Ein Weg aus der MLCC-Knappheit: die Polymer-Kondensatoren

Lieferengpässe und leere Lager machen MLCCs zum Sorgenkind der Elektronikbranche. Ein nachhaltiger Ersatz für keramische Chip-Kondensatoren können Polymer-Elektrolyt-Kondensatoren sein.

Der Vielschicht-Keramik-Kondensator MLCC (Multilayer Ceramic Chip Capacitor) ist seit nunmehr 25 Jahren das Rückgrat der Elektronikbranche und gehört zu den meist produzierten, passiven Komponenten überhaupt. Die Argumente für den Nutzen sind eindeutig: extrem hohe Kapazität, schnell und preiswert zu produzieren; die MLCCs punkten aufgrund ihrer Stabilität und robuster Leistung.

Zahlreiche Märkte, darunter insbesondere der Automobil- und Smartphone-Markt ließen die Nachfrage nach MLCCs aber in den letzten Jahren exponentiell steigen. Erschwerend kam hinzu, dass der ohnehin überschaubare Kreis an MLCC-Produzenten statt mit breiten Produktlinien Marktanteile zu gewinnen, eher darauf setzen wollte, höhere Margen zu erreichen und nachhaltiger zu produzieren. Anfang 2017 taten dann Hamstereinkäufe und Mehrfachbestellungen ihr Übriges und es kam zu einem Engpass mit Ansage.

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MLCCs waren damit seit 1996 einer der ersten elektronischen Komponenten, deren Nachfrage nicht mehr bedient werden konnte. Hersteller von alternativen Technologien stießen sowohl bei Entwicklern als auch Hersteller auf taube Ohren. Und damit ist die Frage klar formuliert: Was steht an Technologien zur Verfügung, um das Problem zu lösen? Wenn es darum geht, einen geeigneten Ersatz zu finden, gibt es keine One-size-fits-all-Lösung. Es gibt natürlich direkte Footprint-Kriterien, die definieren was als Ersatz auf das Board passt, aber das ist nur die Spitze des Eisbergs.

Die kritischen Design-Parameter, die berücksichtigt werden müssen, sind Kapazität, Spannung, ESR, Frequenz, Leckstrom, Größe und Qualifikationen. Ein solider Ersatz für Keramik-Chip-Kondensatoren sind Polymer-Elektrolyt-Kondensatoren, die vor allem in Stromversorgungen integrierter elektronischer Schaltungen als Entkopplungs-, Bypass- und Pufferkondensatoren zum Einsatz kommen. Hierbei lässt sich unterscheiden:

• OSCON: Bevorzugt für Anwendungen mit hohen Rippelströmen, hohen Spannungen bei hoher Kapazität und hohe Anforderung gegenüber Kondensator-Kapazität.

• SP-Caps: Ähnlich wie OSCON, aber ein Chip-Typ-Kondensator. Weitere Hauptmerkmale sind ein sehr niedriger ESR. Der einzige Nachteil, der hier zu berücksichtigen ist: die Größenoptionen der Bauteile sind begrenzt.

• Hybrid: Da alle Hybrid-Kondensatoren Automotive-qualifiziert sind, ist dies Ihre Alternative zu MLCCs, wenn Sie sicherheitskritische Anwendungen adressieren.

• POSCAP: Polymer-Tantalum-Kondensator in minimalster Bauform. Sie können ein bisschen schwierig sein, aber sie haben viele Größenvariationen – beginnend mit 2-mm-Bauform (A-Bauform Fallgröße).

Bild 1 zeigt tabellarisch eine Übersicht verschiedener Kondensatortypen – Elektrolyt-Kondensator, OSCON, SP-Cap, POS-Cap, Folien-Kondensator und Keramik-Vielschicht-Chip-Kondensator (MLCC) – mit ihren jeweiligen Leistungseigenschaften. Welcher Kondensatortyp (MLCC, Aluminium-Elektrolyt, Polymer oder Tantal) für eine bestimmte Konstruktion am besten geeignet ist, hängt in der Regel von der Anwendung ab. Grundsätzlich lassen sich bei den hier aufgeführten Typen jedoch folgende Unterschiede feststellen:

