Dank Prozessoptimierungen und Materialweiterentwicklungen können heutige Keramikkondensatoren in hochfrequenten Umgebungen mit hohen Temperaturen und Transienten eingesetzt werden. Diese Keramikkondensatoren können große Mengen an Ladung in kleineren Paketen bewältigen und bieten Designtechnikern die Möglichkeit, höhere Leistungsstufen durch effizientere Kondensatoren zu erzielen.
Keramikkondensatoren sind auf einen festen Wert eingestellt und bestehen aus dielektrischem Keramikmaterial. Der gängigste Typ ist der mehrschichtige Keramikkondensator zur Oberflächenbefestigung. Durchsteck- und leitungsfreie Mikrowellen-Keramikkondensatoren werden ebenfalls in einigen Anwendungen verwendet. Die Zusammensetzung des Keramikmaterials ist für das elektrische Verhalten und damit die Anwendungen ausschlaggebend.
Da heutige elektronische Geräte bei höheren Frequenzen betrieben werden müssen, haben Kondensatorhersteller die Keramikmaterialien dahingehend optimiert, dass sie einem längeren Betrieb bei höheren Frequenzen standhalten.
So bietet die AVX Corp. beispielsweise die GXOS-Serie an Ultrabreitbandkondensatoren (Abbildung 1) an, die eine DB-Sperrung von 16 kHz bis 40 GHz ermöglichen. Die Kondensatoren werden auf Streifenleitungen mit einer Breite von unter 20 Millimetern befestigt. Die Kondensatoren sind auf 0,1 Mikrofarad bei einer Nennspannung von 6,3 VDC bei 85 °C ausgelegt.
Abbildung 1: Die AVX GXOS-Serie an Ultrabreitbandkondensatoren. (Quelle: AVX Corporation)
Die Reduzierung von piezoelektrischem Rauschen ist ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt von Kondensatorherstellern. Keramikkondensatoren mit abgeschwächtem piezoelektrischen Rauschen bewirken eine geringere Rauschentwicklung im DV/DT-Schaltkreis. Die KEMET Electronics Corp. brachte vor Kurzem den nach eigenen Angaben weltweit ersten auf 250 V ausgelegten Kondensator im Gehäuseformat 0402 mit bis zu 330 Picofarad auf den Markt. In den Kondensatoren wird ein Material zur Reduzierung des piezoelektrischen Rauschens eingesetzt, welches für eine hohe thermische Stabilität ohne zeitabhängige Kapazitätsverzögerungen sorgt.
Der Trend zur Miniaturisierung bei Keramikkondensatoren setzt sich weiter fort. Ron Demcko von AVX zufolge werden Keramikmaterialien weiter auf einen stabilen Betrieb unabhängig von der Temperatur hin optimiert, sodass sie hohen Spannungslasten standhalten und dünnere dielektrische Schichten verwendet werden können.
Murata gelang mithilfe von Präzisionsverarbeitungstechnologie die Entwicklung eines der kompaktesten Gehäuseformate auf dem Markt, dem 008004, welches lediglich 0,25 x 0,125 mm misst (Abbildung 2). Zur Befestigung dieser Kondensatoren wird eine Fläche von ca. der Hälfte des bislang kleinsten 01005-Gehäuses (0,4 x 0,2 mm) benötigt.
Abbildung 2: Kondensatoren im Gehäuseformat 008004 von Murata (Quelle: Murata Americas)
Murata konnte mithilfe dieser Technologie zudem mehr Kapazität in branchenüblichen Standardgehäuseformaten unterbringen. Das Unternehmen bietet jetzt 2,2-Mikrofarad-Kondensatoren im 0201-Gehäuse (0,6096 x und 0,3048 mm) und 22-Mikrofarad-Kondensatoren im 0402-Gehäuse (0,9906 x 0,508) an.
Betrieb bei hohen Temperaturen
Kennzeichnend für neue Keramikkondensatoren ist ebenfalls ihre hohe Temperaturbeständigkeit. So halten die MLCCs der AT-Serie von ATX einem längeren Betrieb bei 250 °C sowohl bei militärischen als auch kommerziellen Anwendungen stand. Die Kondensatoren werden in Kapazitäten zwischen 100 pF und 1 Mikrofarad bei Toleranzen von +/- 5, 10 oder 20 Prozent angeboten.
KMET hat zudem viel Arbeit in die Entwicklung von C0G (NP0) and X7R-Formeln zur Herstellung von Keramikkondensatoren investiert, welche bei Temperaturen über 150 °C und Spannungen über 200 V betrieben werden können, so Scott Carson, Manager für Produktmarketing.
Carson zufolge hat KEMET personalisierte dielektrische Formeln entwickelt, welche eine hohe Zuverlässigkeit bei steigenden Temperaturen bieten, verbesserte Rohmaterialien von ultrahoher Reinheit mit kleineren Partikelgrößen von hoher Kristallinität sowie eine optimierte Methode für Dispersionen und Pulver zum Mahlen zur Herstellung der Keramik- und Elektrodenschichten entwickelt und die Technologie zum Stapeln und Laminieren dünnerer Schichten verfeinert.
