Was ist ein monolithischer Keramikkondensator?
Monolithische Keramikkondensatoren, auch bekannt als MLCC (Multi-Layer Ceramic Capacitors), sind Kondensatoren in Chip-Bauweise mit mehreren Schichten von Innenelektroden und dielektrischen Schichten. In der Kondensatorindustrie wird eine weitere Entwicklung erwartet, bei der die Miniaturisierung und die Kapazität zunehmen.
Als Dielektrikum werden hauptsächlich Bariumtitanat und Titanoxid verwendet, wobei die Innenelektrode und das Dielektrikum in mehreren Schichten aufgebaut sind. Durch die Erhöhung der Anzahl der Schichten kann die Kapazität gesteigert werden, was zu einer Miniaturisierung der MLCCs führt.
Die neuesten gängigen Größen von MLCCs sind 0603 (0,6×0,3 mm) und 0402 (0,4×0,2 mm). Für einige Kapazitätswerte wurde bereits die nächste Generation der Größe 0201 realisiert, die sich jedoch aufgrund von Handhabungsproblemen noch nicht auf dem Markt durchgesetzt hat.
Monolithische Keramikkondensatoren gibt es in Chip- und Radialbauweise. Im Vergleich zu anderen Kondensatoren haben sie eine niedrige Hochfrequenzimpedanz und einen niedrigen ESR (äquivalenter Serienwiderstand) und zeichnen sich durch gute Hochfrequenzeigenschaften aus.
Arten von Monolithischen Keramikkondensatoren
Monolithische Keramikkondensatoren sind mit einer Vielzahl von Merkmalen erhältlich, aber bei der Entscheidung, welcher Typ für eine bestimmte Anwendung in Frage kommt, müssen die Größe (Größe), die Spannungsfestigkeit und die Temperatureigenschaften berücksichtigt werden. Monolithische Keramikkondensatoren lassen sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften grob in Klasse 1 und Klasse 2 einteilen.
1. Klasse 1
Kondensatoren der Klasse 1 werden auch als temperaturkompensierte Kondensatoren bezeichnet und können relativ leicht kompensiert werden, da sie einen extrem niedrigen ESR-Wert haben und ihre Kapazität nicht stark mit der Temperatur schwankt und die Schwankungen linear sind.
Allerdings ist die Kapazität meist klein und liegt zwischen 1 pF und 1 µF. Sie werden hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt, bei denen Kapazitätsänderungen unerwünscht sind, wie z. B. in Oszillatorschaltungen und Schaltungen mit Zeitkonstanten.
2. Klasse 2
Klasse 2 wird auch als ferroelektrischer Typ bezeichnet und besteht hauptsächlich aus Bariumtitanat, das auch bei kleinen Abmessungen eine große Kapazität von etwa 100 µF bietet. Bei ihrer Verwendung sind jedoch viele Punkte zu beachten, wie z. B. ein großer ESR, große Temperaturschwankungen bei der Kapazität und eine Abnahme der tatsächlichen Kapazität, wenn eine Gleichstromvorspannung angelegt wird.
Daher müssen bei der Verwendung von Monolithischen Keramikkondensatoren der Klasse 2 beim Schaltungsentwurf deren Eigenschaften berücksichtigt werden. Die wichtigsten Anwendungen sind Schaltungen, bei denen eine geringe Kapazitätsänderung kaum Auswirkungen hat, wie z. B. Glättungsstromquellen und Entkopplungskondensatoren.
Anwendungen von monolithischen Keramikkondensatoren
Monolithische Keramikkondensatoren haben ein breites Anwendungsspektrum, da ihre Leistung je nach Anzahl der Lagen gewählt werden kann und die Palette breit gefächert ist. Monolithische Keramikkondensatoren werden in Mobiltelefonen, Fernsehgeräten und Industrieanlagen zur Entkopplung, Kopplung und Glättung von Schaltungen, in DC/DC-Wandlern, in Computernetzteilen und zur Rauschunterdrückung eingesetzt.
