Kondensatoren stapeln

Die dritte Dimension nutzen

23. September 2021, 10:00 Uhr | Dr. Philip Lessner, Kemet
Kemet, Capacitors
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Wo Baugrund teuer ist, lohnt es sich, in die Höhe zu bauen – Beispiel Manhattan. Ähnliches gilt auch für viele elektronische Geräte: Platz auf der Leiterplatte ist wertvoll. Warum also nicht die dritte Dimension nutzen und in die Höhe bauen?

Miniaturisierung ist ein Trend, der zu allen Zeiten und auch weiterhin das Design elektronischer Produkte bestimmt. Und kleiner bedeutet immer auch besser: von der Kanallänge der Transistoren bis zur Größe des Endprodukts. Dies wird in der Art und Weise deutlich, wie Kommunikationsgeräte, tragbare Rechner und tragbare Elektronik seit ihrer Einführung geschrumpft sind (Bild 1).

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Bild 1: Technische Weiterentwicklung bei Kommunikationsgeräten.
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Allerdings stimmt es auch, dass bei einigen Produkten die Abmessungen im Grunde vorgegeben sind. Haushaltsgeräte wie Wäschetrockner oder Mikrowellen müssen weiterhin vorgegebene Außenabmessungen haben. Als sie entwickelt wurden, bestimmten die damals verfügbaren elektronischen Bauelementen und Subsysteme im Inneren deren Größe – ein heute schwer zu überwindendes Erbe. Ein Router zum Beispiel ist heute noch fast genauso groß wie vor zehn Jahren, aber wenn man das Gehäuse öffnet, ist es innen größtenteils leer.

Die Tatsache, dass »das Innere immer kleiner wird«, ist für Hersteller elektronischer Geräte weiterhin sinnvoll, denn die Abmessungen zählen. Auch wenn der verfügbare Platz im Inneren des Endprodukts gleichbleibt, lassen sich kleinere Leiterplatten kostengünstiger fertigen. Außerdem bedeuten kleinere Leiterplatten, dass mehr Platz für Batterien da ist. Eine längere Batterielebensdauer wiederum bedeutet zufriedenere Kunden. Und da nicht jedes Gerät auf alte Abmessungen festgelegt ist, werden viele Elektronikprodukte Jahr für Jahr weiter schrumpfen.

Zunehmende Leistungsdichte

Seit vielen Jahren schrumpfen entlang dem Moore‘schen Gesetz die integrierten Schaltkreise. Noch wichtiger ist, dass diese höhere Integration zu weniger Komponenten und folglich kleineren Leiterplatten geführt hat. Nicht ganz so gut skalieren lässt sich die Leistungsaufnahme. Im Gegensatz zu den Transistoren in den ICs und den entsprechenden Versorgungsspannungen, die immer kleiner werden, nimmt die Leistungsdichte in den Systemen im Laufe der Zeit tendenziell eher zu. Dies gilt sowohl für den kleinsten digitalen Signaltransistor als auch für den größten Leistungstransistor.

In der Vergangenheit ging Power-Management mit der physischen Größe einher: Die Kanalgröße eines Leistungstransistors steht in direktem Zusammenhang mit seiner Leistungsfähigkeit. Viele Anwendungen mit hoher Leistung, zum Beispiel in der Industrie und in Fahrzeugen, boomen. Sie erfordern große Leistungshalbleiter, was eine hohe Verlustleistung und viel Abwärme mit sich bringt. Diese Wärmeverluste sind dann von der Leiterplatte abzuführen – oft mit einem Kühlkörper oder einer Form von forcierter Luftkühlung. Alternativ muss die maximal zulässige Arbeitstemperatur der Bauelemente steigen.

Anbieter siliziumbasierter Leistungshalbleiter verbessern ihre Bauelemente kontinuierlich, sodass der Wirkungsgrad steigt und somit die Verluste und die Abwärme sinken. Dadurch können kleinere Bauelemente mehr Leistung bewältigen, die Leistungsdichte eines Produkts nimmt daher zu. Einfach ausgedrückt: Das Endprodukt kann entweder mehr leisten oder lässt sich kleiner gestalten. Die Realität ist meistens eine Kombination aus beidem.

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Bild 2: Mithilfe von Wide-Bandgap-Halbleitern beispielsweise aus Siliziumkarbid (SiC) lassen sich Umrichter wesentlicher kompakter bauen.
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Mit der breiten Einführung von Leistungshalbleitern mit großer Bandlücke (Wide Band Gap, WBG) wandelt sich die Situation gerade. Konkret geht es dabei um Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC). Leistungshalbleiter aus diesen Materialien können effizienter und bei höheren Temperaturen arbeiten als ihre Pendants auf Basis von Silizium. Dafür gibt es zahlreiche technische Gründe, die mit der Fähigkeit verbunden sind, bei höheren Schaltfrequenzen zu arbeiten, mit geringeren parasitären Kapazitäten und niedrigeren Durchlasswiderständen – aber das Ergebnis dreht sich vor allem um die Leistungsdichte (Bild 2).

Aus kommerzieller Sicht ist eine höhere Leistungsdichte weitgehend positiv, technisch jedoch belastet sie andere Komponenten, die für den Betrieb in derart dicht bestückten Umgebungen weniger gut gerüstet sind. Entwickler erkennen nun die Folgen einer höheren Leistungsdichte auf Systemebene. Damit diese WBG-Halbleiter das Versprechen einer höheren Leistungsdichte einlösen können, benötigen sie unterstützende Bauelemente, die sich bei höheren Temperaturen, Frequenzen und Spannungen betreiben lassen.


  1. Die dritte Dimension nutzen
  2. Herausforderung Temperaturanstieg

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