Keramische Vielschichtkondensatoren Lichtbogenüberschläge bei MLCCs vermeiden

Bei keramischen Vielschichtkondensatoren (MLCCs) aus dem Material X7R kann sich schon bei relativ niedrigen Spannungen ein Lichtbogen zwischen den Anschlüssen über die Oberfläche des Bauteils ausbilden. Woran liegt das, und was kann man dagegen tun? Interne Elektroden setzen den Spannungsgradienten herab, und eine besondere Beschichtung schließt die Poren zwischen den Keramikkörnern.

Keramische Vielschichtkondensatoren (MLCC, multi-layer ceramic capacitors) erfreuen sich in sehr vielen Anwendungen zunehmender Beliebtheit. Im Allgemeinen liegen sie im SMD-Format vor, wobei die Gehäuse aufgrund von Kosten- und Platzbeschränkungen immer kleiner werden. Dieser Trend hat zu einem relativ neuen Problem geführt, nämlich dem Oberflächen-Lichtbogenüberschlag oder »Flashover « zwischen den zwei Anschlüssen des Kondensators (Bild 1). Solche Überschläge treten zumeist während der Isolationsprüfung auf und hinterlassen eine Kohlenstoffspur auf der Oberfläche, was letztendlich zum Ausfall des Kondensators selbst führen kann. Dieses Problem tritt überwiegend bei Kondensatoren aus dem Dielektrikum X7R auf, höchst selten bei den Materialien C0G oder NP0. Warum das so ist, wird im Folgenden erläutert.

Zwei Hauptursachen gilt es zu betrachten: Oberflächenwiderstand und Oberflächenporosität. Die Spannung, bei der ein Lichtbogenüberschlag entsteht, ist zum Oberflächenwiderstand des Kondensators direkt proportional. Für Komponenten im SMD-Format gibt es – anders als bei bedrahteten Bauelementen – keine Schutzbeschichtung. Den Oberflächenwiderstand zwischen den Anschlüssen kann man sich als eine Reihenschaltung von Widerständen vorstellen.

Jedes einzelne dielektrische Korn hat einen Widerstand r, sodass sich der resultierende Oberflächenwiderstand folgendermaßen definiert: R = r1 + r2+r3+ ... + rn.

In der Regel ist die Korngröße von X7R ungefähr drei Mal so groß (900 nm bis 1,5 μm) wie die des Dielektrikums C0G (< 500 nm; Bild 2). Darum sind die Körner bei C0G viel dichter gepackt, wodurch eine weniger poröse Oberflächenstruktur entsteht, was einen höheren Oberflächenwiderstand und eine proportional höhere Überschlagspannung als bei X7R zur Folge hat. Für eine bestimmte Chipgröße und einen bestimmten Kapazitätswert beträgt die Überschlagspannung eines C0GBauelements ungefähr das Doppelte des Wertes des entsprechenden X7R-Bauteils. Dies ist hinreichend hoch, um unter normalen Betriebsbedingungen einen Flashover bei C0G de facto auszuschließen.

Im praktischen Einsatz gestaltet sich die Situation sogar noch viel kritischer. Aufgrund der offenen und porösen Struktur der Oberfläche von X7R können Feuchtigkeit und/oder Schmutzteilchen, die einen geringeren Widerstand als die Körner des Dielektrikums aufweisen, in der Oberfläche eingeschlossen werden.

Zu Schmutz können auch Flussmittelreste aus dem Lötprozess zählen. Dieser Schmutz zieht außerdem selbst wieder Feuchtigkeit auf die Oberfläche, wodurch sich der Oberflächenwiderstand noch weiter verringert (Bild 3).

Nach den meisten Lötprozessen wird ein Reinigungsprozess ausgeführt, um Flussmittel und andere Verunreinigungen zu entfernen.

Allerdings ist die Wirksamkeit einer solchen Reinigung beim X7R aufgrund des inhärenten Problems des größeren Korns und der Porosität des Materials weit geringer als bei C0G-Teilen.

MLCC-Hersteller wissen seit langem, dass die Gestaltung der internen Elektroden einen erheblichen Einfluss sowohl auf die Spannungstauglichkeit als auch auf die Oberflächen-Lichtbogenüberschlagspannung eines X7R-Kondensators haben kann. Daher verwenden sie hier mehrere in Reihe geschaltete interne Kondensatoren zwischen den beiden Anschlüssen (Bild 4).

Ein solcher Aufbau senkt nicht nur die Spannung an jedem internen Kondensator, sondern verkleinert auch den Spannungsgradienten zwischen dem Anschluss und der darunter liegenden, internen Elektrode. Dieser Spannungsgradient ist es, der, sobald ein kritischer Pegel überschritten ist, die Luft an der Grenzfläche zwischen Anschluss und Dielektrikum ionisiert, was einen Lichtbogenüberschlag an der Oberfläche des Kondensators zu dem gegenüberliegenden Anschlussband zur Folge hat.

Erhöht man die Anzahl der internen in Reihe geschalteten Kondensatoren, wirkt sich das auf die Spannungstauglichkeit des Kondensators enorm aus. Bei Verwendung eines standardmäßigen Einzelreihenaufbaus liegt die Überschlagspannung eines Bauteils der Größe 1812 zwischen 1 kV und 1,5 kV. Sie verdoppelt sich mindestens, wenn man zu einem Doppelreihenaufbau (zwei Kondensatoren in Reihe) übergeht; bei acht Kondensatoren in Reihe verfünffacht sich die Spannungsfestigkeit.

Diese einfachen internen konstruktiven Änderungen sollten theoretisch das Problem des Flashovers lösen. Jedoch ist auch hier wieder das Problem der Feuchtigkeit und des Schmutzes zu berücksichtigen, wodurch die Lichtbogen-Überschlagspannung des MLCCs abnimmt. Das einfache Berühren eines sauberen X7RKondensators verringert die Überschlagspannung um 10% bis 20%. Das Reinigen der Leiterplatte und damit des Kondensators nach dem Löten verbessert das Verhalten, doch ist dies möglicherweise nur von vorübergehender Wirkung, weil Feuchtigkeit erneut in die Oberfläche des Kondensators eindringen und seinen Oberflächenwiderstand verringern kann. Eine gängige und teure Lösung dieses Problems ist das Aufbringen eines Schutzlacks oder einer verträglichen Beschichtung auf die Leiterplatte im Anschluss an das Löten. Aber auch ein solcher Vorgang kann Feuchtigkeit oder Schmutz einschließen, die auf der Oberfläche des MLCCs zurückbleiben.