Charakterisierung von Kondensatoren Polymer- versus Keramik-Kondensatoren

Polymerkondensatoren als Alternative zu MLCCs

Insbesondere die SP-CAPs und POS-CAPs sind mit ihrem kleinen Format ein guter Ersatz für MLCCs. Allerdings muss man wissen, dass bei näherer Betrachtung einige bedeutende Unterschiede zwischen den Eigenschaften der beiden Technologien erkennbar sind:

Eigenschaften in Bezug auf Stabilität und Frequenz

Bild 1 zeigt die Veränderung der Kapazität über einen großen Frequenzbereich bei verschiedenen Technologien. Hierbei wird deutlich, dass Polymerkondensatoren sehr ähnliche Leistungswerte aufweisen wie Keramikvielschicht-Chipkondensatoren.

Unterschiede in Bezug auf Kapazitätsdichte/Stabilität und DC-Vorspannung

Ein MLCC kann bei gleicher Grundfläche und gleichem Volumen nicht dieselbe hohe Kapazität erreichen wie ein Polymerkondensator. Außerdem ist die Kapazität des MLCC aufgrund der Verwendung ferroelektrischer Dielektrika stark von der DC-Vorspannung abhängig. Hochkapazitive Keramikvielschicht-Chipkondensatoren weisen zudem eine Eigenschaft auf, die viele Elektronikdesigner nicht richtig einordnen können: Denn deren Kapazität verändert sich mit der angelegten Gleichspannung, was zu einem Kapazitätsabfall von mehr als 70 Prozent gegenüber den im Datenblatt angegebenen Spezifikationen führen kann (Bild 2). Bei Polymerkondensatoren indes variiert die Kapazität nicht wesentlich, wenn sich die Anwendungsspannung ändert.

Bilder: 3

Polymerkondensatoren als Alternative zu MLCCs

Die SP-CAPs und POS-CAPs sind mit ihrem kleinen Format ein guter Ersatz für MLCCs

Aufgrund dieser Eigenschaften werden von SP-CAPs oder POSCAPs erheblich geringere Stückzahlen benötigt als von MLCCs. Das spart Platz auf der Leiterplatte und macht sich als Kostenfaktor bemerkbar, da sich Teilekosten und Produktionsschritte einsparen lassen.

Kapazitätsschwankungen in Abhängigkeit von der Temperatur

Typische Temperatureigenschaften der beiden Kondensatortechnologien sind in Bild 3 dargestellt. Die beiden in Blau und Grün eingefärbten Kurven stehen stellvertretend für verschiedene MLCCs und variieren innerhalb des Toleranzbereichs der jeweiligen Produktreihen. Bei Polymerkondensatoren hingegen nimmt die Kapazität mit steigender Temperatur linear zu.

Erwähnt werden muss ferner, dass sich die Temperatureigenschaften der MLCCs – je nach Art des Dielektrikums – unterscheiden, doch alle sind anfällig für temperaturabhängige Alterungsfehler und eignen sich auch nur für geringere elektrische Feldstärken.

Ein weiteres Kriterium darf nicht unerwähnt bleiben: Keramikkondensatoren sind spröde und empfindlich gegenüber Temperaturschocks. Daher müssen insbesondere bei großen Formaten mit hoher Kapazität Vorkehrungen getroffen werden, um Risse während der Montage zu vermeiden. Der zulässige Temperaturbereich für Keramikkondensatoren liegt bei –40 bis +85 °C oder +125 °C, verbunden mit einer Kapazitätsvariation von ca. +5 bis –40 % und einem Optimalpunkt im niedrigen Temperaturbereich von 5 bis 25 °C. Ein Aspekt allerdings spricht noch für die Polymere: Mit ihrer höheren Dielektrizitätskonstante ermöglichen sie hohe Energiedichten.

