Tantalkondensatoren mit »gespiegeltem« Anodendesign

Für moderne Schaltungen mit ihren hohen Schaltfrequenzen sind Kondensatoren mit niedrigem ESR und ESL wichtig. Bei Tantalkondensatoren haben sich daher Designs mit mehreren Anoden etabliert. Um besonders den ESL noch weiter zu senken, gibt es nun eine neuartige Multianoden-Konfiguration – eine »gespiegelte« Anordnung.

Für moderne Schaltungen mit ihren hohen Schaltfrequenzen sind Kondensatoren mit niedrigem ESR und ESL wichtig. Bei Tantalkondensatoren haben sich daher Designs mit mehreren Anoden etabliert. Um besonders den ESL noch weiter zu senken, gibt es nun eine neuartige Multianoden-Konfiguration – eine »gespiegelte« Anordnung.

Getaktete Stromversorgungen, Mikroprozessoren und Digitalschaltungen haben etwas gemeinsam: Die Betriebsfrequenzen steigen stetig, und zugleich versuchen die Schaltungsentwickler, die Störstrahlung zu reduzieren. Hierfür sind sehr zuverlässige Kondensatoren mit kleinem Serienersatzwiderstand (Equivalent Series Resistance, ESR) und hoher Kapazität nötig. Eine Möglichkeit, den ESR von Tantalkondensatoren signifikant zu reduzieren, ist das Multianoden-Design, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem Kondensatorkorpus mehrere Anoden verwendet werden.

In der Praxis hat sich das herkömmliche Anodensystem mit MnO2 bewährt. Solche Kondensatoren decken einen weiten Nennspannungsbereich von 2,5 V bis 50 V ab, bieten auch unter widrigen Einsatzbedingungen stabile Eigenschaften und widerstehen hohem elektrischem und thermischem Stress. Die Bauteile sind für Betriebstemperaturen bis zu +125 °C ausgelegt. Bei Tantalkondensatoren ist die Gesamtoberfläche der Anode, insbesondere deren Oberfläche-Volumen-Verhältnis, einer der Parameter, die den ESR entscheidend mitbestimmen. Je größer die Gesamtoberfläche, desto kleiner der ESR.

Die Einzelanode (Bild 1a) ist wegen ihres hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnisses das Standarddesign für Kondensatoren für allgemeine Anwendungen. Multianoden-Designs (Bild 1c) bieten einen wesentlich niedrigeren ESR, allerdings sind sie teurer herzustellen als Einzelanoden-Typen. Kondensatoren mit genuteter Anode (Fluted Anode, Bild 1b) werden in Standard-Chip-Montageprozessen gefertigt und stellen einen Kompromiss zwischen niedrigem ESR und niedrigen Produktionskosten dar. Das »Flute«-Design verwendet man daher für Kondensatoren, die für kostensensitive Anwendungen vorgesehen sind und niedrige ESR-Werte aufweisen sollen. Das Multianoden-Design hingegen verwendet man nur für Anwendungen, die einen niedrigen ESR und kompromisslose Zuverlässigkeit erfordern. Typische Beispiele sind Telekommunikations-Infrastruktur, Netzwerke, Server sowie Luft- und Raumfahrt.

Abgesehen von den oben erwähnten Unterschieden zwischen Einzel-, Multi- und Flute-Anoden-Design bietet das Multianoden-Design noch zwei weitere Vorteile. Zum einen ermöglicht es eine bessere Wärmeabfuhr als bei Einzelanoden-Kondensatoren gleicher Größe. Dadurch weisen Multianoden-Kondensatoren eine höhere Dauerstrombelastbarkeit und sind weniger empfindlich gegenüber Stromspitzen. Andererseits haben sie im Vergleich zu Bauteilen mit einer einzelnen Anode eine kleinere Volumeneffizienz (aktive Zone). Daraus könnten Entwickler voreilig den Schluss ziehen, dass auch das Produkt aus Kapazität und Spannung (CV) von Multianoden-Designs kleiner sei als das von Einzelanoden-Kondensatoren. In der Praxis ist es jedoch so, dass dünnere Anoden leichter zu verarbeiten sind und von dem zweiten MnO2-Elektrodensystem besser durchdrungen werden. Dies ermöglicht die Verwendung von Tantalpulver mit höherem CV-Produkt. Dadurch haben Multianoden-Kondensatoren einen vergleichbaren oder sogar höheren CV-Wert als Einzelanoden-Bauteile.

