MLCC-Failsafe-Strategie Anspruchsvolle Automotive- Applikationen

Die Failsafe-Strategie ist durch den Einsatz von Kondensatoren mit Softterminierung und klassischem Lagenaufbau eine zukunftssichere Anwendung. Hier wird der zur Verfügung stehende Raum bei gleichzeitig großer mechanischer Robustheit ausgenutzt.

Keramikschichten werden meistens mit einer Nickelpaste (Elektrode) bedruckt und daraufhin gestapelt. Durch das Keramikmaterial, die Anordnung der Elektroden und durch die Anzahl an Lagen wird die Kapazität bestimmt. Anschließend wird eine Kupferschicht aufgetragen, welche die Elektroden miteinander verbindet und für eine gute Leitfähigkeit sorgt. SEMCO (Samsung Electro-Mechanics Co.) fügt hier eine Kupfer-Epoxy-Schicht hinzu, welche allgemein als Softterminierung bekannt ist. Sie wirkt als Puffer für mechanische Belastungen und sie schützt letztlich die sprödere Keramik. Abschließend erfolgt ein Nickel-Zinn-Plating, um das Bauteil zum einen vor Oxidation zu schützen und zum anderen eine optimale Lötbarkeit zu gewährleisten (Bild 1).

Sicherheitsrisiko minimieren

Doch warum wird der zusätzliche Schutz der Softterminierung benötigt? Was passiert bei einem Bruch der Keramik? – Es entstehen im Allgemeinen zwei Probleme: Zum einen sinkt der Isolationswiderstand zwischen den Lagen, da die eingesetzte Keramik ein besserer Isolator ist als ein Hohlraum. Zum anderen kann im schlimmsten Fall ein Kurzschluss zwischen zwei gegenüberliegenden Lagen auftreten. Je nach angelegter Spannung kann dies zu einer ganz erheblichen thermischen Verlustleistung führen, die das Bauteil zerstören und die gesamte Leiterplatte funktionsunfähig machen kann. Aus diesem Grund fordert zum Beispiel der VW-Konzern in der Norm VW80808 die Einhaltung der „MLCC-Failsafe-Strategie“, welche das Ziel verfolgt, das zuvor genannte Sicherheitsrisiko zu mini-mieren.

Wenn ein Kurzschluss eine Verlustleistung >2,5 W hervorruft oder eine erhebliche Beeinträchtigung der Systemfunktion verursacht [1], muss die Failsafe-Strategie zwingend eingesetzt werden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Bauteil direkt an der Batteriespannung (Klemme 15, 30) angelegt ist.

Vier Möglichkeiten bietet die Norm, um die Failsafe-Strategie umzusetzen. Hiervon besitzen alle SEMCO-Produkttypen eine Softterminierung und sind nach AEC-Q200 qualifiziert. Die erste Möglichkeit, welche unabhängig vom Bordnetzsystem eingesetzt werden darf, ist die orthogonale Platzierung von zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren. (Bild 2) zeigt dies beispielhaft in einem vereinfachten Schaltplan. Andere Optionen sind derzeit nur im 12-V-Bordnetz zulässig.

Wenn einer der beiden Kondensatoren ungünstig zu der Kraft einer Biegebeanspruchung liegt, stellt die mechanisch orthogonale Anordnung sicher, dass ein anderer Kondensator weiterhin intakt bleibt. Da beide Kondensatoren in Reihe geschaltet sind, ist die Isolation zum Massepotential weiterhin gegeben.

„Series“-Kondensator

Ein Series- beziehungsweise Flexisafe-Kondensator verwendet das eben aufgezeigte Prinzip der Serienschaltung zweier Kondensatoren – jedoch in einem einzigen Bauteil. Die gegenüberstehenden Lagen unterschiedlicher Potentiale liegen nicht direkt übereinander, sondern werden von einer »schwebenden« Lage verbunden (Bild 3).

