Passive Bauelemente – Quo vadis?

| Redakteur: Thomas Kuther

Passive Bauelemente weren in allen Branchen der Elektronik eingesetzt. Auf einer Leiterplatte sind ca. 80 Prozent der Bauteile passive Komponenten.
Passive Bauelemente weren in allen Branchen der Elektronik eingesetzt. Auf einer Leiterplatte sind ca. 80 Prozent der Bauteile passive Komponenten. (Bild: Blume)

Passive Bauelemente sind Schlüsselkomponenten, ohne die in der Elektronik nichts geht. Dennoch fristen sie ein Schattendasein. Wilhelm Haßenpflug von Blume Elektronik zeigt Trends auf.

Gelegentlich rücken passive elektronische Bauelemente in den Fokus, und zwar dann, wenn ihre Lieferzeiten extrem stark ansteigen, bis 50 Wochen oder noch länger, und somit die Produktion kompletter Geräte gefährden. Das erste Problem besteht darin, zu beschreiben, was eigentlich die Produktgruppe der passiven Bauelemente umfasst.

Neben den Klassikern wie Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten werden häufig auch frequenzbestimmende Bauteile wie Quarze mit betrachtet. Die gerade für die in Zukunft immer wichtiger werdenden Filter werden teilweise nicht den klassischen Bauelementen zugeordnet. Neben den Halbleitern stellen die Passiven mit zehn Prozent nur einen kleinen Anteil des Gesamtmarktes an elektronischen Bauelementen dar. Die Steckverbinder und andere mechanischen Bauteile haben bezogen auf den Umsatz einen fast doppelt so großen Marktanteil wie die passiven Bauelemente.

Leider steht dem geringen Wert eine Vielzahl von Produkten gegenüber. Auf einer Leiterplatte sind ca. 80 Prozent der Bauteile passive Komponenten. Dazu kommt, dass wegen der vielen Werte, unterschiedlichen Bauformen, Spannungen und Toleranzen die Varianz sehr hoch ist. Eine seriöse Quelle wie das IPC Institut behauptet, dass alleine das Segment der Kondensatoren 17 Fakultät verschiedene Werte erzeugt. Das ist immerhin eine Zahl mit 15 Stellen.

Diese Zahl erscheint sehr hoch, aber selbst, wenn die Realität um Faktoren geringer ist, ergibt sich eine Vielzahl von Möglichkeiten. Diese hohe Zahl von verschiedenen Bauelementen müssen nicht nur auf die Leiterplatte bestückt, sondern auch im Einkauf und Lager verwaltet werden. Damit ist der Anteil der administrativen und Bestückungskosten bei den passiven Komponenten wesentlich höher als bei den aktiven. All das trägt nicht unbedingt zur Beliebtheit von passiven Bauelementen bei.

Aktive und Passive werden auch unterschiedlich gefördert: Während die Entwicklung von aktiven Bauteilen mit milliardenschweren Programmen von der öffentlichen Hand unterstützt wird, wird die Entwicklung von passiven Bauteilen im Wesentlichen von privaten Unternehmen getragen. Das hat auch zur Folge, dass bei den Aktiven die Technologie schon wesentlich mehr ausgereizt ist als bei den Passiven. Hier ergeben sich immer noch zusätzliche Möglichkeiten die passiven Bauelemente weiter zu entwickeln.

Wenn man sich nun mit den Trends und Entwicklungen der passiven Bauelemente beschäftigt, muss man vor allem die Anwendungen und geografischen Unterschiede betrachten. Wenden wir uns zuerst den unterschiedlichen Anwendungen zu. Wir hier in Europa verbauen über 50 Prozent der Komponenten im Automobilbereich und 30 Prozent in elektronischen Industrieprodukten, der Rest teilt sich auf Braune und Weiße Ware, Medizintechnik sowie die Telekommunikation auf.

Jährlich zwei Milliarden Passive für die Telekommunikation

Weltweit gesehen werden die größten Stückzahlen für Smartphones, Computerprodukte und andere Telekommunikationsprodukte benötigt. Diese Produkte werden in wesentlichen höheren Stückzahlen als Automobile- und Industrieprodukte produziert. Alleine Smartphones und Telefone kommen zusammen auf über zwei Milliarden Stück pro Jahr.