Für Anwendungen in der Automobilindustrie werden langlebige, ausfallsichere Produkte gewählt. In Industrieanlagen werden häufig kompakte Kondensatoren mit hoher Kapazität verwendet, die in den letzten Jahren andere Kondensatoren ersetzt haben.
Derzeit sind die gängigen Monolithischen Keramikkondensatoren mit den Größen 1005 (1,0 x 0,5 x 0,5 mm) und 0603 (0,6 x 0,3 x 0,3 mm) recht klein, aber in Zukunft werden sich ultrakleine Kondensatoren wie die Größe 0402, die bereits auf dem Markt verwendet wird. Die nächste Generation der Größe 0201 durchsetzen.
Funktionsweise monolithischer Keramikkondensatoren
Die Kapazität C eines Kondensators ist proportional zur Dielektrizitätskonstante ε und der Elektrodenfläche S des Dielektrikums und umgekehrt proportional zum Abstand d zwischen den Elektroden. Wenn Kondensatoren parallel zueinander geschaltet sind, ist die Gesamtkapazität gleich der Summe der Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren.
Der Schlüssel zur Erhöhung der Kapazität eines Kondensators ist daher die Verwendung eines Dielektrikums mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, die Vergrößerung der Elektrodenfläche und ein möglichst geringer Abstand zwischen den Elektrodenplatten. Ein Monolithischer Keramikkondensator hat eine Struktur, die aus Schichten sehr dünner Elektrodenplatten besteht, die man sich als eine Reihe parallel geschalteter Kondensatoren mit einem geringen Abstand zwischen den Elektrodenplatten vorstellen kann.
Mit anderen Worten: Die Anzahl der Schichten N ist proportional zur Kapazität C des Kondensators. Durch Erhöhung der Kapazität mit der Anzahl der Schichten N können Monolithische Keramikkondensatoren also sowohl kleiner als auch größer werden.
Darüber hinaus wird Bariumtitanat, das eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante hat, hauptsächlich als Dielektrikum verwendet, aber es wird erwartet, dass seine Leistung irgendwann eine Obergrenze erreicht. Daher wird die Entwicklung von Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante und einer geringeren Anfälligkeit für Verschleißerscheinungen erwartet.
Aufbau eines monolithischen Keramikkondensators
Für die Elektroden wird Nickel und für das Dielektrikum hauptsächlich Bariumtitanat verwendet. Die Nickelpaste, die als Innenelektrode dient, wird in Form einer Platte auf das Dielektrikum aufgetragen, das dann durch Aufeinanderschichten mehrerer Platten und Ausüben von Druck geformt wird.
Anschließend werden sie in kleine Stücke geschnitten und bei ca. 1000 °C gesintert. Durch das Anbringen der äußeren Elektroden wird der Kondensator zu einem Monolithischen Keramikkondensator. Indem man dafür sorgt, dass die Innenelektroden abwechselnd links und rechts mit den Außenelektroden verbunden werden, befinden sich die Schichten in demselben Zustand, als wären sie parallel geschaltet worden.
Da sie in Plattenform hergestellt werden, sind sie leistungsfähiger geworden und haben sich in Bezug auf Miniaturisierung und Dünnheit weiterentwickelt. Die Anzahl der Schichten kann bis zu 1000 betragen. Man unterscheidet zwischen Systemen mit niedriger Dielektrizitätskonstante, bei denen hauptsächlich Titanoxid als Dielektrikum verwendet wird, sowie in Systemen mit hoher Dielektrizitätskonstante, bei denen Bariumtitanat als Dielektrikum dient.
Klasse 1 wird zur Temperaturkompensation, für niedrige Kapazitäten und in Signalschaltungen usw. verwendet. Klasse 2 hat eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen großen Temperaturkoeffizienten und wird zur Entkopplung von Stromversorgungen und für Glättungsschaltungen verwendet.
