Samsung ELECTRO-MECHANICS (SEMCO), eines der weltweit führenden Unternehmen für Passivkomponenten, bietet eine breite Auswahl von mehrlagigen Keramikkondensatoren (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCC). Zusätzlich zum Telekommunikations-, Industrie- und Verbraucherelektronikmarkt ist Samsung mittlerweile auch in der Automobilindustrie etabliert, wo keine Defekte tolerabel sind. Für diese anspruchsvolle Branche bietet SEMCO nach AECQ-200 qualifizierte MLCCs, die strengste Tests bestehen müssen und in alle Fahrzeugbereiche integriert werden können (Infotainment, Airbag, Bremssystem, Getriebesysteme, Batterie, Karosserie usw.).
mehrlagige Keramikkondensatoren oder MLCCs haben die Form von Blöcken mit einer jeweils bestimmten Anzahl gestapelter Keramiklagen. Diese Struktur mag einfach wirken, sie erfordert jedoch eine Reihe komplexer Operationen sowie modernste Techniken und Materialien, um die immer höheren Anforderungen des Marktes an Qualität und Leistung zu erfüllen. In diesem ersten Teil konzentrieren wir uns auf die grundlegenden Phasen des Herstellungszyklus für MLCCs.
Batch-Erstellung
In der ersten Phase, als „Batch“ bezeichnet, wird das Rohmaterial für die Fertigung der Komponenten vorbereitet. Flüssigschlamm wird mit Keramikpulver sowie Binde- und Lösemittel gemischt. Derzeit wird das Keramikmaterial hausintern von Samsung gefertigt. Dadurch behält Samsung die vollständige Kontrolle über den Produktionsprozess und die Qualität sowie die erwünschten hochwertigen Kapazitäten. Die Masse wird dann auf einen Film aufgebracht, um eine dünne und einheitliche Keramikplatte zu erhalten. Auf diese Keramikplatte werden interne Elektroden aus metallischer Nickelpaste aufgedruckt. Anschließend werden Nickelstreifen so übereinandergelegt, dass die Mehrlagen-Komponente entsteht. Die Elektroden werden nach der Anzahl der übereinandergelegten Lagen eingesetzt, wobei die Art des verwendeten Dielektrikums den Kapazitätswert der gefertigten Komponente definiert. Die gestapelten Lagen werden in die erwünschte Chipform geschnitten. Nach einigen weiteren Schritten (Laminieren, Brennen, Trommellackierung) wird das Produkt gesintert, um eine gute Leitfähigkeit zwischen den internen und externen Elektroden zu gewährleisten. Abschließend werden die Terminals des Bauteils in Kupfer getaucht, um die externen Elektroden herzustellen.
Bis zu diesem Punkt folgt die MLCC-Fertigung mehr oder weniger einem Standardverfahren. Der Unterschied zwischen dem Prozess von Samsung und konventionellen Methoden liegt darin, dass Samsung durch Schutz der zerbrechlichen Keramik gegen Rissbildung und Brüche für mehr Sicherheit und Zuverlässigkeit sorgt. Deshalb werden alle Komponenten ein zweites Mal in Epoxid und Kupferharz getaucht. Durch diesen Arbeitsgang verhindert Samsung potenzielle Risiken wie etwa Risse durch mechanische Belastung oder thermische Schocks auf der gedruckten Leiterplatte. Abschließend wird zum Schutz des Teils gegen Oxidation und zur Verbesserung der Schweißfähigkeit eine Plattierung aus Nickel und Zinn auf den Kondensator aufgebracht.
MLCCs mit Weichmetall-Terminals: Standard für alle SEMCO-MLCCs der Klasse II in Automobilqualität: PN-Serie
Mehrlagige Keramikkondensatoren können bei übermäßigem Biegen der gedruckten leiterplatte (PCB), bei thermischen Schocks oder durch unsachgemäße Behandlung reißen. Um dies zu verhindern, bringt SEMCO Epoxid- und Kupfermetallharz auf die externen Terminals aller MLCCs der Klasse II in Automobilqualität auf. Diese flexible Terminierung verhindert die Übertragung mechanischer Belastungen von der Platte zur Keramikkomponente und sorgt so dafür, dass weniger Risse durch Biegen auftreten. So garantiert SEMCO eine Biegefestigkeit von bis zu 3 mm für seine MLCCs der Standard-PN-Serie.