Der interne Aufbau bringt jedoch eine extrem niedrige Kapazität mit sich. Im Vergleich zur vorherigen Lösung spielt nicht nur das Prinzip der Reihenschaltung eine Rolle, sondern auch die Reduzierung des aktiven Bereichs.

Open-Mode-Kondensator

Bei einem Open-Mode-Kondensator werden die inneren Elektroden verkürzt. So wird der aktiv genutzte Bereich reduziert. Durch kürzere Elektroden besteht bei einem »Crack« im rot gekennzeichneten »risikobehafteten« Bereich eine geringere Wahrscheinlichkeit, einen Kurzschluss zu erzeugen, da sich nur Lagen gleichen Potentials berühren würden (Bild 4).

Kondensator mit Softterminierung

Die Vorteile des Einsatzes eines Kondensators mit Softterminierung sind die höhere mechanische Belastbarkeit und gleichzeitig die optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Größe des Bauteils. Sofern der Lagenaufbau identisch ist, besteht keine schlechtere Performance im Vergleich zu Standardtypen.

Nun wurde bereits erwähnt, dass alle Automotive-SEMCO-Klasse-II-Kondensatoren eine Softterminierung besitzen. Wieso ist der Standard-Artikel dann nicht für den Gebrauch in einer Failsafe Applikation geeignet? – Grund dafür ist, dass der Einsatz eines Bauteils mit Softterminierung im VW-Konzern nur zulässig ist, wenn es nach der VW 80808-2 (Anhang A „Qualifikation von MLCC mit Softterminierung) geprüft wurde. Die Norm fordert die Durchführung verschiedener thermischer und mechanischer Belastungstests. Kritische Anforderungen sind hierbei der mehrmals zu verwendende Biegetest mit 5 mm Biegebeanspruchung und die Feuchtigkeitsprüfung.

Standard-Automotive-Bauteile von SEMCO werden ebenfalls nach VW80808-2 getestet, allerdings mit einer Biegebeanspruchung von 3 mm. Das liegt über den marktüblichen 2 mm für vergleichbare Komponenten. Der Einsatz für den Automotive-Bereich ist somit gewährleistet, jedoch eben nicht für Failsafe-Applikationen. Wenn man auf dem Markt von Softterminierung spricht, verbindet man das in der Regel mit 5 mm Biegefestigkeit und der Failsafe-Strategie. Hier muss für SEMCO eine differenzierte Betrachtung angewendet werden. Die benötigten 5 mm Biegebeanspruchung bringt die gesonderte Produktfamilie PJ mit sich. Hier wird bei der Qualifizierung nach VW 80808-2 mit den regulären Kriterien gearbeitet.

Für kleine und mittlere Kapazitätswerte werden zusätzliche Lagen gleichen Potentials auf der Ober- sowie Unterseite platziert. Dies bietet nicht nur den Vorteil, dass bei einem Crack kein Kurzschluss entsteht, sondern führt auch eine erhöhte mechanische Stabilität des kompletten MLCC Aufbaus mit sich (Bild 5).

Für Kapazitätswerte, welche im oberen Performance Bereich liegen, wird ein zu den Standardartikeln äquivalenter Aufbau verwendet (s. Bild 1). Da eine hohe Kapazität erreicht werden muss, wird der Raum ohnehin mit Lagen ausgefüllt, sodass die Stabilität gewährleistet ist. Die Tests der Softterminierung nach VW 80808-2 wurden für alle derzeit aktiv promoteten SEMCO-Automotive-Bauteile erfolgreich abgeschlossen.

Downsizing

Der Trend der Miniaturisierung unterstützt den Einsatz der Softterminierungs- Variante umso mehr. Der Schlüssel zu kleinen und sicheren Bauteilen liegt also zum einen an einer robusten Terminierung und zum anderen an der immer feiner werdenden Keramik, welche einen dünneren Lagenaufbau ermöglicht.   sd

 

 

Literatur

[1] VW 80808-1: 2015-02, Seite 9

[2] VW 80808-2, Anhang A „Qualifikation von MLCC mit Softterminierung“