Der Bedarf an Mehrschicht-Keramikkondensatoren (Multi-Layer Ceramic Capacitor, MLCC) ist in den letzten Jahren immens gestiegen: In jedem Smartphone finden sich heute durchschnittlich 750 bis 1000 MLCCs, in einem Auto sogar 3000 - mit stark steigender Tendenz. So ist etwa bei Murata die Nachfrage nach MLCCs in den letzten vier Jahren um den Faktor 2,5 gestiegen. Viele Hersteller bauen ihre Fertigungskapazitäten stetig aus, doch sie können allein damit den weiter wachsenden Bedarf nicht decken.
Abhilfe schafft Downsizing. Denn kleinere Bauformen erlauben einen erheblich höheren Mengenausstoß als größere. Im Vergleich zu MLCCs der Größe 1210 lassen sich aus demselben Wafer rein von der Fläche her rund 16 Mal so viele 0402- und 44 Mal so viele 0201-MLCCs gewinnen. Volumentechnisch steigt der Mengenausstoß in der Produktion sogar um den Faktor 80 (0402) bzw. 400 (0201) (Bild 1).
Deshalb empfiehlt es sich, MLCCs in kleineren Bauformen zu nutzen, wenn die geforderten Wertekombinationen verfügbar sind. Dies gilt insbesondere bei Neuentwicklungen, aber auch bei Redesigns. So verbleiben wertvolle Fertigungskapazitäten für hochkapazitive MLCCs, die in kleineren Bauformen nicht möglich sind, und werden nicht mehr als unbedingt nötig durch Teile blockiert, die auch kleiner verfügbar sind.
Downsizing bringt weitere Vorteile
Vom Downsizing der Komponenten profitieren aber auch andere Bereiche. Denn die kleineren Bauteile ermöglichen Kostensenkungen über den niedrigeren Bauteilepreis hinaus, etwa durch geringeren PCB-Platzbedarf und weniger Gewicht, geringere Lotmengen und vor allem auch weniger Lagerplatz (Bild 2).
Um das Potenzial voll auszuschöpfen, gilt es allerdings einige Aspekte zu beachten. Das beginnt damit, nicht einfach auf bestehende Wertekombinationen zurückzugreifen, sondern sich an den tatsächlichen Erfordernissen der Applikation und letztlich sogar an der Funktion der MLCCs zu orientieren. Dies gilt insbesondere für die Kapazitäts- und Spannungswerte, aber auch für erforderliche Temperaturen und Impedanz/ESR-Werte. Hinzu kommt der DC-Bias, vor allem bei sogenannten HiCaps, d.h. Kondensatoren mit Kapazitätswerten im µF-Bereich. DC-Bias ist ein Effekt, der die Kapazität der MLCCs in Abhängigkeit von der angelegten Gleichspannung absinken lässt. Das heißt, es ist darauf zu achten, dass ein bestimmter C-Wert im Betrieb nicht unterschritten wird.
Bei MLCCs mit geringer Kapazität, etwa Entstörkondensatoren im Bereich 100 nF bei 16 V, unterscheidet sich die Impedanzkurve bei den Bauformen 0603, 0402 und 0201 kaum. Im Allgemeinen verbessern sich die Impedanzeigenschaften, je kleiner die Bauform ist (Bild 3).
Bei hochkapazitiven MLCCs, etwa Pufferkondensatoren im Bereich einiger µF, zeigt sich bei kleinerer Bauform ein ähnlicher weiterer Kapazitätsverlauf über der Temperatur, aber ein ausgeprägteres DC-Bias (Bild 4).
Verwendet man höhere Nominal-Kapazitätswerte, erreicht man aber durchaus sogar höhere tatsächliche (verbleibende) Kapazitätswerte unter realen Betriebsbedingungen (Bild 5).
Bei Kondensatoren in Keramikausführung, etwa mit 100 pF und 50 V, zeigt sich, dass die elektrischen Eigenschaften der Größen 0603 und 0201 nahezu identisch sind.
Interessante Alternativen
Im Allgemeinen sind Keramik-MLCCs von Vorteil, wenn die ESR-Werte von besonderer Bedeutung sind und höhere Betriebsfrequenzen vorliegen. Der kostengünstige 1:1-Austausch von Keramik gegen Tantal äquivalenter Baugröße ist nur bei Kapazitäten bis zu 2,2 µF sinnvoll. Darüber hinaus eröffnen sich im Bereich von Kapazitätswerten ab ca. 10 µF weitere Optionen, um die Verfügbarkeit zu verbessern. Dies geschieht am besten durch einen Austausch, also den Einsatz anderer Technologien. Hier bieten sich neben Polymer-Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren insbesondere die Polymer-Tantal-Kondensatoren an. Dabei bedarf es jedoch einiger Überlegungen und Abstimmungen - insbesondere, ob funktional die Kapazität oder der (bei den Keramikausführungen bessere) ESR-Wert bzw. die Stromtragfähigkeit (Ripple) im Vordergrund stehen.
Rutronik bietet beim MLCC-Ersatz einen dezidierten Service mit umfangreichem Material und Hilfsmitteln, z.B. sogar einen Vergleich der Auslegung der Solder-Pads. Weiterhin erhält der Anwender ein "MLCC Replacement Sheet", in das er seine Anforderungen hinsichtlich der MLCC-Specs (nominale Spannung, Kapazität, Baugröße und -höhe, Temperatur-Charakteristik etc.) und seiner Applikation (Arbeitsspannung der Kondensatoren, Anzahl der parallel geschalteten MLCCs, Ripple-Strom, ESR-Wert, Betriebsfrequenz) detailliert eintragen kann.
Um weitere Alternativen für MLCCs zu betrachten, sind die real wirkenden minimalen Kapazitätswerte, die spezifischen Betriebsbedingungen wie DC-Bias, Temperatur-Drift und Aging ausschlaggebend. Werden sie berücksichtigt, ist die Chance groß, ein Replacement zu finden, das die Anforderungen der Anwendung mindestens genauso gut erfüllt.
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