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Kriterien für MLCCs für HF-Einsatz

Von der Relativität von High-Q-Kondensatoren

28. März 2023, 7:30 Uhr | Von Scott Horton, Johanson Technology, und Falko Ladiges, WDI

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Gleichbleibende Herstellung

Ein weiterer Bereich, der den ESR eines High-Q-Kondensators beeinflussen kann, ist der Herstellungsprozess. Definitionsgemäß bestehen MLCCs-Kondensatoren aus laminierten Schichten speziell formulierter keramischer Dielektrika, die mit einem Metallelektrodensystem durchsetzt sind. Der Schichtaufbau wird dann bei hoher Temperatur gebrannt, um ein gesintertes und volumetrisch effizientes kapazitives Bauelement herzustellen. An den freiliegenden Enden des Chips ist ein leitfähiges Abschlussbarrieresystem integriert, um die Verbindung zu vervollständigen.

Bei mehrschichtigen Keramikkondensatoren (MLCC) wird die Kapazität in erster Linie durch drei Faktoren bestimmt: das k des keramischen Materials, die Dicke der dielektrischen Schichten sowie die Überlappungsfläche und die Anzahl der Elektroden. Ein Kondensator mit einer bestimmten Dielektrizitätskonstante kann also mehr Schichten und größere Abstände zwischen den Elektroden oder weniger Schichten und engere Abstände aufweisen, um die gleiche Kapazität zu erreichen.

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Eine signifikante Änderung der Lagenzahl bei MLC-Kondensatoren kann die Leistungsmerkmale erheblich verändern. Daher kontrollieren die führenden Kondensatorhersteller die Anzahl der Lagen bei jedem hergestellten Teil sehr genau. Leider ist dies in der Branche keine Selbstverständlichkeit, denn einige Anbieter liefern Produkte mit derselben Teilenummer, aber einer unterschiedlichen Anzahl von Lagen.
Kurz gesagt: Ein und dieselbe Teilenummer kann sehr unterschiedliche Designs haben, die zu unerwünschten Impedanzänderungen im Kondensator führen. Wenn ein Hersteller die Anzahl der Lagen nicht genau kontrolliert, kann es sein, dass er in einer Charge 10-Lagen-Teile liefert und in einer späteren Charge 17-Lagen-Teile. Diese beiden Teile werden bei hohen Frequenzen nicht die gleiche Leistung erbringen.

Eine weitere Ursache für Leistungsschwankungen liegt darin, dass OEMs über Wiederverkäufer einkaufen, die von mehreren Fabriken beziehen. In diesem Szenario haben die verschiedenen Fabriken unterschiedliche Designs, die eine unterschiedliche Hochfrequenzleistung aufweisen. Da die Artikel also von verschiedenen Herstellern bezogen werden, kann das zu erheblichen Schwankungen in der Hochfrequenzleistung führen – ein Szenario, in dem die Teile nicht gleichbleibend sind, was wiederum zu Schwankungen in der Systemleistung führt.

Zu den wichtigen Leistungskennzahlen zählt auch die Serienresonanzfrequenz (SRF), die durch unterschiedliche Lagenzahlen beeinflusst wird. Diese Schwankung kann sich negativ auf die Leistung von LC-HF-Filtern auswirken, in denen diese Kondensatoren verwendet werden. Bandpassfilter zum Beispiel nutzen oft die Resonanzfrequenzen des Kondensators, um seine Leistung zu formen. Das bedeutet, dass die Filter bei unterschiedlichen Lagenzahlen möglicherweise nicht wie vorgesehen funktionieren und die Strahlungsemissionen im fertigen Produkt die FCC- oder ETSI-Anforderungen nicht einhalten. Änderungen der Kondensatorleistung von Los zu Los können zu kostspieligen Produktrückrufen führen.

Kondensatoren mit hohen Verlusten können sich auch auf Aspekte wie die Batterielebensdauer auswirken. Bei Systemen, in denen HF-Verstärker verwendet werden, ist es ineffizient, wenn die Leistung von einem Kondensator absorbiert oder abgeleitet wird. Die Ingenieure müssen dann Verstärker einsetzen, um die durch Kondensatoren mit niedrigem Q-Wert verursachten Verluste auszugleichen, was zu einer schnelleren Entleerung der Batterie in Handheld-Geräten führt.

Kondensatoren mit hohem Q-Wert können auch die Empfindlichkeit des Empfängers verbessern, indem sie die Verluste zwischen der Antenne und dem Transceiver verringern.