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Entwicklungstrends bei Keramik-Kondensatoren - Im Kondensator-Bereich viel Neues

Erstellt von Jürgen Geier, Technical Support, und Pascal Kundelius, Product Sales Manager Ceramic Capacitors, beide bei Rutronik |

Anforderungen an Keramik-Kondensatoren gibt es viele: kleinere Bauformen und größerer Temperaturbereich, höhere Effizienz, engere Toleranzen, optimierte Funktionen und höhere Frequenzen, dazu kommt der Wunsch nach applikations- bzw. anwendungsspezifischen Varianten. Die Hersteller tun viel, um all dies zu erfüllen.

Wir stellen die neuesten Highlights vor.

Um ihre Keramik-Kondensatoren immer weiter zu optimieren, entwickeln die Hersteller neue Materialien und Mixturen sowie neue Ansätze für den Aufbau, die Konstruktion und die Innenstruktur, d.h. die Elektrodenflächenbildung. Zudem nutzen sie gezielt bestimmte Eigenschaften, z.B. den im Allgemeinen als negativ beurteilten Effekt des DC-Bias. Er tritt bei ferromagnetischen Keramik-Materialien wie Bariumtitanat auf, dem derzeit am häufigsten verwendeten Material bei MLCCs (MultiLayer Ceramic Capacitors).

Neben den bekannteren Varianten, wie HighFrequency-, HiQ-, RF-, Microwave-, LowInductance- und LowLoss-Kondensatoren, ist in letzter Zeit eine Reihe spezifischer und neuer Keramik-Kondensatoren auf den Markt gekommen, die noch kaum bekannt sind – bei der aktuellen Flut an Neuentwicklungen nicht weiter verwunderlich. Einige stellen wir hier mit ihren wichtigsten Besonderheiten vor.

 

Variable Kapazität dank DC-Bias 

Die „Variable Capacitors“ bieten eine variierbare Kapazität. Durch Nutzung ihres DC-Bias-Verhaltens reduziert sich die wirksame Kapazität, wenn an ihren Steuerelektroden eine Gleichspannung angelegt wird. Man könnte sie somit auch VACs – für Voltage Adjustable Capacitors – nennen.

Diese elektrisch trimmbaren Kondensatoren sind erhältlich in Nennkapazitäten von 33 pF bis 200 pF für Steuerspannungen bis 3 oder 5 Vdc. Damit lassen sie sich bis auf 50% ihrer Ausgangskapazität regeln. Verglichen mit regulären Trimm-Kondensatoren eröffnen sie damit ungeahnte Möglichkeiten – vor allem, weil sich bei ihnen nicht nur ein fixer Wert einstellen lässt, sondern Regelkreise gebildet werden können.

Sie sind in den Baugrößen 0,6 mm x 0,6 mm und 1,3 mm x 0,9 mm und für eine Arbeitsspannung von 10 Vpp und 30 Vpp erhältlich. Besonders prädestinierte Anwendungen sind NFC-Antennenkreise (13,56 MHz-Band), z.B. in Smartphones und Scheckkarten. Denn hier ermöglichen die variablen Kondensatoren die Frequenzanpassung einfach durch Anlegen der entsprechenden Spannung im Zusammenspiel mit den NFC-ICs. Zudem kompensieren sie die Varianz des Antennen-L-Wertes und erleichtern so die f0-Einstellung, sie vereinfachen das Debugging bei Zertifizierungstests und die Abweichungsanpassung beim Einbau ins Gehäuse.

 

Silizium in der dritten Dimension

Für die „High-Density-Silizium“- oder „3D-Silizium“-Kondensatoren nutzen Hersteller die dritte Dimension, um die Kondensatorfläche – und damit die Kapazität – deutlich zu vergrößern, ohne die Grundfläche des Kondensators zu erhöhen. So erreichen sie Kapazitätswerte, die bei MLCCs rund 80 Schichten bei einer Bauteildicke von 100 µm erfordern würden.

Beispielsweise bietet der Murata SiCap mit einer Baugröße von 0402 und einer Dicke von nur 100 μm ganze 100 nF – und damit so viel wie zehn Klasse1-Dielektrikum-C0G der Baugröße 0603 und 400 μm Dicke. Auf Anfrage sind bei Murata auch noch dünnere Varianten erhältlich. Kapazitätswerte gibt es im Bereich zwischen einigen pF bis wenige µF, die Spannungen reichen von 5 bis 450 V.

Aufgrund ihrer Material- und Bau-Eigenschaften eignen sich die High-Density-Silizium-Kondensatoren besonders für High-Frequency-Anwendungen von 10 bis hinauf zu 110 GHz. Ihre elektrischen Charakteristika ähneln der bekannten sogenannten Keramik-Art NP0 (=C0G). Im Gegensatz zu den C0G-MLCC sind sie jedoch schon als Standardversionen bis +150°C einsetzbar, als HighTemperature-Versionen sogar bis +250°C.

