Dr. Philip Lessner, CTO von KEMET Fortschritt bei Kondensatoren

Ralf Higgelke traf Dr. Philip Lessner (rechts) in Ft. Lauderdale, Florida.
Ralf Higgelke traf Dr. Philip Lessner (rechts) in Ft. Lauderdale, Florida.

Seit 20 Jahren arbeitet Dr. Philip Lessner, CTO von KEMET, mit passiven Komponenten, insbesondere mit Tantalkondensatoren. Wir fragten ihn nach den Fortschritten, über die wichtigsten Entwicklungstreiber bei Kondensatoren im Allgemeinen und wie sich diese in den kommenden Jahren verändern werden.

DESIGN&ELEKTRONIK: Herr Dr. Lessner, Sie arbeiten schon seit zwanzig Jahren bei KEMET mit Tantalkondensatoren. Warum ist Tantal so ein besonderes Element für Kondensatoren?

Dr. Philip Lessner: Tantaloxid, oder genauer Ditantal-Pentaoxid, ist ein quasi ideales und eines der stabilsten Dielektrika. Unter ideal verstehe ich, dass die Dielektrizitätskonstante – und damit die Kapazität – unabhängig von der Spannung und nahezu unabhängig von der Temperatur ist. Dies ist bei einigen anderen Kondensatortypen nicht der Fall. Zudem ist Tantaloxid unter chemischen und thermischen Belastungen stabil, was solche Kondensatoren zu einer idealen Wahl für den Betrieb in rauen Umgebungen wie Feuchtigkeit und Temperatur macht.

Darüber hinaus haben sie einen festen Elektrolyt und stellen eine große Kapazität in einem kleinen Gehäuse bereit. Dies macht sie zu einer idealen Lösung für Systeme, bei denen es auf Miniaturisierung ankommt.

Ich erinnere, dass mir bei meiner Tätigkeit als Elektronikentwickler immer gesagt wurde, dass Tantalkondensatoren zu vermeiden seien, weil sie leicht Feuer fangen können. Was ist in den letzten Jahren in dieser Hinsicht getan worden?

Der Durchbruch bei Tantalkondensatoren in den vergangenen zwanzig Jahren war die Einführung von leitfähigen Polymeren, die Mangandioxid als Kathode ersetzten. Dass sich Tantalkondensatoren entzünden können, beruht auf der exothermen chemischen Reaktion des Sauerstoffs aus dem Mangandioxid mit dem metallischen Tantal, wenn ein großer Defekt im Dielektrikum auftritt. Das leitfähige Polymer enthält Sauerstoff nicht in dieser Form und damit zeigen diese Komponenten dieses Verhalten nicht.

In einem Interview mit dem EPCI erwähnten Sie die Miniaturisierung, die Reduzierung der parasitären Verluste und den Betrieb in rauen Umgebungen als die wichtigsten Treiber für elektronische Bauteile. Gehen wir mal in die Details. Wie wurden Kondensatoren in den letzten zwei Jahrzehnten geschrumpft und wie wurde das erreicht?

Die größten Fortschritte in der Miniaturisierung wurden bei Tantal- und Keramikkondensatoren erreicht. Beide Typen sind jeweils bei gleicher Kapazität und Spannungsklasse heutzutage sieben Mal kleiner als vor zwanzig Jahren.

Bei Tantalkondensatoren spielten drei Faktoren eine wesentliche Rolle. Erstens wurde die Oberfläche des Tantalpulvers erhöht. Die Kapazität ist direkt proportional zur Oberfläche des Dielektrikums. Und diese lässt sich vergrößern, indem man das Tantalpulver zu immer kleineren Körnchen vermahlen. Hersteller dieses Pulvers konnten die Partikelgröße in den letzten zehn bis zwanzig Jahren um einen Faktor 2,5 verringern.

Zweitens können wir aufgrund der Umstellung von Mangandioxid auf leitfähiges Polymer die Kondensatoren auf einer höheren Spannungsbelastung betreiben und gleichzeitig die hervorragende Stabilität der Eigenschaften von Tantalkondensatoren beibehalten. Daher konnten wir die Dicke des Dielektrikums für eine gegebene Nennspannung verringern. Dies ist nicht nur bei Tantalkondensatoren der Fall gewesen, sondern auch bei MLCCs.

Und drittens erlauben uns Fortschritte in der Aufbau- und Verbindungstechnik, mehr Volumen in einer gegebenen Gehäusegröße für das kapazitive Element zu verwenden. Betrachtet man die volumetrische Effizienz verschiedener Gehäusedesigns, sieht man, dass dieser Wert bei Standardgehäusen mit deren Höhe drastisch sinkt. Facedown-Gehäuse sind zwar schon besser, aber wir arbeiten an noch moderneren Gehäusebauformen wie Gen II und KAP (KEMET Advanced Packaging, Anm. d. Red.), bei denen die volumetrische Effizienz noch besser ist. Tatsächlich nutzt ein 0,4 mm großes KAP-Gehäuse zwei Drittel seines Volumens für das kapazitive Element. Die Forschung zu neuen Gehäusetechnologien ist bei uns ein fortlaufender Prozess.

Nicht vergessen sollte man auch, dass durch den Übergang von Elektroden aus Edelmetall zu solchen aus Basismetallen neue dielektrische Materialien entwickelt wurden, die höheren Spannungsbelastungen standhalten können.