Verbesserungen beim Kondensator-Design

Die Nachfrage nach Kondensatoren, die in der Lage sind, bis zu 200 °C zuverlässig zu funktionieren, war bisher auf spezielle Branchen wie die Verteidigungs- oder Bohrtechnik beschränkt. Verschiedene Kondensatortechniken kommen hier zum Einsatz, unter anderem Tantalkondensatoren mit flüssigen Schwefelsäure-Elektrolyten. Diese eignen sich nicht für weitverbreitete Konsumgüter-Anwendungen. Obwohl Tantalkondensatoren mit sicherem Festelektrolyt in SMD-Gehäusen entwickelt wurden, die für einen Betrieb bis zu 200 °C ausgelegt sind, sind sie mit Nennspannungen von 10 bis 35 V und im EIA-Gehäuse 7343 erhältlich, womit sie sich vornehmlich als Ladekondensatoren eignen.

Mehrschicht-Keramik-Chipkondensatoren (MLCCs) wurden für die Bohrtechnik entwickelt. Die Innenelektroden aus Edelmetall halten Temperaturen von 260 °C oder mehr Stand. Aus Kostengründen ist jedoch die Edelmetalltechnologie in Konsum- oder Serienanwendungen nicht erwünscht.

Bildergalerie

KEMET bietet MLCCs an, die für einen Betrieb bis 200 °C ausgelegt sind und ein C0G-Dielektrikum sowie Nickel-Basismetallelektroden (BME; Base Metal Electrode) besitzen. Sie sind eine kostengünstige Alternative in Spannungsbereichen von 200, 500 und 2000 V, um die Anforderungen in der Tiefbohrtechnik zu erfüllen. Diese MLCCs weisen einen niedrigen Leckstrom, geringen Verlustfaktor, niedrige ESR- und ESL-Werte sowie eine relativ lange Lebensdauer bei Temperaturen bis zu 300 °C auf. Darüber hinaus ändert sich die effektive Kapazität über die Temperatur oder angelegte Spannung nur sehr wenig, wodurch eine stabile Kapazität und hohe Zuverlässigkeit bei anhaltend hohen Betriebstemperaturen gewährleistet ist.

Bild 1 zeigt einen Vergleich zwischen einem Nickel-BME-C0G-SMD-Kondensator (33 nF, EIA 2824) und einem X7R-Radialkondensator (10 nF, 500 VDC) mit Edelmetall-Elektroden bei Übertemperatur mit einer kontinuierlichen Vorspannung von 500 VDC. Wird Spannung angelegt, sinkt die Kapazität des X7R-Kondensators um 25% seines Nennwerts. Bei 200 °C liegt die Kapazität mehr als die Hälfte unter dem Nennwert. Im Gegensatz dazu zeigt der BME-MLCC-C0G-Kondensator eine minimale Kapazitätsänderung über den gesamten Temperaturbereich.

Zusätzlich zur Hochtemperaturtauglichkeit und stabilen Kapazität können BME-MLCCs auch so ausgelegt werden, dass sie den Kapazitätsverlust und die Gefahr eines Bauteilausfalls aufgrund von Rissen der MLCC-Schichten minimieren, sobald sich die Leiterplatte bzw. das Substrat verbiegt. In Anwendungen, in denen der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) zwischen dem Kondensator und dem Leiterplattensubstrat hoch ist, können mit Anschlussdrähten ausgestattete oder gestapelte Kondensatoren größere Biegebelastungen oder mechanische Spannungen tolerieren.

Transientes Flüssigphasen-Sintern

Im TLPS-Prozess (Transient Liquid-Phase Sintering) reagiert eine Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt mit einer Legierung, die einen höheren Schmelzpunkt aufweist, um eine metallurgische Verbindung zwischen zwei Oberflächen zu bilden. KEMET verwendet zwei TLPS-Prozesse für die Fertigung von Hochtemperatur-Kondensatorgehäusen seiner KONNEKT-Reihe. Eines der TLPS-Verfahren basiert auf Kupfer-Zinn-Legierungen (CuSn), erreicht eine maximale Sintertemperatur von 300 °C für 30 s und wird für das Bonding der Anschlussdrähte radialer und axialer beschichteter MLCCs verwendet. Im Vergleich zu Kondensatoren mit herkömmlich gelöteten oder geschweißten Anschlussdrähten bieten die CuSn-TLPS-Verbindungen eine hohe Scherfestigkeit bei der Over-Moulding-Temperatur von 275 °C, wohingegen die gelöteten und geschweißten Verbindungen eine minimale Scherfestigkeit zeigten. Ein alternatives Verfahren auf der Basis von Indium-Silber-Legierungen (InAg) wurde ebenfalls entwickelt, das die Versprödung größerer Bauelemente wie gestapelten MLCCs verringert. Dadurch ermöglicht diese Technik eine hohe Leistungsdichte durch die Kombination mehrerer Bauteile in einem einzigen SMD-Gehäuse.

* Reggie Phillips Senior Global Product Manager bei KEMET Electronics, Simpsonville, South Carolina/USA.

(ID:45723288)