08.10.2016

Alle über das U2J-Dielektrikum

Das neue U2J-Dielektrikum für mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCCs) übertrifft das „fast perfekte“ C0G-Dielektrikum. Damit ergeben sich höhere Kapazitäten, wie sie normalerweise mit Klasse-II-Dielektrika erzielt werden, sowie vorhersagbare Temperatur- und Spannungscharakteristika eines Klasse-I-Dielektrikums.



Autor: Corey Antoniades, Kemet


Mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCCs) im Chip-Format und SMD-Gehäuse kommen in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz, z.B. in der Consumer-Elektronik, Medizintechnik, Industrie, Automobilelektronik etc. Ihre Kombination aus günstigem Preis, Tauglichkeit für die Serienfertigung, hohen Kapazitäten bei kleinen Abmessungen und hoher Zuverlässigkeit erfüllen die Anforderungen zahlreicher Anwendungen.


Die wesentlichen Eigenschaften der MLCCs, also Kapazität, Größe und Leistungsfähigkeit über der Spannung und Temperatur, werden vor allem durch das Dielektrikum bestimmt. Weitere wichtige Faktoren sind der Aufbau der Elektrode, der die Festigkeit gegenüber Biegerissen und Lichtbögen auf der Oberfläche festlegt, wie sie bei hohen Spannungen auftreten können. Eine Vielzahl von Dielektrika steht heute zur Verfügung, die sich in drei Klassen zusammenfassen lassen. Entwickler können so den optimalen Baustein für ihre Anwendung entsprechend des gewünschten elektrischen Verhaltens, der umgebungsbezogenen Leistungsfähigkeit und der Kosten auswählen. Bild 1 fasst die wichtigsten Klassen und Arten von Dielektrika zusammen.




Tabelle 1: Zusammenfassung der dielektrischen Leistungsfähigkeit von MLCCs mit Dielektrika der Klassen I, II und III



Mehr Auswahl, mehr Leistungsmerkmale

Trotz der Vielzahl der heute verfügbaren Dielektrika gibt es einige Anwendungen, die mit Kondensatoren auf Basis dieser Klassen nicht vollständig bedient werden können. Das Klasse-I-Dielektrikum C0G ist zum Beispiel ein „fast perfektes“ Dielektrikum: es ermöglicht eine hohe Kapazität in kleinen Gehäusen, ist äußerst stabil und behält eine hohe Kapazität über seinen ausgewiesenen Temperatur- und Spannungsbereich.


Allerdings finden einige Entwickler den Kapazitätsbereich etwas eingeschränkt. Klasse-II-Dielektrika ermöglichen höhere Kapazitäten in vergleichbaren Gehäusegrößen, bieten aber weniger stabile Eigenschaften über der Temperatur und Spannung (Tabelle 1).


Ein fortschrittlicheres Klasse-I-Dielektrikum wie U2J erfüllt nun die Anforderungen an höhere Kapazitätswerte in kleinen Gehäusen. Entscheidend ist, dass U2J eine Temperaturstabilität ähnlich wie C0G bietet und somit in Anwendungen einsetzbar ist, die eine hohe Linearität erfordern. In Bezug auf die angelegte Spannung bleibt die Kapazität zudem äußerst stabil.



Bild 2: Kondensatoren auf Basis dieses U2J-Dielektrikums bieten in etwa die doppelte Kapazität von C0G-Kondensatoren vergleichbarer Baugröße.


In der Vergangenheit mussten Entwickler Kondensatoren mit Klasse-II-Dielektrikum wählen, um eine Kapazität über dem gängigen C0G-Bereich in einem kleinen, flachen Gehäuse zu erhalten. Klasse-II-Kondensatoren weisen aber eine schlecht vorhersagbare Kapazitätsänderung über der Temperatur auf und können bis zu 95% ihrer Nennkapazität bei Nennspannung verlieren.



U2J-Kondensatoren bieten hingegen eine sehr stabile Spannungscharakteristik und weisen pro °C eine Abweichung von weniger als ±120 ppm von der Nennkapazität auf – und das im weiten Temperaturbereich von -55 bis +150°C. Das neue U2J-Dielektrikum bietet damit die gewünschten Eigenschaften von C0G- und Klasse-II-Dielektrika. Das U2J-Dielektrikum ist zudem kompatibel zur BME-Technologie (Base-Metal Electrode).


Entwickler können U2J-Kondensatoren verwenden, um kritische Timing-, Tuning- oder Filternetzwerke mit kleinen, kostengünstigen MLCCs zu entwickeln, statt größere und teurere Alternativen zu verwenden. Zu den entsprechenden Anwendungen zählen PLLs (Phase-Locked Loops) oder Datenerfassungs-Frontends – vor allem in platzbeschränkten Schaltkreisen in Mobilgeräten oder ADAS (Advanced Driver Assistance Systems).


Mit diesen Eigenschaften ist auch ein Einsatz in Fernfühlern, einschließlich Funksensoren möglich, wo eine minimale aber vorhersagbare Kapazitätsänderung über einen weiten Temperaturbereich ein Vorteil ist. Hinzu kommt, dass geringe Energieverluste und minimale Selbstheilung in Pulsschaltungen den Wirkungsgrad erhöhen sowie das Wärmemanagement verbessern und vereinfachen.



Eine neue Roadmap

U2J ist ein relativ neues Dielektrikum, das erst am Anfang seines Entwicklungszyklus steht. Die Roadmap für U2J-Kondensatoren wird Bausteine mit höheren Nennspannungen und strengen Qualitätskriterien enthalten, um z.B. die AEC-Q200-Richtlinien für die Automobilelektronik zu erfüllen. Kemet arbeitet derzeit mit Automotive-Kunden zusammen, um die Vorteile von U2J in Kombination mit den flexiblen FT-CAP-Anschlüssen gegen Biegerisse umzusetzen. Damit ergeben sich Kondensatoren, die die AEC-Q200-Richtlinien sogar übertreffen und somit in Systemen eingesetzt werden können, die extrem hohe Zuverlässigkeit erfordern.





Bild 3: U2J-Kondensatoren sind kompatibel zu belastungsmindernden Maßnahmen und Anschlüssen U2J-Kondensatoren können auch übereinander gestapelt werden (Stacking), um höhere Kapazitäten auf einer kleineren Leiterplattenfläche zu erzielen.


Kemet Power Solutions’ (KPS) proprietäre Leadframe-Technik mit J-Lead SMD-Kontakten sorgt für robuste Anschlüsse. Die MLCC-Anschlüsse werden damit mechanisch von Belastungen isoliert, wie sie durch Biegungen der Leiterplatte und Wärmeausdehnung entstehen (Bild 3).


Derzeitige KPS-stacked MLCCs mit X7R-Dielektrikum (Klasse II) erfüllen die Anforderungen nach AEC-Q200. Stacked U2J-Kondensatoren werden die gleiche mechanische Zuverlässigkeit bieten und darüber hinaus noch die elektrische Stabilität des neuesten Klasse-I-Dielektrikums.


 


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