Dr. Philip Lessner, CTO von KEMET Fortschritt bei Kondensatoren

ESR und ESL weiter verringern

Der zweite Schlüsseltreiber, den Sie erwähnten, ist die Verringerung der parasitären Verluste. Was wurde erreicht?

Parasitäre Verluste in Kondensatoren entstehen im äquivalenten Serienwiderstand, kurz ESR, sowie in der äquivalenten Serieninduktivität, kurz ESL. Wenn wir diese Verluste verringern, können die Komponenten bei höheren Frequenzen effizienter arbeiten. Oder anders herum: Sie können mehr Leistung in kürzerer Zeit liefern. Dies ist wichtig, da die Schaltfrequenzen in getakteten Stromversorgungen vom Bereich weniger hundert Kilohertz in den Megahertzbereich ansteigen. Eine niedrige Streuinduktivität ist auch wichtig, weil hohe Werte zu Spannungsspitzen führen, die andere Komponenten im Schaltkreis beschädigen können.

Die Entwicklung von Polymer-Tantal- und Polymer-Aluminiumkondensatoren hat den ESR im Vergleich zu Tantal-Mangandioxid- und Aluminiumkondensatoren mit nassem Elektrolyt stark sinken lassen. Wir reduzieren weiterhin den ESR dieser Polymerkondensatoren, vor allem bei kleineren Baugrößen, wie sie in der miniaturisierten Elektronik gewünscht werden. Wir haben auch einige spezielle Leadframe-Konfigurationen erdacht, die sowohl ESL aus auch ESR verringern.

Spannungsspitzen aufgrund der Streuinduktivität sind ein Problem bei Filmkondensatoren und Alu-Elkos, wenn sie im Zwischenkreis von Wechselrichtern verwendet werden. Viele dieser Komponenten verwenden benutzerdefinierte Designs, um in die mechanischen Vorgaben des Kunden zu passen. Wir bei KEMET verwenden moderne Designsoftware wie Ansys HFSS, um Induktivität zu simulieren und im Rahmen der Einschränkungen durch das Kundensystem Produkte mit niedrigster ESL zu entwickeln.

Wenn wir schon mal bei parasitären Verlusten sind, gewinnen niedrige Streukomponenten mit dem Aufkommen von Wide-Bandgap-Halbleitern an Bedeutung. Vor kurzem haben wir einen C0G-Keramikkondensator für diese Art von Schaltern freigegeben.

Warum brauchen diese Transistoren spezielle Kondensatoren? 

Schalttransistoren aus Galliumnitrid und Siliziumkarbid können bei höheren Frequenzen und Temperaturen arbeiten als herkömmliche Siliziumschalter. Da sie bei höheren Frequenzen arbeiten, kommen sie mit weniger großen Kondensatoren aus – einige Mikrofarad statt Hunderte von Mikrofarad. Dies ist der optimale Arbeitsbereich für C0G-Keramikkondensatoren, denn sie können einerseits die Anforderungen an die Kapazität erfüllen, andererseits ist deren Kapazität über weite Temperatur- und Spannungsbereiche sehr stabil.

Um die ESL zu minimieren, verwenden wir bei MLCCs eine Konstruktion ohne herkömmlichen Leadframe. Wir stapeln mehrere Komponenten aufeinander zu einem Zwischenkreiskondensator beispielsweise für einen Wechselrichter.

Aber wenn sich die Leiterplatte biegt, haben Sie Probleme mit zerbrochenen MLCCs! 

Sie haben Recht. Daher verwenden wir eine Art Sicherung, die im Falle eines Kurzschlusses auslöst und diese Kondensatorbank vom System abtrennt. Wir verwenden auch flexible Anschlüsse, die gemäß der Spezifikation von Audi nun ein Durchbiegen um fünf Millimetern abfedern können. 

Der dritte Trend, den Sie erwähnt haben, ist der Betrieb in rauen Umgebungen. Was ist in dieser Hinsicht erreicht worden und wie? 

Mit KO-CAP hat KEMET vor kurzem eine neue Polymer-Tantalserie für Automobilanwendungen eingeführt. Sie erfüllt die Anforderungen der AEC Q200 wie Feuchtigkeitsbeständigkeit bei 85 Grad Celsius und 85 Prozent relative Luftfeuchte, Lebensdauertests bei 125 Grad Celsius und Wärmeschocktests von –55 nach +125 Grad Celsius. Wir arbeiten auch daran, den Lebensdauertest Richtung +150 Grad Celsius auszudehnen. Auch Industrie- und Telekomkunden interessieren sich für dieses Produkt.

