCCs unterscheiden sich je nach Dielektrikumstyp, aber alle unterliegen aufgrund der Temperaturabhängigkeit einem Alterungsfehler und erfordern eine niedrigere Betriebstemperatur. Keramikkondensatoren sind spröde und empfindlich gegenüber Thermoschocks. Daher müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um Risse während der Montage zu vermeiden, insbesondere bei großen MLCCs mit hoher Kapazität. Der typische Temperaturbereich für Keramikkondensatoren liegt bei -40 °C bis 85 °C oder 125 °C, wobei ihre Kapazität zwischen +5 % und -40 % variiert; Der Sweet Spot liegt bei einer niedrigen Temperatur von 5 bis 25 °C. Polymerkondensatoren verfügen aufgrund ihres Arbeitsmechanismus und der Weiterentwicklung der dielektrischen Materialien über ein großes Entwicklungspotenzial, um höhere Bewertungen in Bezug auf Dichte, Feldspannung und Temperatur (derzeit jedoch auf 125 °C begrenzt) zu erreichen. Polymere mit höherer Dielektrizitätskonstante ermöglichen jedoch eine hohe Energiedichte.

Keramik-Chipkondensator mit piezoelektrischen Effekten

Die meisten Dielektrika von Keramikkondensatoren weisen eine Eigenschaft auf, die als piezoelektrische Effekte bezeichnet wird und in bestimmten Schaltkreisen unerwartete Signale verursachen kann. In einigen Fällen kann der piezoelektrische Effekt zum Auftreten von elektrischem Rauschen führen. Wenn ein elektrisches Potenzial oder Feld an die Oberfläche eines MLCC angelegt wird, kommt es zu einer Verformung im Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz, die für Menschen hörbar sein könnte. Dies wird dann als MLCC-Akustikgeräusch oder Singgeräusch bezeichnet (vergleiche Abbildung 4). Ein MLCC allein reicht in den meisten Fällen nicht aus, um einen problematischen oder störenden Schalldruckpegel (SPL) zu erzeugen. Doch auf einer Platine verlötet erzeugt der MLCC ein Feder-Masse-System, das die Schwingungen je nach Frequenz verstärkt oder dämpft.

Robust

Risse in keramischen SMT-Komponenten (Surface Mount Technology) schränken die Zuverlässigkeit und Ausbeute der Montage ein. Diese Risse äußern sich als elektrische Defekte: intermittierender Kontakt, variabler Widerstand, Kapazitätsverlust und übermäßige Leckströme. Aus diesem Grund werden MLCCs je nach Zielanwendung unterschiedlichen Zuverlässigkeitstests unterzogen, darunter Thermoschock-, Platinenflexions- (Biege-) und voreingenommene Feuchtigkeitstests usw. MLCCs werden je nach Zielanwendung mehr als zehn Zuverlässigkeitstests unterzogen, darunter Thermoschock-, Platinenbiege- (Biege-) und voreingenommene Feuchtigkeitstests usw. Unter den Zuverlässigkeitstests bewertet der Board-Flex-Test die mechanische Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung, wenn MLCCs einer Biegebeanspruchung auf der Leiterplatte (PCB) ausgesetzt werden, auf der der MLCC aufgelötet ist. Das Verbiegen von Leiterplatten kann häufig während/zwischen Herstellungsschritten und während des Betriebs unter Temperaturschwankungen auftreten. Biegerisse sind auf eine übermäßige Biegung der Leiterplatte zurückzuführen.

Was die Ursachen für die Durchbiegung der Platine angeht, gibt es verschiedene Ursachen, darunter Probleme während des Herstellungsprozesses – wie z. B. Lötspannung aufgrund einer ungeeigneten Menge Lot, Spannung beim Trennen oder Schraubenfestziehen oder Durchbiegung der Platine zum Zeitpunkt der Endmontage , zusätzlich zu Stürzen, Vibrationen oder Wärmeausdehnung während des Gebrauchs. Keramik hat eine starke Kompression, aber eine schwache Spannung. Aus diesem Grund geben MLCC-Lieferanten Richtlinien für den Kauf von MLCC auf Leiterplatten vor. Dabei weisen sie häufig darauf hin, dass die MLCC-Kappen nicht an den Rändern der Leiterplatte angeordnet werden sollen, oder sie kontrollieren die Ausrichtung des MLCC-Chips entlang der Länge und nicht entlang der Breite, wenn Spannung vorliegt wird an einer bestimmten Stelle der Leiterplatte erwartet. Dies schränkt den Entwurf ein und erfordert möglicherweise Änderungen seitens des Designingenieurs, bevor er ein PCB-Layout abschließt. Wenn also ein gelöteter MLCC eine übermäßige Durchbiegung der Platine erfährt, kann leicht ein Riss im Element entstehen (vergleiche Abbildung 5). Ein Biegeriss kann eine elektrische Leitung zwischen gegenüberliegenden Innenelektroden verursachen. Es ist auch möglich, dass ein Fail Open bei fortgesetzter Produktnutzung zu einem Fail Short führen kann. Wenn ein Riss an einem Kondensatorelement zu einem Kurzschlussfehler führt, kann dies zu Problemen wie Hitzeentwicklung, Rauchentwicklung oder Entzündung führen. Daher ist es unerlässlich, Maßnahmen dagegen zu ergreifen, insbesondere bei Geräten, bei denen Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