Dank ihres Aufbaus und Dicken von nur 50-400 µm gibt es sie nicht nur zum Löten, sondern auch zum Bonden und für die Embedded-Montage. Damit stehen für Automotive-, Medizin-, RFID-, Hochfrequenz- und Breitband-Applikationen jeweils ideale Varianten zur Verfügung, unterteilt in Standard-, High-Reliability-, High-Temperature- und High-Frequency-Modelle.

 

Kondensatoren mit anti-ferromagnetischem Verhalten

Kommen Keramik-Kondensatoren als Snubber oder DC-Link im Bereich zwischen ca. 500 V und 900 V für Einsatzfrequenzen von einigen 100 kHz bis 1 MHz zum Einsatz, stößt man mit MLCCs in X7R-Keramiken, d.h. mit dem ferromagnetischen Bariumtitanat als Basismaterial, häufig an die Grenzen der Umsetzbarkeit. Wegen ihres ausgeprägten negativen DC-Bias-Verhaltens sind vor allem die erforderlichen wirksamen Kapazitätswerte kaum zu erreichen.

Ein anti-ferromagnetisches Verhalten weisen die sogenannten „CeraLink®-Kondensatoren“ von TDK auf. Das heißt: Sie zeigen in weiten Bereichen einen Anstieg der Kapazität über der angelegten Spannung. Damit erlauben sie im Betriebsbereich wesentlich höhere Ströme. Möglich wird das durch ihren Aufbau aus dem „Keramik“ genannten Blei-(Lanthanum)-Zirconate-Titanat (P(L)ZT).

Dank ihres extrem niedrigen ESL und ESR unterstützen CeraLink-Kondensatoren höhere Schaltfrequenzen und Ströme. Dadurch lassen sich kostengünstigere und robustere Halbleiter einsetzen, z.B. High-Speed-IGBTs anstelle von MOSFETs. Mit einer solchen Lösung können oft Kondensatorwert, Platinenplatz, Magnetik und Kühlkörper und damit auch die Gesamtkosten deutlich reduziert werden.

Als Snubber reduzieren die CeraLink-Kondensatoren hervorragend das Risiko, dass Halbleiter durch Überspannungsspitzen beschädigt werden.

Die CeraLink-Kondensatoren basieren auf Chips (7,85 mm x 6,84 mm x 2,65 mm), aus denen der Hersteller verschiedene Anschluss- und Mehrfach-Kombinationen zusammenstellt.

 

Wiederaufladbare Festkörper-SMD-Batterie mit MLCC-Aufbau

Die weltweit erste wiederaufladbare Festkörper-SMD-Batterie ist zwar kein Kondensator, aber aus dessen Konstruktionsgrundlagen, dem Aufbau als MLCC, entstanden. Die so genannten CeraCharge™-Batterien bieten rund 1000-fach höhere Kapazitäten als MLCCs bei gleicher Baugröße. Das heißt, sie haben eine vergleichsweise hohe Energiedichte bei kleinstem Volumen. Dazu kommen die Vorteile keramischer Mehrschichtbauteile: hohe Sicherheit und Großserienfertigung. Durch die Verwendung eines festen, keramischen Elektrolyten sind die Risiken von Feuer und Explosion oder das Auslaufen von Elektrolyt ausgeschlossen.

CeraCharge deckt einen sehr weiten Temperaturbereich von -20 °C bis +80 °C ab und eignet sich damit auch für den Außeneinsatz.

Mit diesen Eigenschaften eröffnet CeraCharge neue Möglichkeiten, insbesondere für IoT-Anwendungen, Real-Time-Clock-Stützungen und Energy-Harvesting. Sind höhere Ströme und / oder Spannungen erforderlich, lassen sich diese durch Parallel- und / oder Serien-Schaltungen erzielen.

Aktuell steht die CeraCharge in der Baugröße nach EIA 1812 (ca. 4,5 mm x 3,2 mm x 1,1 mm) zur Verfügung und bietet eine Nenn-Kapazität von 100 µAh und eine Nominal-Spannung von 1,5 V.

 

Fazit

Auch wenn es neben den hier vorgestellten Typen noch viele weitere, optimierte Keramikkondensatoren gibt, etwa MLCCs mit Kupfer-Innen-Elektroden oder mit End-Terminierungen zum Leitkleben oder sogenannte „X2Y“-Versionen, zeigen schon die hier vorgestellten: Es lohnt sich, bei besonderen Anforderungen öfter einmal über den Tellerrand hinauszublicken. So verliert man bei dem rasanten Entwicklungstempo nicht den Anschluss und kann vielleicht sogar mit neuen Produkt- und Geräte-Kreationen zum Trendsetter werden. 

 


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Substitute circuit diagram for variable capacitors (Image source: Murata)
Substitute circuit diagram for variable capacitors (Image source: Murata)