Für Keramikkondensatoren erweitern wir die Temperaturspanne stetig weiter. Vor einigen Jahren haben wir ein BME-C0G-Dielektrikum eingeführt, das bei 200 Grad Celsius arbeiten kann. Diese Komponente wird in der Öl- und Gaserkundung und anderen anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt. Wir arbeiten daran, die Leistungsfähigkeit auf 260 Grad Celsius und darüber hinaus zu erweitern. Vor kurzem haben wir ein X7R-Dielektrikum entwickelt, das bei 175 Grad Celsius arbeiten kann. Diese Produkte kommen in Stromkreisen für Solarwandler zum Einsatz. Auch haben wir ein Tantal-Mangandioxid-Produkt eingeführt, das bis 230 Grad Celsius geht. Auch dieses ist für den Einsatz in der Öl- und Gaserkundung bestimmt.

Neben den eher traditionellen Produkten für die Oberflächenmontage sind einige Kunden daran interessiert, diese Komponenten ohne externe Verpackung in Multichip-Modulen zu nutzen. Ohne das Epoxidgehäuse lassen sie sich direkt auf die Grundplatte per Wire-Bond kontaktieren; anschließend wird das Modul mit Silikon oder Epoxidharz verfüllt. Dies erinnert mich an die Bare-Dies, die in diesen Modulen für die MOSFETs und IGBTs verarbeitet werden.

Zwei unserer neuen X2-Folienkondensatorserien widerstehen 85 Grad Celsius und 85 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit und sind mit 500 oder 1000 Stunden Feuchtigkeitsbeständigkeit erhältlich. Die dort verwendeten Materialien und entwickelten Prozesse werden angewendet, um die Feuchtigkeitsbeständigkeit anderer Baureihen für zukünftige Serien zu erhöhen.

Wir haben kaum über Aluminium-Elektrolytkondensatoren geredet. Glauben Sie, dass sie eine Zukunft haben – insbesondere im Zwischenkreis? 

Wir produzieren axiale Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die 150 Grad Celsius schaffen, vor allem für Automobilanwendungen. Sie sind für Umrichteranwendungen sowie 48-V-Systeme in Elektro- und Hybridfahrzeugen vorgesehen. Bei GaN- und SiC-Anwendungen sind wir nur nach Folien- und Keramikkondensatoren gefragt worden.

Natürlich haben Elektrolytkondensatoren immer ein Problem mit Lebensdauer und Zuverlässigkeit – anders als Keramik- und Folienkondensatoren. Wir verkaufen Folienkondensatoren für Automobilanwendungen mit einer Lebensdauer von über zehntausend Stunden.

Im Jahr 2013 präsentierte KEMET die F-Tech-Technologie sowie das Simulated Breakdown Screening, um die Zuverlässigkeit von Tantalkondensatoren zu steigern. Beschreiben Sie uns bitte, was es mit diesen beiden Prozessen auf sich hat. 

F-Tech ist im Grunde eine Serie von Prozessen, mit denen wir hochwertige Tantal-Anoden für anspruchsvolle Anwendungen wie die Luft- und Raumfahrt produzieren. Zum einen stellen wir dabei Anoden her, die mit möglichst wenig Kohlenstoff und Sauerstoff verunreinigt sind. Zusätzlich nutzen wir eine spezielle Befestigungsmethode für den Tantaldraht, der die Anode mit dem externen Leadframe elektrisch verbindet. Durch diese Technologie nutzen wir die höchste Qualität an Tantaloxid und die stabilste Verbindung, sodass sich die Lebensdauer erhöht und das Derating vor allem bei höheren Betriebsspannungen möglichst gering bleibt.

Mithilfe des Simulated Breakdown Screenings, kurz SBDS, können wir elektrisch schwächere Produkte vor dem Versand an den Kunden aussortieren. Die Durchbruchspannung eines Kondensators ist einer der besten Indikatoren für dessen Zuverlässigkeit. Leider ist der Standard-Durchbruchstest destruktiv. SBDS gibt uns die Möglichkeit, die Messung des Ausfalls zu simulieren, ohne die Komponenten zu beschädigen. 

Wie genau machen Sie das? 

Im Grunde schalten wir zum Prüfling einen sehr hohen elektrischen Widerstand in Serie. Wir fahren die Spannung hoch, und so bekommen wir einen Hinweis, wo die Durchbruchspannung liegen könnte. Und wegen des Widerstands, der mehrere Megaohm hat, beschädigen wir das Dielektrikum nicht.