Elektrolyt-Kondensatoren bieten die größte Kapazität, leiden bei höheren Temperaturen und Frequenzen aber unter einer signifikanten Verschlechterung der Kapazität und des Ableitstroms. Keramik-Kondensatoren weisen aufgrund ihrer sehr niedrigen ESR- und ESL-Werte ein hervorragendes Einschwingverhalten auf, bieten dafür jedoch eine geringere Kapazität. Sie können bei sehr hohen Welligkeitsströmen betrieben werden. Polymer-Kondensatoren werden hauptsächlich in Stromversorgungen integrierter elektronischer Schaltungen, insbesondere für Geräte mit flacher oder kompakter Bauform als Puffer-, Ableit- und Entkoppel-Kondensatoren eingesetzt. Damit stehen sie in Konkurrenz zu MLCCs, bieten aber höhere Kapazitätswerte als diese und weisen keinen Mikrofonie-Effekt auf (wie beispielsweise die Keramik-Kondensatoren der Klasse 2 und der Klasse 3).

Hier kommt der Polymer-Kondensator ins Spiel. Panasonic ist ein führender Hersteller von Polymer-Aluminium-Feststoffkondensatoren (SP-Caps und OSCONs, POSCAP bzw. Tantal-Polymerkondensator) sowie hybrider Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensator-Technologien) und verfügt über die längste Design-in-Kompetenz und -Erfahrung auf dem Markt. Hochleitfähige Polymer-Feststoff-Kondensatoren, nachfolgend kurz als Polymer-Kondensatoren bezeichnet, werden in immer mehr Anwendungen eingesetzt. Polymer-Kondensatoren zeichnen sich (ebenso wie herkömmliche Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren) durch große Kapazität und hervorragende Vorspannungseigenschaften aus, mit denen Keramik-Vielschicht-Chip-Kondensatoren niemals mithalten können.

Darüber hinaus haben Polymer-Kondensatoren extrem niedrige ESR-Werte. Was die ESL-Eigenschaften betrifft, die durch die interne Struktur und die Anschlusskonfiguration der Kondensatoren bestimmt werden, weisen die Polymer-Kondensatoren aufgrund struktureller Verbesserungen niedrige ESL-Werte auf. Auch in Bezug auf das Austrocknen des Elektrolyts während der Nutzungsdauer und die Veränderung der Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen bieten die Polymer-Kondensatoren heute dank der Verwendung fester Polymer-Materialien ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und hervorragende Tieftemperatureigenschaften.

Polymer-Kondensatoren als Alternative zu MLCCs

Insbesondere die SP-CAPs und POS-CAPs sind mit ihrem kleinen Format die ideale Ersatzlösung für die MLCC-Thematik. Bei näherer Betrachtung lassen sich einige bedeutende Unterschiede zwischen den Eigenschaften dieser verschiedenen Technologien erkennen.

Betrachten wir die stabile Kapazität. Das Bild 2 zeigt die Veränderung der Kapazität über einen großen Frequenzbereich bei verschiedenen Technologien. Hierbei wird deutlich, dass Polymer-Kondensatoren eine sehr ähnliche Charakteristik aufweisen wie Keramik-Vielschicht-Chip-Kondensatoren.

Kapazitätsdichte/Stabilität und DC-Vorspannung

Angesichts der Ergebnisse in Bild 2 stellt sich die Frage: Warum auf die Polymer-Technologie umsteigen? Die Antwort lautet: Ein MLCC kann bei gleicher Grundfläche und gleichem Volumen nicht dieselbe hohe Kapazität erreichen wie ein Polymer-Kondensator. Außerdem ist die Kapazität des MLCC aufgrund der Verwendung ferroelektrischer Dielektrika stark von der DC-Vorspannung abhängig. Hochkapazitive Keramik-Vielschicht-Chip-Kondensatoren weisen eine Eigenschaft auf, die viele Elektronik-Designer nur schwer einordnen können. Die Kapazität dieser Geräte variiert mit der angelegten Gleichspannung, was zu einem Kapazitätsabfall von mehr als 70% gegenüber den im Datenblatt angegebenen Spezifikationen führen kann. Bei Polymer-Kondensatoren variiert die Kapazität nicht wesentlich, wenn sich die Anwendungsspannung ändert.

Dank dieser Vorteile werden von SP-CAPs oder POSCAPs erheblich geringere Stückzahlen benötigt als von MLCCs. Das spart nicht nur Platz auf der Leiterplatte, sondern ist auch ein Kostenfaktor, da Teilekosten und Produktionsschritte eingespart werden.

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