Die heute am Markt angebotenen herkömmlichen Multianoden-Kondensatoren haben meist drei bis fünf vertikal angeordnete Anoden (Bild 2a). Dieses Design ist zwar fertigungsfreundlich, aber hinsichtlich des ESR-Wertes einer horizontalen Anordnung (Bild 2b) unterlegen, bei der dünnere, flache Anoden den ESR weiter verringern. Die Kosten des Multianoden-Designs wachsen exponentiell mit der Anzahl der Anoden. Das bei den meisten Kondensatoren verwendete vertikale Design mit drei Anoden kommt dem optimalen Verhältnis von Kosten zu ESR nahe.

Multianoden-Konstruktionen im Vergleich

Bei Kondensatoren mit vertikaler Anodenanordnung sind die einzelnen Anoden mithilfe von silberhaltigem Epoxy-Leitkleber mit dem Lead-Frame der zweiten Elektrode verbunden. Das gleiche System wird auch bei normalen Einzelanoden-Kondensatoren verwendet, da die Fertigungstechnik dem etablierten Prozess sehr ähnelt und daher keine größeren Investitionen in neue Fertigungsabläufe nötig macht.

Leider erfordert das horizontale Design eine neue Lösung für die Verbindung zwischen den Anoden, und hierfür sind kostspielige Modifikationen der etablierten Fertigungsprozesse notwendig. Daher wird dieses Design bis heute nicht für in Großserie produzierte Multianoden-Kondensatoren verwendet sondern nur in Spezialanwendungen, indem zwei oder mehr fertige Kondensatoren durch Verlöten oder mithilfe einer Haltevorrichtung zu Arrays oder Modulen zusammengesetzt werden. Bild 3 zeigt die Unterschiede beim ESR in horizontalen und des vertikalen Designs und beruht auf einer theoretischen Berechnung für Kondensatoren der Größe D. Es zeigt, dass das horizontale Design mit zwei Anoden einen ähnlichen ESR-Wert aufweist wie das vertikale Design mit drei Anoden.

Im Vergleich zum horizontalen Design hat das vertikale den Nachteil, dass es nur begrenzte Möglichkeiten bietet, die Bauhöhe zu reduzieren – aktuelle Kondensatoren sind zwischen 3,5 mm und 4,5 mm hoch. Da die Miniaturisierung immer mehr auch in Bereiche wie Telekom-Infrastruktur oder Aerospace vordringt, in denen sie früher »kein Thema« war, wird dieser Aspekt immer wichtiger.

AVX hat deshalb ein neuartiges Multianoden-Design entwickelt, das zwei Anoden in horizontaler Spiegel-Anordnung verwendet (Bild 4). Diese spiegelartige Konstruktion verwendet einen modifizierten Lead-Frame, bei der sich der Lead-Frame mittig zwischen den beiden Anoden befindet. Diese Anordnung löst das Problem der Verbindung der horizontalen Anoden und hält die Kosten der Anpassung des Fertigungsprozesses auf einem akzeptablen Niveau.

Die ESR-Werte des Spiegel-Designs mit zwei Anoden sind zwar geringfügig höher als die der vertikalen Bauform mit drei Anoden, dafür lässt sich der Kondensator aber kostengünstiger produzieren. Der wichtigste Vorteil dieses neuen Spiegel-Designs besteht jedoch darin, dass es schon in naher Zukunft eine Reduktion der Höhe von Multianoden-Kondensatoren bis auf 3,1 mm für das Gehäuse »7343–31-D« beziehungsweise 2,0 mm für das Gehäuse »7343–20 Y« ermöglichen könnte. Ein weiterer Vorteil ist das symmetrische Layout, sodass sich die Eigeninduktivität (ESL) verringern wird.