Kondensatoren müssen beim Löten und der Platinenzusammensetzung hohen Temperaturen standhalten. Infolgedessen ergab sich auch ein Bedarf an Kondensatoren, welche dem Biegen von Platinen standhalten können. So bietet AVX beispielsweise eine FlexiTerm™-Anschlussoption an, mit der einige MLCCs Platinenbiegungen von bis zu 5 mm ohne Ausfälle überstehen.
In ähnlicher Weise verfügen die Kondensatoren für Automobile der Serie VJ ….31X (Abbildung 3) von Vishay Intertechnology über flexible Polymeranschlüsse zum zusätzlichen Schutz vor Schäden durch Biegungen von Platinen. Diese Kondensatoren sind mit C0G (NP0)-, X7R- und X8-Beschichtung verfügbar.
Abbildung 3: Kondensatoren für Automobile der Serie VJ ….31X von Vishay. Quelle: Vishay Intertechnology)
Durchsteck-Kondensatoren
Auch wenn die meisten Fortschritte bei den Keramikkondensatoren zur Oberflächenbefestigung erzielt wurden, so wurden einige dieser Errungenschaften auch auf Durchsteck-Kondensatoren übertragen. Frank Yang, Anwendungstechniker bei Murata Americas zufolge bleibt ein gewisser Bedarf an Durchsteckkondensatoren bestehen, so zum Beispiel in Umgebungen mit hohen Vibrationen, Schweißarbeiten, personalisierten Leitungsformungen oder solchen Umgebungen, in denen PC-Platinen nicht praktikabel sind.
Aus diesem Grund hat Murata die RCE-Serie axial bedrahteter monolithischer Keramikkondensatoren für fahrzeugtechnische Anwendungen herausgegeben. Diese Kondensatoren erfüllen die fahrzeugtechnischen Anforderungen gemäß AEC-Q200 und die Überspannungsanforderungen gemäß ISO7637-2. Die Geräte weisen einen Kapazitätsbereich zwischen 1,0 Picofarad und 22 Mikrofarad und eine Nennspannung zwischen 25 V und 1 kV auf.
KEMET hat die Animax-Reihe an Hochtemperatur-Axialkondensatoren (Abbildung 4) mit den gleichen integrierten Technologien wie in den dielektrischen Plattformen X8L und X8 zur Oberflächenbefestigung von KEMET erweitert. Die Kondensatoren wurden für Umgebungen mit hohen Vibrationen entwickelt und halten Temperaturen bis zu 150 °C stand. Die Kapazitätswerte betragen bis zu 2,2 Mikrofarad und die Spannungswerte bis zu 50 V.
Abbildung 4: Animax-Hochtemperatur-Axialkondensatoren von KEMET. (Quelle: KEMET Electronics Corp.)
Die Animax-Kondensatoren werden zum Entkoppeln, Umgehen und Filtern in Umgebungen wie in der Ölförderung, dem Automobil-, Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtsektor eingesetzt.
Beständige Marktnachfrage
Wie andere Komponentenbereiche ist auch der Markt für Keramikkondensatoren vor wirschaftlichem Abschwung und globalen Ereignissen mit Auswirkungen auf die Lieferkette nicht geschützt. Das Erdbeben im japanischen Tohoku vor vier Jahren hatte Auswirkungen auf die Versorgung mit Bariumtitanat und anderen Titanatmaterialien für die Herstellung von Keramikkondenatoren und führte dazu, dass OEMs ihre Vorräte an Keramikkondensatoren auffüllten. Dies führte im Endeffekt zu einer Überversorgung.
Nach aktuellen Berichten aus der Marktforschung ist aufgrund der Verwendung in Smartphones und Mobilgeräten, TVs und Computern von einem wachsenden Markt für Keramikkondensatoren auszugehen. Bei Kondensatoren ist schon seit Langem ein Preisverfall zu spüren, dieser betrifft insbesondere mehrschichtige Keramik-Chip-Kondensatoren (MLCCs). Besonders gilt dies für Komponenten mit hohen CV-Werten, weiß Mark Obuszewski, Worldwide Business/Marketing Manager bei AVX.
Der Preisverfall konnte Frank Yang von Murata zufolge durch die hohe Nachfrage vor allem in der Automobil- und Smartphone-Branche abgebremst werden. Kondensatorhersteller gehen davon aus, dass die Hauptanbieter am Markt in absehbarer Zukunft die gleichen bleiben werden.
„Wir erwarten keine nennenswerte Konsolidierung bei den Keramikherstellern“, so Mark Obuszewski von AVX. „Möglicherweise werden einige kleinere Hersteller aufgekauft, aber wir gehen nicht davon aus, dass sich der Markt hierdurch grundlegend verändert.“