So beugen Sie Obsoleszenz bei Vielschicht-Keramikkondensatoren vor

| Redakteur: Margit Kuther

Ersatz gesucht: Vielschicht-Keramikkondensatoren sind auch zukünftig knapp.
Ersatz gesucht: Vielschicht-Keramikkondensatoren sind auch zukünftig knapp. (Bild: codico)

Die Versorgungssituation der Vielschicht-Keramikkondensatoren wird sich 2019 weiter zuspitzen. Höchste Zeit, Alternativen zu prüfen und freizugeben. Welche Alternativen es gibt, verrät dieser Beitrag.

Bestimmte Bauformen von Vielschicht-Keramikkondensatoren (Multilayer Ceramic Capacitors; MLCCs) werden lange Zeit verknappt sein, da sich der Fokus der großen Hersteller auf sehr kleine Bauformen verschoben hat. Neben der hohen Anzahl verwendeter SMD-Vielschicht-Keramikkondensatoren in Mobiltelefonen und Automobilen der neuesten Generation sorgen auch diverse weitere Anwendungen wie das Internet der Dinge (IoT), Netzwerktechnik und Digitalisierung für den massiven Verbrauchsanstieg.

Kurzfristig keine Entspannung bei MLCCs

Die aktuelle Kluft zwischen weltweit verfügbarer Produktionskapazität und dem Bedarf des Elektronikmarktes liegt bei 20 bis 30%. Durch den starken Preisdruck und dem dadurch zu geringen Profit der letzten Jahre wurden Investitionen verschoben – und somit zu spät reagiert. Da die Erweiterung der Kapazitäten ein langwieriger Prozess ist und nur schleppend vorangeht, besteht kurzfristig keine Aussicht auf eine Entspannung.

Auch längerfristig werden eher Kapazitäten im Bereich der sehr kleinen Bauformen wie 0201 oder 01005 geschaffen, was auf Kosten der größeren Bauformen geschieht. Es werden Anlagen, die vorrangig 0402, 0603 und größere Bauformen produzieren, entsprechend umgerüstet. Das bringt einerseits einen höheren Output der im Mobilfunk-Bereich benötigten Teile, sorgt aber für länger anhaltende Schwierigkeiten bei den am europäischen Markt benötigten Komponenten. Es gibt zwar Hersteller, die weiterhin auf größere Bauformen fokussieren, diese können aber mengenmäßig den durch die großen Player erzeugten Gap bei weitem nicht schließen.

„Wir raten den Kunden daher zu prüfen, inwieweit der Einsatz von im langfristigen Fokus stehenden Produkten möglich ist“, erklärt Roland Trimmel, Product Manager bei CODICO. Meist verursacht der Umstieg auf kleinere Bauformen technische Nachteile wie stärkere DC-Bias-Charakteristik, was zu einer Reduktion der effektiven Kapazität führt. Mit der Miniaturisierung stehen auch oft niedrigere Nennspannungen zur Verfügung, wodurch sich dieser Effekt weiter verschärft. Auch höhere mechanische Empfindlichkeit kann beim Design entsprechende Schwierigkeiten verursachen. „Eine mitunter langfristig bessere Lösung aus dem MLCC-Dilemma ist die Prüfung, ob mit anderen Technologien ähnliche Resultate erzielt werden können.“

Low-Impedance Aluminium-ELKOs nicht immer als Ersatz geeignet

Die kostengünstigste und einfachste Lösung wäre der Umstieg auf herkömmliche Low-Impedance Aluminium-ELKOs. Diese weisen jedoch im hochfrequenten Bereich schlechtere Eigenschaften auf (siehe Bild 1; alle Bilder finden Sie in der Bildergalerie weiter oben im Beitrag). Um ähnliche ESR-Werte zu erreichen, sind wesentlich größere Bauformen notwendig, was auch eine Lösung in SMD-Bauweise schwierig macht.

Durch den Einsatz von Polymer kann der ESR, und somit auch die notwendige Baugröße, deutlich reduziert werden. Zusätzlich ist der ESR über den gesamten Temperaturbereich stabil.

Vier Technologien stehen zur Verfügung

  • Tantalum-Polymer Chip-Type
  • Aluminum-Polymer Multilayer Chip-Type
  • Aluminum-Polymer wound Can-Type
  • Aluminum -Polymer-Hybrid-Type

In Bild 2 zeigen wir Ihnen die unterschiedlichen Eigenschaften und Vorteile. Doch es bleibt die Frage: Welche MLCCs können nun wie ersetzt werden? Grundsätzlich muss man hier zwischen einem 1:1-Ersatz Bauteil für Bauteil und einer Lösung als Alternative zu einer Parallelschaltung von mehreren Vielschicht-Keramikkondensatoren unterscheiden. Die für eine Anwendung tatsächlich benötigte Kapazität sollte sich im µF-Bereich bewegen. Für einen möglichst Pin-kompatiblen Austausch beim 1:1-Ersatz stehen Polymerkondensatoren in Bauform 0805 und größer zur Verfügung. Eine Übersicht bietet Bild 2.

Da die Möglichkeiten für einen 1:1-Ersatz stark limitiert sind, ist es für Neuentwicklungen beziehungsweise im Zuge von Re-Designs sinnvoll, mehrere parallel geschaltete MLCCs durch nur einen oder zwei Polymerkondensatoren zu ersetzen. Dies wird durch die positive Eigenschaft, dass Polymerkondensatoren keinen DC-Bias Effekt aufweisen, ermöglicht. Somit erzielt man nicht nur eine Platzersparnis, sondern auch eine Kostenreduktion.

In der Grafik auf der linken Seite oben zeigen wir Ihnen einen Vergleich mit identischen Nominalwerten (Bild 3).

Vorteile der Polymer- gegenüber Tantalkondensatoren

Falls der Kunde aufgrund des DC-Bias-Effektes einen MLCC mit höherer Nennspannung einsetzt, als es die Anwendung erfordern würde, kann auch ein Polymerkondensator mit niedrigerer Spezifikation gewählt werden. Auch gegenüber Tantalkondensatoren besitzen sie Vorteile: Es ist kein grundsätzliches, lediglich teils ein weit geringeres Spannungs-Derating zu berücksichtigen (je nach Produkt und Hersteller). Des Weiteren weist Polymer einen Selbstheilungseffekt auf, wodurch es zu keiner Entflammung im Falle einer extremen Überlastung des Kondensators kommt (Bild 4).

Unbeachtet der Bauform und Technologie stehen dem Kunden aus dem Portfolio von CODICO Produkte mit folgenden Werten zur Verfügung, wie sie Bild 5 zeigt.

Für einen niedrigeren Kapazitätsbereich können SMD-Folienkondensatoren eine Lösung sein. CODICO bietet mit seinem Produktportfolio in sämtlichen Bereichen eine umfangreiche Auswahl an Alternativen zu MLCCs.

Tipp der ELEKTRONIKPRAXIS: Obsoleszenz ist nicht nur bei Vielschicht-Keramikkondensatoren ein wichtiges Thema, sondern bei zahlreichen weiteren elektronischen Bauelementen. Auf der Messe electronica in München informiert die Component Obsolescence Group und ihre Mitglieder am 13. November auf dem 4. Obsolescence Day umfassend zu Lieferengpässen und Auswirkungen.

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