Folienkondensatoren Temperaturschock ohne Folgen

Autor / Redakteur: Alberto Pérez, Freddy Esteban* / Andreas Mühlbauer

In Kfz-Anwendungen sind elektronische Bauteile harten Bedingungen ausgesetzt. Extreme Temperaturen und Vibrationen müssen sie wegstecken, ohne dass ihre Funktionalität leidet. Die richtige Wahl der Materialien spielt insbesondere bei der Entwicklung geeigneter Folienkondensatoren eine entscheidende Rolle.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Immer mehr Elektronik kommt im Automobil in so genannten UTH-Anwendungen (Under the Hood) und in EM-Baugruppen (Engine Mount) zum Einsatz. Dort herrschen die größten Belastungen: Vibration, Hitze und große Temperaturhübe. Aus diesem Grund sind auch die Anforderungen an die elektronischen Bauelemente sehr hoch.

Spezifische Standards für Automobilanwendungen wie CDF-AEC-Q200, JASO D 001-87 oder VW-801-01 definieren diese Anforderungen, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten: Beständigkeit unter extremen und sich schnell ändernden Temperaturen sowie die nötige Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen.

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Die Funktionstüchtigkeit von Bauelementen in Kraftfahrzeugen bei einer konstanten Umgebungstemperatur von 125 °C zählt zu den erweiterten Anforderungen. Zusätzlich müssen Automotive-Applikationen immer öfter zumindest temporär höhere Temperaturbeständigkeit bis zu 175 °C aufweisen. Schließlich ist in bestimmten Baugruppen wie in HID-Lampen für die Frontscheinwerfer, aber auch bei anderen Anwendungen, eine Dauerumgebungs-Temperaturfestigkeit von 150 °C Standard (Tabelle 1).

Um das Verhalten elektronischer Bauelemente unter diesen Bedingungen zu simulieren, werden thermische Schocktests durchgeführt – in der Regel über 500 bis 1000 Zyklen zwischen –40 und 150 °C. Unterschiede in der thermischen Ausdehnung oder Adhäsion zwischen Gehäuse und Vergussmasse sind für die Zuverlässigkeit und die elektrischen Eigenschaften des Bauelements von entscheidender Bedeutung.

Da bei den meisten Anwendungen im Automobil die maximalen Temperaturen im Bereich zwischen 125 und 175 °C liegen, haben diese Tests eine hohe Praxisrelevanz. Das Gros der Anwendungen arbeitet bei Temperaturen bis zu 150 °C.

Eine Frage der Folie

Ausschlaggebend für die Temperaturfestigkeit von Folienkondensatoren ist die dielektrische Folie. Allerdings müssen bereits in der frühen Designphase auch Aspekte wie Verfügbarkeit von Materialien und Preise mit in die Überlegungen einbezogen werden. Tabelle 2 zeigt die gängigen Materialien.

Auf Grund rauer Betriebsbedingungen und der Notwendigkeit, Platzbedarf sowie Kosten zu minimieren, setzt Epcos zur Entwicklung von Folien-Kondensatoren für die Kfz-Elektronik die Materialien PET (Polyester) und PEN (Polyethylennaphtalat) für die höchsten Umgebungstemperaturen ein. Zwar wäre PPS (Polyphenylensulfid) für Anwendungen, bei denen ein geringerer Verlustfaktor als bei PET oder PEN in Kombination mit hohen Betriebstemperaturen erforderlich ist, die sinnvollste Lösung. Doch die Praxis zeigt, dass sich bei gemäßigten Dauertemperatur-Anforderungen auch PP (Polypropylen) verwenden lässt, was Kostenvorteile bringt.

Derzeit entwickelt Epcos Kondensatoren, die direkt am Antriebsstrang der neueren Hybridautos zum Einsatz kommen. Hier wird PP als dielektrisches Material verwendet, denn die reale Betriebstemperatur liegt unterhalb 110 °C, und außerdem weisen PP-Kondensatoren gute Eigenschaften bei hohen Frequenzen auf.

Neben den Betriebsbedingungen ist auch der Verarbeitungsprozess beim Systemlieferanten von Bedeutung. So müssen Kondensatoren, die für die SMT-Montage geeignet sind, auch bei Reflow-Löttemperaturen von bis zu 260 °C untersucht werden.

