Hochtemperaturtaugliche MLCCs

Fortschrittliches Dielektrikum bietet Stabilität, auf die sich Entwickler verlassen können

| Autor / Redakteur: Paul Staubli* / Thomas Kuther

Eine deutliche Weiterentwicklung der modernen Technik ist die rapide Zunahme des Elektronikanteils in Produkten und Systemen, die vorher rein mechanischer Natur waren. Das beste Beispiel: Autos.

Elektrische und elektronische Systeme, die in unseren Fahrzeugen früher einmal nur die Beleuchtung und Instrumentierung unterstützt haben, sind Heute hingegen ein entscheidender Bestandteil für die Funktion des gesamten Fahrzeugs. Dazu zählen die Bremsen, Lenkung, das Motor- und Karosseriemanagement und immer mehr die Systeme für Sicherheit, Stabilität, Unterhaltung und Komfort.

In älteren Fahrzeugen wurden die Elektronikmodule zur Steuerung vieler Funktionen im Fahrzeuginnenraum platziert. Der zunehmende Druck auf die Fahrzeughersteller, doch mehr Platz für den Fahrer, die Mitfahrer und das Gepäck anzubieten, führte im Laufe der Jahre dazu, dass viele Module in weniger bedachte Bereiche des Fahrzeugs verbannt wurden. Im Falle der Motormanagement-, Brems- und Lenkmodule etc. führte das zu einer Unterbringung unter der Motorhaube – meist in der Nähe oder direkt an der eigentlichen Funktion, die überwacht und gesteuert werden soll.

Anspruchsvolles Umfeld für Elektronik

Ein Betrieb unter der Motorhaube ist nicht gerade gemütlich. Die dort platzierte Elektronik muss so verbessert werden, dass sie zuverlässig und über die lange Lebensdauer eines Fahrzeugs hinweg zufriedenstellend arbeitet.

Steht ein Fahrzeug still – mit abgeschaltetem Motor – was auf die meiste Zeit seiner Lebensdauer zutrifft, können die elektronischen Systeme und Module extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt sein (Neufahrzeuge werden heute routinemäßig auf bis -30 °C getestet). Die Luftfeuchtigkeit spielt dabei ebenfalls eine Rolle. Im Gegensatz dazu können bei laufendem Motor in einer Region mit warmem Klima Temperaturen unter der Motorhaube von mehr als 125 °C auftreten – was ebenfalls eine Herausforderung darstellt. Hinzu kommen Vibrationen, Feuchtigkeit und elektromagnetische Störungen. Je nach Ort und Betrieb kann demnach die Fahrzeugelektronik diesen extremen Bedingungen über viele Stunden ausgesetzt sein.

Elektronikmodule für das Motormanagement, die Bremsen und die Lenkung bestehen aus verschiedenen Funktionsblöcken, die Sensorik, Signalaufbereitung und –verarbeitung enthalten. Diese werden durch passive Bauelemente unterstützt, zu denen auch Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs – Multilayer Ceramic Capacitors) zählen. Obwohl passive Bauelemente nicht gerade die teuren Komponenten einer Stückliste sind, muss ihre korrekte Funktion für die Gesamtperformance und Zuverlässigkeit des Systems aber auf jeden Fall gewährleistet sein.

Eine neue Generation dielektrischer Materialien

Die steigende Nachfrage nach Bausteinen, die auch bei höheren Temperaturen einen zuverlässigen Betrieb unter der Motorhaube von Fahrzeugen garantieren und auch in rauen Umgebungen in Nischenmärkten zum Einsatz kommen, z.B. bei Bohrvorhaben sowie in der Verteidigungs- und Luft-/Raumfahrttechnik, verlangt nach Kondensator-Spezialherstellern wie KEMET, die sich das nötige Know-how für die Entwicklung dielektrischer Materialen angeeignet haben. Nur so lassen sich die erforderlichen Leistungsgrade bei Kondensatoren erzielen.

Die neueste Weiterentwicklung sind MLCCs mit X8L- und X8R-Dielektrikum. Damit ergibt sich ein weiter Betriebstemperaturbereich von -55 bis +150 °C, der zusammen mit einer hohen Kapazitätsstabilität einhergeht. Denn für Entwickler ist es schwierig, bei Temperatur-änderungen mit schwankenden Kapazitätswerten zu arbeiten. Diese Schwankungen sind umso stärker, je näher der Betrieb am oberen Ende des Temperaturbereichs stattfindet.

Ist ein Kondensator z.B. für einen Betrieb mit hoher Speicherkapazität vorgesehen, kann die gespeicherte Ladungsmenge bei hohen Betriebstemperaturen um einen zweistelligen Prozentbetrag kleiner sein als die ausgewiesene Bauteilkapazität. Der Kondensator kann dann die ursprünglich gewünschte Funktion nicht ausführen. Die einzige Möglichkeit für Entwickler, dieses potenzielle Problem zu überwinden, war das Spezifizieren wesentlich höherer Bauteilkapazitäten als eigentlich gefordert. Neben diesem eher unbeholfenen Ansatz kamen auch noch ein größeres Gehäuse und eine größere Stellfläche des gewählten Kondensators hinzu, was auch zu höheren Kosten führen konnte.

Neben einer Spezifikation für hohe Temperaturbereiche bieten die X8L- und X8R-Dielektrika bis zur Maximaltemperatur von 150 °C auch eine geringe Kapazitätsabweichung. Bei X8L beträgt diese ±15% bis 125 °C und +15/-40% bis 150 °C. X8R bietet noch stabilere Kapazitätswerte mit ±15% über den gesamten Temperaturbereich von –55 bis +150 °C.

KEMET bietet MLCCs mit einem äußerst stabilen X8R-Dielektrikum. Damit steht der gleiche Betriebstemperaturbereich wie mit herkömmlichem X8R zur Verfügung – nur mit zusätzlicher Stabilität bei Extremtemperaturen und ohne Kapazitätsverlust beim Anlegen einer Gleichspannung. Damit ergeben sich stabile X8R-MLCCs, die herkömmliche X8R-Kondensatoren mit höherer Kapazität und größerer Stellfläche ersetzen können.

MLCCs mit X8R- und X8L-Dielektrikum können teurer als vergleichbare Kondensatoren gleicher Kapazität sein, die aber ein weniger stabiles Dielektrikum und einen kleineren Betriebstemperaturbereich aufweisen. Die höheren Kosten rechnen sich jedoch, wenn Entwickler stattdessen mehrere parallele MLCCs oder kapazitätsstärkere Kondensatoren mit größeren Gehäusen und weniger leistungsfähigen Dielektrika einsetzen müssten.

Schlussbemerkung

Da in Fahrzeugen heute immer mehr Elektronik zur Steuerung sicherheitskritischer Funktionen zum Einsatz kommt, z.B. bei Bremsen, Lenkung und elektronischer Stabilitätskontrolle, ist die Verfügbarkeit von MLCCs für Entwickler von hoher Bedeutung. Diese Kondensatoren bieten über einen großen Betriebstemperaturbereich äußerst stabile Kapazitätswerte. Die potenziellen Platzeinsparungen durch den Wegfall baugrößerer Kondensatoren mit höherer als der erforderlichen Kapazität ist ein weiterer Vorteil in einem Anwendungssektor, in dem das Platzangebot für Leiterplatten zunehmend kleiner wird.

// TK

* *Paul Staubli, Director Application Engineering Europe,

* KEMET Electronics

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