Sicherheit

Die meisten Keramikkondensatoren haben eine relativ hohe Nennspannung. Wenn zwischen den Anschlüssen des Kondensators eine höhere Spannung als die Nennspannung anliegt, kann das Dielektrikum zusammenbrechen und Elektronen fließen zwischen den dünnen Metallschichten im Inneren des Kondensators, wodurch ein Kurzschluss entsteht. Glücklicherweise sind die meisten Keramikkondensatoren mit einem hohen Sicherheitsspielraum ausgestattet und erleiden keinerlei katastrophale Ausfälle (z. B. eine Explosion). Als Faustregel gilt jedoch, dass Sie die Leistung von Keramikkondensatoren um 50 % herabsetzen sollten. Wenn Sie also mit maximal 5 V zwischen den Anschlüssen des Kondensators rechnen, sollten Sie einen Kondensator verwenden, der für 10 V oder mehr ausgelegt ist. Um die Lebensdauereigenschaften von Polymeren im Vergleich zu MLCCs zu verstehen, müssen Sie den Aufbau und die Eigenschaften jedes einzelnen berücksichtigen (vergleichen Sie bitte auch Abbildung 6 auf der nächsten Seite). Polymerkondensatoren sind als Chip- oder gewickelte Produkte erhältlich. Da Feststoff-Polymer-Kondensatoren nicht als Komponenten gelten, die in einem Gerät ausgetauscht werden müssen, werden sie häufig in SMT (Surface-Mount-Technology) hergestellt. Dadurch nehmen sie weniger Platz auf der Leiterplatte ein, sind aber im Falle eines Austauschs schwieriger zu entlöten. Die allgemeine Einführung der SMT-Technologie für eine Leiterplatte ermöglicht jedoch auch eine automatisierte Montage, wodurch die Kosten gesenkt und menschliche Eingriffe minimiert werden. Die Verwendung von Festelektrolyten ist ein großer Vorteil gegenüber Elektrolytkondensatoren. Bei einem nassen Elektrolytkondensator kann eine Überhitzung dazu führen, dass der Elektrolyt verdampft. Beim Verdampfen baut sich im Kondensator ein Druck auf, der platzen oder sogar explodieren kann. Bei Festpolymerkondensatoren besteht dieses Risiko nicht – der Kondensator schließt gegen Ende seiner Lebensdauer entweder kurz oder verhält sich wie ein offener Stromkreis. Im Allgemeinen ist die Zuverlässigkeit von Polymerkondensatoren viel besser als die Zuverlässigkeit von Elektrolytkondensatoren und insbesondere von MLCCs.

BENUTZERFALL

Der Vergleich der oben dargestellten Merkmale ist nur teilweise. Jeder Kondensatortyp ist für einige Bereiche gut geeignet, für andere jedoch schlecht. Beim tatsächlichen Entwurf von Schaltkreisen müssen zusätzlich zu den oben beschriebenen Merkmalen eine Reihe weiterer Faktoren wie Kosten und Größe berücksichtigt werden, um den besten Kondensator für die jeweilige Aufgabe auszuwählen. Wenn der Platz begrenzt ist, eignen sich Allzweck-MLCCs am besten. MLCCs eignen sich aufgrund ihrer hohen Spannungsfestigkeit und Widerstandsfähigkeit auch für Anwendungen, bei denen die Fähigkeit zum Umgang mit sehr hohen Spannungen erforderlich ist. Typische Polymerkondensatoren sind eine gute Wahl, wenn sowohl eine höhere Kapazität als auch ein niedriger ESR wichtig sind. Insbesondere die potenzielle Kosten- und Platzersparnis beim Vergleich einzelner Polymerkondensatoren mit dem Äquivalent mehrerer MLCCs kann einen großen Unterschied beim Design von Leiterplatten bewirken. Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen definieren wir folgende Zielspezifikationen für den MLCC-Ersatz durch Polymerkondensatoren:

>> Spannungsleitungen: 16 bis 35 V

>> Kapazität: 47μF bis 560μF

(Und da die große Kapazität DIE Stärke von Polymerkondensatoren ist – je höher, desto besser)

>> Vorzugsweise B- und D-Gehäusegrößen