Allgemeine Automobil-MLCCs, PN-Serie
Da Kondensatoren sehr viel Energie speichern, kann ein interner Kurzschluss zu hohen Temperaturanstiegen und damit sogar zu Explosionen führen. Dadurch kann nicht nur die Komponente selbst zerstört (und jede Evidenzquelle ausgelöscht) werden, es kann auch zu Beschädigungen benachbarter Komponenten, der Leiterplatte, weiterer leiterplattenbaugruppen und in extremen Fällen zu Bränden führen [1]. Wie gut kann die flexible Terminierung Risse und damit Kurzschlüsse vermeiden? Gibt es Anwendungen in Fahrzeugen, die für dieses Risiko anfälliger sind als andere? Um diese Fragen zu beantworten, haben Fahrzeughersteller ihre eigenen Qualitäts- und Sicherheitsstandards entwickelt. Zu den von Kraftfahrzeugherstellern, etwa der Volkswagen-Gruppe, entwickelten Standards gehört etwa eine integrierte Sicherheitsstrategie (die so genannte „Failsafe-Strategie“ im Rahmen des VW 80808-Standards.
Failsafe MLCC
Anders als gewöhnliche MLCCs verhindern MLCC mit weicher Terminierung Kurzschlüsse in den Chips durch die Reduzierung mechanischer Belastungen, die zu starken Verformungen der Leiterplatte führen können.
Können aber Standard-MLCCs in Automobilqualität die erforderliche Sicherheit garantieren?
Die von SEMCO garantierte Biegefestigkeit (3 mm) erfüllt sicher die Anforderungen von Automobilanwendungen und liegt sogar über dem auf dem Markt üblichen Standard (2 mm für vergleichbare Produkte); sie reicht jedoch nicht für Anwendungen aus, für die strengere Sicherheitsanforderungen gelten. Daher verlangt der VW 80808-Standard strengere Tests als der Standard AEC-Q200. Dazu klassifiziert der VW-Standard Anwendungen nach dem Grad der erforderlichen Sicherheit.
Nach dem VW 80808-Standard muss für alle Kurzschlussgefahren, die zu Leistungsverlusten von mehr als 2,5 W führen können, insbesondere für MLCCs, die direkt an der Batteriespannung liegen (Terminal 15, 30) oder für MLCCs, die bei einem Ausfall den Betrieb des Systems in erheblichem Maße beeinträchtigen können, die Sicherheitsrichtlinie angewendet werden.
Die erste Option hierfür besteht darin, die Kondensatoren in Serie und in orthogonaler Weise anzuordnen. Diese Lösung kann unabhängig vom Spannungswert des elektrischen Systems implementiert werden. Eine solche Kondensator-Serie widersteht Kurzschlüssen durch die serielle Anordnung von jeweils zwei Kondensatoren in einer Komponente. Das Ergebnis ist, dass ein MLCC als Reserve-Kondensator für den Fall fungiert, dass eine der beiden Komponenten beschädigt wird.
Für 12 V-Spannungen werden andere Lösungen empfohlen. Diese sind nur mit der flexiblen Metallterminierung möglich.
Ausfallsichere Funktion mit einem Serienstruktur-System: XP-Serie
Dieses Konzept für mehrlagige Serien-Kondensatoren mit doppelter Sicherheit folgt demselben Prinzip wie die oben beschriebene Lösung und wird auch als „Floating“- oder „Flexisafe“-Elektroden-Konzept bezeichnet. Die Elektroden in der Komponente sind verkürzt und die Konterelektroden auf der Lage darüber werden zu „Floating“-Elektroden ohne leitende Verbindung an der Terminierung. Bei einem Riss im keramischen Verbindungsbereich kann dann kein elektrischer Kontakt zur Konterelektrode entstehen. Risse führen daher nicht zu einem Kurzschluss des Kondensators – stattdessen änderst sich der Kapazitätswert. Dieser Wert bleibt in jedem Fall aufgrund der reduzierten aktiven Oberfläche begrenzt.