In einem Smartphone können zwischen 800 und 1000 Kondensatoren verbaut sein, das macht deutlich: Wenn ein Hersteller weltweit eine Rolle spielen will, muss er in diese Applikationen liefern. Hier kommt noch eine weitere hohe und vor allem interessante Zahl ins Spiel: Zukünftig werden IoT-Produkte eine große Anwendung darstellen. Schätzungen gehen davon aus, dass im Jahr 2040 zehn Billionen Produkte mit dem Internet verbunden sein werden und das überwiegend über eine drahtlose Schnittstellen.

Nur zum besseren Verständnis: zehn Billionen sind 10.000 Milliarden! Das würde bei einer linearen Betrachtung ein Zuwachs von 450 Milliarden Geräten pro Jahr bedeuten. Damit wäre auch die Stückzahl der Smartphone-Produktion schon fast zu vernachlässigen. Ob diese Zahl nun zu euphorisch ist oder nicht, gewaltig wird sie auf jeden Fall.

Wir müssen davon ausgehen, dass die zuletzt betrachteten Anwendungen überwiegend – wenn nicht ausschließlich – in Asien produziert werden. Das macht deutlich, warum sich Hersteller von elektronischen Komponenten immer weniger für den europäischen und deutschen Markt interessieren. In Deutschland verbrauchen wir nur sieben Prozent der weltweit produzierten Bauelemente. Das bedeutet, dass der Trend für die passiven Bauteile in Asien gestaltet wird.

Die weitere Herausforderung besteht nun darin, dass die Anforderungen im europäischen Markt, geprägt durch Automobil- und Industrieanwendungen ganz andere sind, als bei Smartphones und IoT-Anwendungen. Getrieben vom Wunsch zur ubiquitären Kommunikation, also immer und überall erreichbar zu sein und zu kommunizieren, geht der Trend bei diesen Anwendungen zu Bauelementen mit immer kleinerer Bauform, die mit immer höheren Frequenzen betrieben werden. Namhafte Hersteller gehen davon aus, dass bei Keramikkondensatoren im Jahr 2020 bereits über 30 Prozent in der Bauform 0603 (nach EIA Standard ist das eine Größe von 1,6 mm x 0,8 mm) produziert werden.

Als Beispiel für die hohen Frequenzen sei hier nur 5G genannt, das in Frequenzen bis 40 GHz arbeiten soll. In den Automobil- und Industrieanwendungen werden hingegen höhere Leistungsdichten, höhere Ströme und Spannungen benötigt. Dies bedingt nach wie vor größere Bauformen. Ganz zu schweigen von den längeren Verfügbarkeiten, die im Industrie- und Automobilbereich gefordert werden. Die Verfügbarkeiten sind per se noch nicht einmal das Problem, will man aber an den Lernkurven der Hersteller und damit an den Kostenreduktionen partizipieren, muss man den Miniaturisierungssprüngen des Marktes folgen.

Die Entwicklung der Baugrößenverteilung von Keramikkondensatoren von 2016 bis 2020.
Die Entwicklung der Baugrößenverteilung von Keramikkondensatoren von 2016 bis 2020. (Bild: Blume)

Die weitere Miniaturisierung ist nicht aufzuhalten

Aus Sicht der Hersteller ist es nun klar, welchen Markt und welchen Trend man folgt. Die weitere Miniaturisierung ist nicht aufzuhalten. Hinzu kommt, dass mit den kleineren Bauformen die Effizienz der Produktion steigt. Wenn man ein Bauteil der Größe 1210 produzieren kann, kann man von einem Bauteil 0201 über 40 herstellen. Da die Preise nicht im selben Verhältnis fallen, wird deutlich, wo mehr Geld verdient wird. Es ist deshalb auch logisch, bei welchen Bauformen die Kapazitäten aufgebaut werden.

Wohin geht nun die Reise bei den passiven Bauelementen? Die Miniaturisierung wird weiter und unaufhaltsam voranschreiten, dies wird nicht nur für die Keramikkondensatoren gelten, sondern für alle Bauelemente.