Piezoelektrische Effekte des Keramik-Chipkondensators

Die meisten Dielektrika von Keramikkondensatoren weisen eine Eigenschaft auf, die als piezoelektrischer Effekt bezeichnet wird und in bestimmten Schaltungen unerwartete Signale verursachen kann. In manchen Fällen kann der piezoelektrische Effekt sogar zu elektrischen Störungen führen. Wenn ein elektrisches Potenztial oder Feld auf der Oberfläche eines MLCC eine Verformung im Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz verursacht, so kann diese für den Menschen hörbar sein.

Dies wird als akustisches Rauschen bezeichnet – man sagt, der MLCC »singt« (Bild 4). Ein MLCC allein reicht in den meisten Fällen aber nicht aus, um problematische oder störende Schalldruckpegel (SPL) zu erzeugen. Auf der Leiterplatte verlötet, bildet der MLCC jedoch ein Feder-Masse-System, das die Schwingungen je nach Frequenz verstärkt oder dämpft.

Robustheit kann zu einem Problem werden

MLCCs werden mehr als zehn Zuverlässigkeitstests unterzogen: darunter Temperaturschock-, Biege- und einseitige Feuchtigkeitstests – je nachdem, für welche Anwendungen sie vorgesehen sind. Beim Biegetest wird die mechanische Beständigkeit gegen Rissbildung geprüft, die auftreten kann, wenn die Leiterplatte (PCB), auf der der MLCC verlötet ist, unter Biegespannung steht. Dies kann während bzw. zwischen einzelnen Fertigungsschritten und bei Temperaturschwankungen im Betrieb häufig passieren.

Ein Biegeriss führt unter Umständen zu einem Kurzschluss zwischen den gegenüberliegenden Innenelektroden. Außerdem kann es vorkommen, dass sich ein Fail-Open im Laufe der Nutzungsdauer zu einem Fail-Short entwickelt. Wenn ein Riss in einem Kondensatorelement (Bild 5) einen Kurzschlussfehler verursacht, kann dies zu Problemen wie Hitze-, Rauch- oder Funkenbildung führen. Deshalb müssen insbesondere bei Geräten, bei denen es auf Zuverlässigkeit ankommt, unbedingt vorbeugende Maßnahmen getroffen werden.

Sicherheitsaspekte sprechen für Festelektrolyt

Die meisten Keramikkondensatoren sind für einen relativ hohen Spannungswert ausgelegt. Wenn allerdings die Spannung zwischen den Kondensatoranschlüssen die Nennspannung übersteigt, kann das Dielektrikum zusammenbrechen und der Elektronenfluss zwischen den dünnen Materialschichten im Inneren des Kondensators einen Kurzschluss verursachen.

Beim Vergleich der Lebensdauer von Polymerkondensatoren und MLCCs müssen ihre jeweiligen Konstruktionen und Eigenschaften berücksichtigt werden: Dazu muss man wissen, dass Polymerkondensatoren als Chip- und als Wickelkondensatoren angeboten werden. Da Polymer-Feststoffkondensatoren nicht als Verschleißteile gelten, die gelegentlich ausgetauscht werden müssen, werden sie häufig als SMDs gefertigt. Dadurch beanspruchen sie weniger Platz auf der Leiterplatte, sind aber schwieriger abzulösen, falls doch einmal ein Austausch erforderlich sein sollte.

Die Verwendung von Festelektrolyt ist ein großer Vorteil. In einem Nasselektrolyt-Kondensator kann das Elektrolyt bei Überhitzung verdampfen. Der hierbei entstehende Druck kann dazu führen, dass der Kondensator platzt oder sogar explodiert. Dieses Risiko besteht bei Polymer-Feststoffkondensatoren nicht – ein solcher Kondensator wird entweder kurzgeschlossen oder beginnt sich wie ein offener Stromkreis zu verhalten. Generell sind Polymerkondensatoren also wesentlich zuverlässiger als MLCCs.         

Nach Unterlagen von Panasonic