MLCCs in seriellem Design: XP-Serie
Open Mode-Design: WP-Serie
Die WP-Serie ist so konstruiert, dass die internen Elektroden verkürzt und in die Komponente eingebettet sind. Bei einem Riss sind nur Elektroden mit dem gleichen Potenzial in der Risikozone verbunden, was die Gefahr eines Kurzschlusses minimiert. Da der Aktivbereich jedoch reduziert ist, ist die verfügbare Kapazität relativ beschränkt.
MLCCs im Open Mode-Design: WP-Serie
Softterm-MLCC mit höherer Biegefestigkeit 5 mm: PJ-Serie
Für Anwendungen mit noch strengeren Sicherheitsanforderungen und höherem Risiko garantieren die MLCCs der PJ-Serie mit weicher Terminierung eine Biegefestigkeit von bis zu 5 mm.
Der begriff „weiche Terminierung“ wird allgemein für Biegefestigkeiten von 5 mm verwendet, SEMCO unterscheidet jedoch zwischen zwei verschiedenen Serien, der PN-(3-mm-) und der PJ-(5-mm-)Serie.
MLCCs mit weicher Terminierung, PJ-Serie
MLCCs der PJ-Serie müssen die extremen thermischen und mechanischen Tests nach VW 80808 bestehen [2].
Zusätzlich zu höherer mechanischer Widerstandskraft und ihrer Einsatzmöglichkeit in Anwendungen mit hohen Risiken bietet die PJ-Serie noch weitere Vorteile gegenüber der PN-Serie. Für kleine und mittlere Kapazitätswerte befinden sich oben und unten weitere Lagen mit demselben Potenzial. Dies senkt das Risiko für Kurzschlüsse und verbessert die mechanische Stabilität für die gesamte Struktur der Komponente.
Trends auf dem Automobilmarkt und Empfehlungen von Samsung
Die Mobilität der Zukunft wird elektrisch, autonom, gemeinsam genutzt, verbunden und regelmäßig aktualisiert sein [3]. Dazu sind sehr viele Kondensatoren erforderlich, die gleichzeitig sehr hohe Leistungswerte bieten. Um allen diesen Anwendungen gerecht zu werden, ist es besonders wichtig, dass immer mehr ECUs (Electronic Control Units, elektronische Steuereinheiten) verfügbar sind. Fahrzeughersteller müssen daher immer mehr Komponenten in Fahrzeugen unterbringen – ohne dass dafür mehr Platz zur Verfügung steht. Entsprechend besteht der derzeit dominierende Trend in der Automobilindustrie in der zunehmenden Nachfrage nach kleinen Kondensatoren mit hohen Kapazitätswerten. Dies erfordert präzises Kenntnisse der Fertigungstechniken, einschließlich der Produktion des feinen Keramikpulvers, das für diese Art von Kondensatoren benötigt wird. Samsung ist einer der wenigen Hersteller auf dem Markt, die die dazu erforderlichen Techniken beherrschen.
Daher empfiehlt Samsung die Miniaturisierung von Kondensatoren nicht nur, um Platzproblemen zu begegnen, sondern auch, weil kleine Kondensatoren perfekt zur flexiblen Terminierungsstruktur passen. Feines Keramikpulver erleichtert die Produktion dünnerer Lagenstrukturen.
Im Allgemeinen unterstützt Samsung seine Kunden bei der Auswahl der Produkte und Arrow bietet ein Tool für die Suche nach und den Verkauf von Samsung-Produkten.
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AUSWAHLEMPFEHLUNGEN FÜR AUTOMOBIL-MLCCS
ÜBER PRODUKTE VON SAMSUNG ELECTRO-MECHANICS
Mokhtar Marzouk: Application Engineer bei Samsung ELECTRO-MECHANICS seit Juni 2019. Derzeit ist er als Technical and Commercial Development Manager für Passivkomponenten in der Region EMEA tätig. Dazu leitet er die Genehmigungsaktivitäten für größere Automotive Tier1-Kunden in EMEA.
Er verfügt über einen Master-Abschluss in Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnologie der Universität Erlangen-Nürnberg.
Quellen:
[1] Keimasi, M., Azarian, M. H., & Pecht, M. (2007). Isothermal aging effects on flex cracking of multilayer ceramic capacitors with standard and flexible terminations. Microelectronics Reliability, 47(12), 2215‑2225. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2006.12.005
[2] VW 80808-2, Anhang A „Qualification of MLCCs with soft termination
[3] Five trends transforming the Automotive Industry, PWC
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