Weitere Informationen zu monolithische Keramikkondensatoren
1. Eigenschaften
Die Kapazität eines Monolithischen Keramikkondensators variiert mit der Temperatur. Bei der Auswahl eines Monolithischen Keramikkondensators muss daher nicht nur die Kapazität und die Nennspannung, sondern auch die Temperatur in der Betriebsumgebung berücksichtigt werden.
Monolithische Keramikkondensatoren zeichnen sich durch einen niedrigen Serienersatzwiderstand (ESR) aus, der auf die Verwendung von Metallen wie Nickel und Kupfer in den Elektroden zurückzuführen ist. Außerdem zeichnen sich Monolithische Keramikkondensatoren aufgrund ihrer Struktur durch eine niedrige parasitäre Induktivität (ESL) aus, was sie für den Einsatz bei hohen Frequenzen geeignet macht.
Durch die Ausnutzung dieser Eigenschaften von niedrigem ESR und ESL ist es möglich, Resonanzkreise mit hohen Q-Werten und verlustarmen Anpassungsschaltungen zu bilden. Dies macht MLCCs zu einem unverzichtbaren Bauteil im Bereich der Hochfrequenzschaltungen sowie bei Anwendungen zur Entkopplung von Stromversorgungen und zur Rauschunterdrückung.
Durch Änderung der Anzahl der Elektrodenschichten lässt sich die Kapazität von einer kleinen bis zu einer großen Kapazität frei steuern. Daher zeichnet sich der monolithische Keramikkondensator als Produkt auch durch einen sehr großen Kapazitätsbereich in der vorbereiteten Reihe aus.
2. Basistechnologie für große Kapazität
Die Kapazität eines Kondensators nimmt proportional zur Fläche der inneren Elektrodenplatte zu. Um eine hohe Kapazität zu erreichen, ohne die Größe des monolithischen Keramikkondensators zu verändern, ist es wichtig, so viele Elektrodenschichten wie möglich zu stapeln.
Um eine Miniaturisierung und eine hohe Kapazität zu erreichen, müssen im Allgemeinen Elektroden mit einer Dicke im Submillimeterbereich gestapelt werden, sodass die Verdünnung der Elektrodenschichten eine wesentliche Technologie darstellt. Für dünnere Elektrodenschichten sind die Einstellung von Bariumoxid, dem Rohstoff des Dielektrikums, und die Drucktechnik zur Formung der Innenelektroden in Pastenform zu Platten wichtig.
Das Dielektrikum besteht aus feinen Partikeln, den so genannten Körnern, die durch die Zugabe von Additiven zu Bariumoxid, das Bedrucken in Plattenform und anschließendes Sintern gebildet werden. Wie die Mikrostruktur des Korns beschaffen ist, ist entscheidend für das angemessene Funktionieren des Dünnschichtdielektrikums.
Mit Hilfe der Siebdrucktechnik, wie sie für den Siebdruck verwendet wird, werden dünne Innenelektroden auf die Paste gedruckt. Indem die Paste durch die Mikroporen extrudiert wird, kann eine gleichmäßige dünne Schicht der Innenelektrode gebildet werden.
3. Markt
In der Welt der Elektronik sind ,onolithische Keramikkondensatoren unerlässlich. So werden beispielsweise pro TV-Empfänger etwa 200 bis 300 monolithische Keramikkondensatoren und pro Smartphone 1.000 verwendet.
Bei Elektrofahrzeugen sind es mehr als 15.000 Kondensatoren pro Fahrzeug. Drei japanische Unternehmen haben den Großteil des Weltmarktanteils.
- Murata: 33,9 % (2020, < 40 % liegen)
- Samsung Elektromechanik: 18,1 %
- Taiyo Yuden: 10,3 %
- TDK: 8,4 %
Leistungsstarke Monolithische Keramikkondensatoren sind besonders im Automobilbereich gefragt, wo Murata und TDK den Weltmarkt dominieren. Die Verwendung von monolithischen Keramikkondensatoren wird voraussichtlich ab 2021 weiter zunehmen, wenn Smartphones der 5G-Generation weit verbreitet sein werden. Es wird davon ausgegangen, dass die Knappheit bis auf Weiteres anhalten wird.