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Interview

Kondensatoren, Widerstände und Co. wandeln sich

Reinhard Sperlich ist Managaing Director Germany bei Murata Europe.
Reinhard Sperlich ist Managaing Director Germany bei Murata Europe.
© Murata Europe

Reinhard Sperlich, Managing Director Germany bei Murata Europe, erklärte dem Elektronik -Redakteur Alfred Goldbacher, wie sehr sich passive Bauelemente über die vergangenen Jahrzehnte hinweg hinsichtlich ihrer Leistungsdaten gewandelt haben. Und auch für diese Produktgruppen gilt: Nichts ist so beständig wie der Wandel.

Wer sich mit passiven Komponenten wie Widerständen, Kondensatoren, Induktivitäten und anderen mehr befasst, mag den Eindruck haben, dass diese Bauteile seit Jahrzehnten in bewährter Technik gefertigt und über die Jahre womöglich graduell preisgünstiger geworden sind. Diesen Produktgruppen haftet auf keinen Fall der Ruf an, dass sich deren Integrationssprünge - ähnlich wie bei hochkomplexen Prozessoren oder Speicherbausteinen - quasi alle zwei Jahre wiederholen. Die Weiterentwicklung dieser Komponenten wird allerdings sehr stark von den Anforderungsprofilen bestimmter Applikationen getrieben, so dass es neben den zahlreichen Standardbaureihen eine noch viel größere Anzahl an Sonderbauformen gibt.

Elektronik: Passive Bauelemente müssen immer noch kleiner, leistungsfähiger und umweltverträglicher werden. Gibt es denn Zahlen, wie sich die passiven Bauelemente umsatzmäßig entwickelt haben? Und haben Sie vielleicht auch ein Beispiel, welche Ausmaße der Miniaturisierungs-Trend in den vergangenen Jahren erreicht hat?

Reinhard Sperlich: Objektive Marktzahlen gibt es unter anderem vom ZVEI, der bekanntlich jedes Jahr entsprechende Studien durchführt. Und da kann man allein für die Jahre 2009 bis 2011 erkennen, dass sich der Umsatz mit passiven Bauteilen im Wesentlichen auf den asiatisch-pazifischen Raum konzentriert; von knapp 21 Milliarden Euro im Jahre 2009 stieg der Umsatz auf rund 31,4 Milliarden Euro im Jahre 2011. Und von dem Kuchen mit gut 31 Mrd. Euro müssen fast 20 Mrd. Euro den Fertigungsstandorten im asiatisch-pazifischen Raum zugeordnet werden. In Europa, Nahost und Afrika wurden entsprechende Produkte im Wert von rund 5,6 Mrd. Euro umgesetzt, und auf Japan und USA entfallen nochmals Waren im Wert von knapp 3 Mrd. Euro je Region.

Wenn man sich nun den passiven Komponenten aus technischer Sicht nähert, so muss man genau unterscheiden, seit wie vielen Jahrzehnten die jeweiligen Produkte entwickelt und gefertigt werden. Kondensatoren zum Beispiel, die in Vielschicht-Keramik-Technik hergestellt werden, gibt es seit rund 30 Jahren. Und auf diesem Gebiet gibt es deutlich größere Fortschritte als zum Beispiel bei Kunststoff-Folienkondensatoren, die es seit etwa 1950 am Markt gibt und deren Technik damit doppelt so alt ist. Bei Keramikkondensatoren konnte man zum Beispiel eine 100-nF/50-V-Version im Jahre 2004 bestenfalls in der Standardgröße 0805 fertigen, während heutzutage derselbe Bausteintyp bereits in der Standardgröße 0402 verfügbar ist. Das Bauteilvolumen sank also auf rund ein Viertel der Ausgangsgröße.

Von diesen Größensprüngen kann ein Folienkondensator nur noch träumen, denn dort lässt sich die Schichtdicke der verwendeten Folien nicht mehr beliebig verringern. Folglich begrenzt sich das Ausmaß der Volumenreduzierung auf bestenfalls 15 bis 20 %, wenn man denselben Zeitraum und dieselben Kenndaten als Randbedingungen voraussetzt. Wie gesagt: Je älter die verwendete Technologie für die Fertigung der Bauteile ist, desto weniger kann man dort noch größere Technologiesprünge erwarten.

Elektronik: Gibt es diesbezüglich Prognosen, die eine Vorhersage für die nächsten fünf bis zehn Jahre zulassen?

