Kondensatoren / Intertec Components MLCCs richtig messen

Selbst erfahrene Messtechniker können bei der Messung von MLCCs mit Klasse-2-Dielektrikum verzweifeln. Denn Messspannung und -frequenz, Temperatur und Alterung können die Ergebnisse stark beeinflussen. Praxisbeispiele sollen verdeutlichen, was zu beachten ist und welche Messgeräte sich eignen.

Klasse-2-Dielektrika, wie sie in Vielschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) verwendet werden, besitzen eine hohe Permittivität. Denn die Kapazitätswerte der Bauteile differieren in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke (Spannung), Temperatur und Frequenz.

Durch diese Eigenarten werfen diese Bauteile einige Probleme bei den korrekten Messungen der Kapazität und des Verlustfaktors DF (Dissipation Factor) auf. Dies geschieht immer dann, wenn die herstellerseitig spezifizierten Mess- und Umgebungsbedingungen nicht eingehalten werden. Weiterhin spielt die Alterung der Bauteile eine Rolle, und zwar umso mehr, je mehr Zeit zwischen Herstellung und Messung vergangen ist. In der Praxis – etwa in der Wareneingangskontrolle – führt das mitunter zu fehlerhaften Ergebnissen. Dies kann dazu führen, dass die Ware fälschlicherweise als »gut« oder »schlecht« qualifiziert wird.

Genau vor diesen Problemen stand auch Intertec Components. Daher wollte das Unternehmen eine standardisierte und zuverlässige Messtechnik entwickeln. Dafür haben die Mitarbeiter alle bisherigen Erfahrungen ausgewertet und ein entsprechendes Messverfahren mit detaillierten Messanleitungen erarbeitet. Dieser Praxisbericht soll zeigen, wie MLCCs richtig gemessen werden, welches Messwerkzeug benötigt wird und worauf dabei zu achten ist.

Einfluss der Alterung

MLCCs aus einem Klasse-2-Dielektrikum basieren in aller Regel auf Bariumtitanat (BaTiO3). Dieses Ferroelektrikum kristallisiert in zwei polymorphen Gitterstrukturen, namentlich dem hexagonalen Gittertyp und der Perowskit-Struktur. Physikalisch bedingt ist kurz nach dem Herstellungsprozess die elektrische Kapazität am größten, nimmt jedoch durch interne Alterungseffekte im Laufe der Zeit ab. Diesem Alterungsprozess beugen Hersteller meist durch eine etwas größere Ausgangskapazität vor, sodass nach etwa eintausend Stunden die deklarierte Kapazität vorhanden sein sollte. Dennoch nimmt die Kapazität mit der Zeit weiter stetig ab.

MLCCs mit einem Klasse-1-Dielektrikum dagegen altern eher sehr langsam. Nach 10.000 Betriebsstunden liegt der Kapazitätsverlust meist deutlich unter einem Prozent oder ist sogar zu vernachlässigen. Über die gleiche Zeitspanne fällt die Kapazität bei Klasse-2-Typen je nach Dielektrikum um 8 % bis 25 %. Das Problem dabei ist, dass der Kapazitätsschwund keineswegs nur im Betrieb auftritt, sondern schon in der Originalverpackung. Liegen beispielsweise sechs Monate zwischen Herstellung und Anlieferung beim verarbeitenden Kunden, dann ist die Kapazität bereits um rund 3,5 % bis 11 % gefallen. Dies wirkt sich entsprechend auf die Messwerte bei der Eingangsprüfung aus. Vor allem länger gelagerte Teile können dadurch eine offenbar zu geringe Kapazität aufweisen und als »fehlerhaft« deklariert werden.

Die gute Nachricht: Dieser Alterungsprozess ist reversibel. Erwärmt man die Bauteile eine definierte Zeitspanne über deren Curie-Punkt, der meist bei +125 °C liegt, und lässt sie im Anschluss langsam abkühlen, so stellt man die ursprüngliche physikalische Gitterstruktur wieder her und die Kapazität entspricht dem Neuzustand. Danach kann man eine erneute Kontrollmessung vornehmen. Im Datenblatt steht, wie lange bei welcher Temperatur die Bauteile »entaltert« (De-Aging) werden müssen und welche Lagerzeit der Hersteller im Anschluss daran empfiehlt.

Soll es schneller gehen, funktioniert das Entaltern auch über einen (simulierten) Lötprozess. Am einfachsten gibt man die Teile lose in einen Reflow-Laborofen und unterzieht diese einem Standard-Lötprofil (Bild 1).