Keramische Vielschichtkondensatoren Erfolgreicher Stressabbau

Bisher begrenzte mechanischer Stress im Inneren des Bauteils die maximal erreichbaren Kapazitätswerte von Hochspannungs-Vielschichtkondensatoren. Eine neuartige Zwischenschicht baut diesen mechanischen Stress ab und ermöglicht neuartige Bauelemente mit mehr Lagen und damit deutlich mehr Kapazität pro Grundfläche.

Unterschiedliche Ausfallarten definieren die Grenzen für die Weiterentwicklung keramischer Kondensatoren. Im Fall von Vielschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) für mittlere und hohe Spannungen sind extrinsische Ausfallarten wie mechanische oder thermische Brüche sowie intrinsische Ausfallarten zu unterscheiden, die in
der Hand des Herstellers liegen.

Bei diesen intrinsischen Ausfallarten haben sich die limitierenden Faktoren über die Zeit verändert. Früher begrenzten vor allem die Qualität und Reinheit des dielektrischen Materials, also Punktdefekte und Kontaminierung (Bild 1), die maximal mögliche Anzahl der Schichten und deren minimale Dicke. Fortschritte beim dielektrischen Material, bei dessen Vorbereitung und Verarbeitung führ--ten dazu, dass die dielektrische Leistung des Materials selbst zum begrenzenden Faktor wurde.

Damit war es vorstellbar, dickere und größere Bauteile herzustellen, ohne Durchschläge des Dielektrikums (Bild 2) oder Punktausfälle befürchten zu müssen. Allerdings tauchte jetzt eine neue Ausfallart auf: Brüche durch elektromechanischen Stress. Meistens wird die Ursache für diese Brüche im piezoelektrischen Verhalten gesehen, also in Veränderungen der keramischen Schichtdicken durch die angelegte hohe Spannung.

Allerdings kann der Vorgang auch elektrostatischem Verhalten ähneln, wie die Kurve in Bild 3 zeigt. Diese Ausfallart ist nun bereits seit einiger Zeit der begrenzende Faktor für MLCC-Hersteller, sie betrifft die meisten Class-II-Dielektrika auf Basis von Bariumtitanat und wird vor allem für Bauteile mit größeren Gehäusen ab 1210 und höheren Spannungen ab etwa 200 V zum Thema.

Typischerweise verläuft der Riss durch das Zentrum des Bauteils, entlang einer oder zwei der dielektrischen Schichten (Bild 4). Die meisten Lösungen für dieses Pro-blem beruhen auf dem Ansatz, mehrere Kondensatoren mithilfe sogenannter Leadframes übereinan-der zu stapeln, um die nutzbare Kapazität für eine gegebene Grundfläche zu steigern. Dies ist allerdings sehr aufwendig und kostspielig, zudem kann diese Technik weitere Zuverlässigkeitsprobleme mit sich bringen.

Andere Lösungen bauen auf spezielle Rezepturen für das Dielektrikum, die jedoch meist einen Kompromiss bezüglich der Dielektrizitätskonstante und damit des maximal möglichen Kapazitätswerts darstellen. Nach einer Serie von Versuchen und Entwicklungsschritten hat Syfer nun eine Single-Chip-Lösung für das Problem des elektromechanischen Ausfalls vorgestellt.

Kernelement der »FlexiCap«-Technik ist eine eingebaute Schicht mit leicht schwammartiger Struktur, die elektromechanischen Stress im Bauteil abbaut (Bild 5). Dadurch zeigt das Bauelement das gleiche elektrische und physikalische Verhalten wie mehrere dünnere Komponenten und bietet gleichzeitig die Produktions- und Verarbeitungsvorteile eines Einzelbauelements.

Die stressabsorbierende Schicht besteht aus einer Kombination bereits verwendeter Materialsysteme und wird während des Standard-Produktionsprozesses gebildet. Innerhalb des Bauteils ist sie an den Stellen mit dem größten mechanischen Stress positioniert und kann dadurch die verschiedenen Schichten mechanisch entkoppeln. Bisher haben die Syfer-Experten Versionen mit zwei, drei und vier übereinander angeordneten Kondensator-Schichtpaketen erfolgreich getestet. Weil keine separaten Komponenten gestapelt werden müssen und weil das flexible Anschlussmaterial »FlexiCap« zur Anwendung kommt, wird bei dieser Technik kein Leadframe benötigt, und die Bauteile lassen sich in Standard-»Tape&Reel«-Verpackung für die automatische Bestückung einsetzen.

Mehr Farad pro Volumen

Laut Syfer bieten die oberflächenmontierbaren Vielschichtkondensatoren der »StackiCap«-Serie die größte volumetrische Effizienz und das höchste Produkt aus Kapazität und Spannung (CV) aller verfügbaren keramischen Hochvolt-Kondensatoren mit X7R-Dielektrikum. Bild 6 zeigt die StackiCap-Baureihen 1812 und 2220 sowie zwei Entwicklungsmuster der Größen 2225 und 3640. Rechts im Vergleich eine Auswahl herkömmlicher Kondensatoren in Stapelbauweise mit den Baugrößen 2225, 3640, 5550 und 8060 sowie mit bis zu fünf Einzelelementen in einem Stapel.

Es gibt viele Möglichkeiten, traditionelle Stapelkonden-satoren mit den StackiCap-Bauelementen zu ersetzen. Die extremsten Beispiele sind wohl der Ersatz eines Stapelkondensators mit 470 nF und 1 kV im 8060-Gehäuse durch einen einzelnen 2220-Baustein (ebenfalls 470 nF und 1 kV) sowie eines 3640-Stapelkondensators durch ein einzelnes Bauteil mit denselben Werten im 1812er-Gehäuse. Dies bedeutet eine Reduzierung des »Footprint« im Verhältnis 10:1 bzw. 7:1.

Die ersten StackiCap-Bauteile haben die Gehäusegrößen 1812 und 2220 mit Betriebsspannungs-bereichen von 200 V bis 1,5 kV beziehungsweise 200 V bis 2 kV. Laut Syfer bietet das 500-V-Bauteil in 2220 erstmals in der Industrie in einem einzigen Chip eine Kapazität von 1 µF. Und die 100 nF des 2-kV-Bauteils waren laut Syfer bisher nur in deutlich größeren Gehäusen zu finden.

In der Baureihe 1812 weist das 200-V-Bauteil ebenfalls 1 µF Kapazität auf, während das 1-kV-Bauteil 180 nF Kapazität bietet. Anwendung finden sollen die StackiCap-Bauelemente in allen möglichen Hochspannungsprodukten, wo Bauraum auf der Platine kostbar und maximale Kapazität in einem kleineren Formfaktor gefordert ist. Typische Einsätze umfassen laut Hersteller Stromversorgungen, Projektormodule, Beleuchtungssysteme und den gesamten Luft- und Raumfahrtsektor.