Reinhard Sperlich: Prognosen für die kommenden Jahre geben vielleicht Astrologen ab, aber wir als Techniker konzentrieren uns ausschließlich auf die direkt vor uns liegenden Herausforderungen. Und da gibt es genügend zu tun; sei es bei den Hybrid-Lösungen für künftige Kraftfahrzeuggenerationen oder bei den Erneuerbaren Energien, wo Licht- oder Windenergie in Strom gewandelt werden müssen. In beiden Fällen geht es um deutlich steigende Energiemengen, für die wir geeignete Kondensatoren oder zum Beispiel hochpräzise Messwiderstände als Sensoren entwickeln müssen.

Die Bauteile müssen extreme Temperaturschwankungen über viele Jahre hinweg wegstecken können. Oder es müssen Lösungen gefunden werden, damit ein Bauteil, das irgendwo im Feld eingesetzt wird, nicht vollkommen ausfällt, sondern durch geschickt gewählte Segmentierungen nur einen Bruchteil seiner Leistungsfähigkeit einbüßt. Prognosen jedenfalls helfen uns wenig, denn es gilt, die naheliegenden Probleme zu lösen.

Elektronik: Inwieweit wird der Integrationsdruck dazu führen, dass auch passive Komponenten zu komplexeren Arrays zusammengefasst werden, und zwar über Kondensator-, Induktivitäten- und Widerstandsgrenzen hinweg?

Reinhard Sperlich: Wer heute ein Smartphone öffnen würde, und das rate ich keinem Laien, der würde feststellen, dass der Integrationsdruck nicht nur die Entwicklung der verwendeten Halbleiterbausteine vorantreibt, sondern genauso auch die der diskreten und passiven Komponenten. Die analogen Front-Ends, die in diesen komplexen Endgeräten zum Einsatz kommen, treiben vor allem auch die Integration diskreter Bauteile zu Array-Lösungen voran, um Platz zu sparen oder thermische Effekte in den Griff zu kriegen.

Bei aller Begeisterung für Array-Lösungen, die technisch durchaus machbar sind, muss man sich im Klaren sein, dass Arrays - ähnlich wie ein applikationsspezifischer Prozessor - einem genau definierten Anforderungsprofil entsprechen müssen. Arrays mit -zig Widerständen, Induktivitäten und/oder Kondensatoren passen für eine dedizierte Applikation und sind für den nächsten Einsatzfall bereits ungeeignet. Arrays werden also seit langem produziert, aber sie tauchen nicht in irgendwelchen Produktkatalogen als Stangenware auf.

Elektronik: Welche Integrationsmöglichkeiten sind oder wären darüber hinaus technisch machbar und auch kommerziell sinnvoll?

Reinhard Sperlich: Es werden bei Murata permanent neue Produkte und bestehende Techniken weiterentwickelt; ein gutes Beispiel ist die seit 2004 weiterentwickelte Low-Temperature-Co-fired-Ceramics-Technik, die wir damals von Sumitomo übernommen hatten und seither weiterentwickeln. Das verwendete Keramikmaterial und die auf sowie in den verschiedenen Keramiklagen integrierten Bauteile sind nicht nur sehr kompakt herstellbar, sondern sie eignen sich vor allem für Betriebstemperaturen von 140 bis 150 °C.

Die Module können folglich in jene Aggregate integriert werden, welche im Motorraum eines Fahrzeugs platziert sein müssen. Die Keramikträger selbst bestehen aus bis zu 20 verschiedenen Keramiklagen, und in diese Substrate können passive Komponenten wie Widerstände oder auch Filter integriert werden. Die eigentliche Schwierigkeit bei der Fertigung dieser Module besteht unter anderem darin, dass diese Module bei mehr als 1000 °C gebrannt werden müssen, um mechanisch robust zu sein. Dabei kommt es zu Schrumpfungsprozessen innerhalb der Keramikschichten, die angesichts der zahlreichen Vias zwischen den jeweiligen Keramiklagen ein extrem hohes Maß an Fertigungsgenauigkeit voraussetzen.

Die auf diese Weise gefertigten Module kommen unter anderem in elektronischen Lenksystemen, in Doppelkupplungsgetrieben oder siebenstufigen Automatikgetrieben zum Einsatz. Die Integration von diskreten Bauteilen in Keramiksubstrate ist nicht nur technisch machbar, sondern auch sinnvoll, weil es den extremen Temperaturanforderungen der Kfz-Industrie entgegenkommt.

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