Die am stärksten wachsende Produktgruppe sind die Kondensatoren, die bereits über 70 Prozent des Weltmarktes der passiven Bauteile ausmachen. Bei den Kondensatoren werden die Vielschicht-Keramikkondensatoren (MLCC) die Gewinner sein. Aufgrund der permanenten Weiterentwicklung und des steigenden Bedarfs an kleinen Bauteilen werden andere Technologien durch MLCC abgelöst werden. Ultradünne Keramikkondensatoren mit Bauteildicken unter 100 µm ermöglichen es, Kondensatoren direkt auf Halbleiterbauelemente zu montieren.

Neue Materialien wie X9R und neue Technologien wie 3D-Silizium-Kondensatoren mit hohen Temperaturen bis 250 °C und kleinen Bauformen werden die Qualität und die möglichen Anwendungen insbesondere im Automobil- und Industriebereich noch weiter vorantreiben. Größere Kapazitäten und Spannungen werden insbesondere in der E-Mobilität Anwendungen finden. Eine unangenehme Eigenschaft der Keramikkondensatoren, das Spannungsderating, wird über die Weiterentwicklung bei den Keramikmassen verringert.

Film- und Elektrolytkondensatoren werden weiterhin wichtig sein, wenn größere Energiemengen gespeichert werden sollen. Hier wird nach wie vor intensiv nach den Nachfolgetechnologien der Lithium-Ionen-Akkus gesucht. Ob sich nun beim Elektroauto die Batterie oder die Brennstoffzelle durchsetzt, einen Zwischenspeicher wird es immer geben. Die ersten Ansätze mit Graphen-Kondensatoren sind zwar schon vielversprechend, aber noch weit von den erhofften Leistungssprüngen entfernt. Lithium-Ionen-Kondensatoren sind den bekannten elektrischen Doppelschichtkondensatoren (EDLC) in Sachen Energiedichte weit überlegen. Hier wird es darum gehen, in Zukunft die bekannten Herausforderungen wie die Mindestspannung zu meistern.

Dipl. Ing. Wilhelm Haßenpflug, Geschäftsführer der Blume Elektronik Distribution GmbH in Bad Salzdetfurth: „Der Bedarf an passiven Bauelementen wird auch in Zukunft weiter steigen.“
Dipl. Ing. Wilhelm Haßenpflug, Geschäftsführer der Blume Elektronik Distribution GmbH in Bad Salzdetfurth: „Der Bedarf an passiven Bauelementen wird auch in Zukunft weiter steigen.“ (Bild: Blume)

Induktivitäten werden auch in Zukunft nicht aus den elektronischen Schaltungen verschwinden. Insbesondere bei den hohen Frequenzen werden bei Leistungsinduktivitäten neue Materialen Anwendung finden, um die höheren Ströme und Schaltgeschwindigkeiten darstellen zu können. Höhere Temperaturen bis 150 °C werden insbesondere für die Automobilanwendungen zur Verfügung stehen. Bei den Hochfrequenzprodukten zum Filtern und Entstören wird eine hohe Güte Q und eine sehr kleine Bauform über verbesserte Materialien erzielt.

Das Feld der Widerstände unterliegt einer extremen Spreizung von dem Standardbauelement zu extrem niedrigen Preisen bis hin zu sehr teueren Hochleistungswiderständen, die sehr aufwendig produziert werden müssen.

Es werden immer mehr passive Bauelemente benötigt

Der Bedarf an passiven Bauelementen wird auch in Zukunft weiter steigen. Einige Quellen gehen davon aus, dass das prozentuale Wachstum bei passiven Bauteilen höher sein wird als bei aktiven. Das ist dem steigenden Bedarf von Hochfrequenzbauteilen geschuldet. Wenn das Internet der Dinge auch nur annähernd so stark wächst wie von verschiedenen Quellen prognostiziert, wird der Bedarf noch einmal stark ansteigen. Das Wachstum wird aber bei den kleinen Bauformen stattfinden. Die Zahl der hergestellten Fahrzeuge von etwa 88 Millionen weltweit, wird niemals die der Smartphones erreichen. Wenn man als Anwender die Einsparungspotenziale nutzen will, muss man dem Trend der Miniaturisierung folgen.

Passive Bauelemente – Schlüsselkomponenten im Schatten

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