Ultrakondensatoren von Nanoramic Back-up-Power für SSDs

Gegenüber rotierenden Festplatten haben Solid-State-Drives (SSDs) zahlreiche Vorteile. Doch wie lässt sich verhindern, dass bei einem Stromausfall der Inhalt im Cache-Speicher verschwindet und damit sehr wertvolle Daten verloren gehen? Ultrakondensatoren könnten da eine Antwort liefern.

Aufgrund zahlreicher Vorteile wächst die Nachfrage nach Solid State Drives (SSDs) im Speichermarkt stetig. Während des Schreibens oder Lesens von Daten sind SSDs schneller als HDDs und sie nehmen zudem weniger Strom auf, da sie keine mechanisch bewegten Teile besitzen, was normalerweise typisch für Festplatten ist. Fällt jedoch die Stromversorgung aus, so verschwindet der Cache-Speicher und sehr wertvolle Daten können verloren gehen.

Um dieses Problem zu eliminieren, wurden SSD-Karten im mittleren und oberen Preissegment mit einer Back-up-Stromversorgung ausgestattet, die für circa 10 ms die nötige Energie liefert, um die Daten sicher vom volatilen Cache-Speicher hin zum permanenten Flash-Speicher zu übertragen (Bild 1). Dieses Sicherungssystem ist weit verbreitet, insbesondere bei SSD-Karten für Firmen- oder Industrieapplikationen, in denen der Datenverlust geschäftskritisch sein könnte.

Derzeit gibt es drei Haupttypen von Energiespeichern, die für Back-up-Stromversorgungen in SSDs benutzt werden. Alle haben jedoch entscheidende Nachteile:

  • Aluminium-Elektrolytkondensatoren:

Diese sind zwar die kostengünstigste Lösung, haben allerdings eine niedrige Energiedichte und eine kurze Lebenszeit. Außerdem arbeiten sie nicht gut bei hohen Betriebstemperaturen der SSDs (über +70 °C), da der Elektrolyt aus den Kondensatoren langsam entweicht.

  • Tantalkondensatoren:

Diese besitzen zwar eine höhere Energiedichte und eine bessere Lebenszeit als Aluminium-Elektrolytkondensatoren, sind aber deutlich teurer, und in Applikationen, die für etwa 10 ms mehr als 5 W benötigen, sind zusätzlich zwischen 20 und 100 Komponenten erforderlich. Das bedeutet, dass ein wesentlicher Teil des verfügbaren Platzes der Speicherkarte von Tantalkondensatoren (ungefähr 30 %) besetzt wird.

In manchen Fällen werden sogar Tantalkondensatoren auf ein separates Board montiert. Dies macht allerdings den zweithöchsten Posten in der Stückliste der gesamten SSD aus. Hinzu kommt, dass es im Falle einer Überspannung zu einem Brand kommen kann, da die typische Fehlerart bei Tantalkondensatoren meist ein Kurzschluss ist.

  • Ultra- oder Doppelschichtkondensatoren (EDLC)

Da Ultrakondensatoren eine fünf- bis zehnmal höhere Energiedichte als Tantalkondensatoren besitzen, lösen sie auch das Problem der Anzahl an Komponenten, die auf das Board zu montieren sind. Zudem sind Ultrakondensatoren nicht so empfindlich bei Überspannungen, da sie weniger sensibel auf Spannungsspitzen im Millisekundenbereich reagieren und ihr Fehlermodus ein offener Schaltkreis ist. Dennoch haben sie zwei entscheidende Nachteile: Sie haben bei hohen Temperaturen eine kurze Lebensdauer und lassen sich nicht per Reflow-Verfahren auf die Platine löten. Da Ultrakondensatoren immernoch per Hand auf das Board gelötet werden müssen, ist der Prozess nicht nur sehr teuer und zudem für Applikationen mit hohem Volumen nicht skalierbar.

Der Grund, warum Ultrakondensatoren nicht reflow-lötfähig sind, sind die volatilen Elektrolyten, die der hohen Temperatur während des Reflow-Lötprozesses nicht standhalten.

Reflow-fähiger SMD-Ultrakondensator

Nanoramic Laboratories (früher: FastCAP Systems) hat sich diesen Problemen gewidmet und eine Lösung gefunden. Ihre Technologie basiert auf Elektroden aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die hierbei verwendeten Nanoröhrchen sind jedoch insofern besonders, als sie 100 Mal länger sind und ein besonderes Querschnittsverhältnis im Vergleich zu am Markt üblichen Nanoröhrchen haben. Weitere Schlüsselfaktoren sind nichtflüchtige, hochtemperatur- und hochspannungsfeste Flüssigkeiten, die als Elektrolyte für die Ultrakondensatoren dienen, sowie ein robustes Keramikgehäuse.

Auf dieser Basis hat das Unternehmen den SD85-500 entwickelt, den ersten reflow-lötfähigen Chip-Ultrakondensator mit einer nominalen Kapazität von 470 mF, einem ESR von 300 mΩ (bei +70 °C) und einer Nominalspannung von 2,1 V (Stoßspannung (2,6 V). Das 100,0 mm × 8,0 mm × 2,3 mm große Bauteil lässt sich automatisch durch Pick & Place auf die Leiterplatte aufbringen und bei bis zu +260 °C im Reflow-Verfahren auflöten. Sein Betriebs­temperaturbereich beträgt –40 °C bis +85 °C. Damit steht nun für Back-up-Power-Applikationen eine Lösung zur Verfügung, die Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen und kleinem Bauraum kombiniert (Bild 2). Immerhin haben die Ultrakondensatoren von Nanoramic eine zehnmal höhere Energiedichte als Tantalkondensatoren, und sie arbeiten auch für Jahre bei Temperaturen über +70 °C.

Die FastCAP-Produkte der Nanoramic Laboratories sind über den Kamaka Electronic erhältlich.

Zum Autor:

Joseph Lane ist Director of Engineering bei Nanoramic Laboratories.