Spezielles Harz für längeres Leben

Epcos hat unterschiedliche ungehäuste Kondensatoren für Lichtsysteme und DC/DC-Wandler in Fahrzeugen entwickelt. Für Anwendungen, die näher am Motor montiert sind und damit vibrationsbeständiger sein müssen, sind speziell gehäuste Varianten vefügbar. Bei diesen Kondensatorbaureihen kommt Epoxidharz zum Abdichten des Gehäuses sowie zum Schutz des Kondensatorelements zum Einsatz.

Die Aushärter von Epoxid- und Polyurethan-Harzen können elektrochemische Korrosion der Metallisierung hervorrufen. Als Folge dieses Phänomens sinkt die Kapazität des Kondensators – ein Vorgang, der vom Anteil des Aushärtebeschleunigers im Harz, der Dicke der Metallisierungsschicht auf dem Kunststofffilm sowie der Betriebsspannung und von der Temperatur abhängt.

Zusätzlich muss auch die Alterung des Epoxidharzes als Funktion von Zeit und Temperatur berücksichtigt werden. Sie kann zu starken Veränderungen der Flexibilität sowie des thermischen Expansionskoeffizienten des Harzes führen, wenn die Umgebungstemperatur in der Nähe des Verglasungspunktes liegt. So können Spalten sowie Risse im Harz auftreten und sich unter Umständen sogar die Kontaktierungen ablösen. Aus diesem Grund kommt ein spezielles Epoxidharz zum Einsatz, um die negativen Auswirkungen auf die Lebensdauer und die elektrische Funktionsfähigkeit der Kondensatoren zu verringern.

Bei der Auswahl des Gehäusematerials spielen Steifigkeit, Brüchigkeit, thermische Ausdehnung und Flammenhemmung gemäß der Zulassung UL94-V0 eine Schlüsselrolle. Zusätzlich ist eine gute Adhäsion zwischen Gehäuse und dem Abdichtharz erforderlich, um den Schutz des Kondensators sicherzustellen. Hersteller von Folienkondensatoren nutzen als Gehäusematerialien PBT (Polybutylenterephtalat) und PP. Zusätzlich eignet sich PPS auch als Material für die Kunststoffgehäuse. PP ist hochelastisch, doch seine niedrige Betriebstemperatur von maximal 120 °C, die niedrige Verglasungstemperatur sowie ein ungenügendes Anhaften am Harz machen den Werkstoff für die meisten Automobilanwendungen ungeeignet.

Aus diesem Grund hat Epcos seine Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten bei Kunststoffgehäusen auf die Materialien PBT und PPS fokussiert. PBT hat sich in den meisten Produkten als zuverlässiges Material erwiesen. Tabelle 3 gibt einen Überblick über die mechanischen Eigenschaften typischer Gehäusekunststoffe.

Gehäuse aus PPS sind die bevorzugte Lösung, denn dieses Material zeigt gute Eigenschaften beim Reflow-Löten, bei harten thermischen Schocks mit extremen Temperaturen sowie bei schnellen Temperaturwechseln.

Mit PEN und PET zu guter Performance

Die im Rahmen der Testreihen mit unterschiedlichen Dielektrika, Harzen und Kunststoffgehäusen erzielten Ergebnisse dienten als Basis für die Entwicklung einer Kondensatorbaureihe für Automobilanwendungen. Als dielektrisches Basismaterial kommt in der B3252*A-Baureihe PET für Kondensatoren für eine maximale Betriebstemperatur von 135 °C zum Einsatz. Die Baureihe B3282*A ist für Temperaturen bis 150 °C spezifiziert und nutzt PEN als dielektrisches Material.

Bei der Auswahl des Materials für die Kunststoffgehäuse gibt es zwei Möglichkeiten: PBT für übliche Randbedingungen in Bezug auf thermische Schocks und Feuchtigkeit (–40 bis 135 °C bzw. 40 °C bei 93% rel. Feuchtigkeit) sowie PPS in den Anwendungen mit höheren Anforderungen (–50 bis 150 °C bzw. 85 °C bei 85% rel. Feuchtigkeit). Die wesentlichen Kenndaten dieser Baureihen sind in Tabelle 4 zusammengefasst.

Der Prozess zum Test der Produktlebensdauer wurde definiert, um die Performance der Kondensatoren während des Betriebs bei maximal erlaubter Temperatur zu untersuchen. Die im Rahmen dieser Tests angelegte Kategoriespannung ist dabei gemäß der entsprechenden IEC-Standards definiert.

Bei den PEN-Kondensatoren blieb die Kapazität während der gesamten Testzeit annähernd stabil – sowohl bei Temperaturen von 150 als auch bei 170 °C (Bild 3). Hinsichtlich des Verlustfaktors und des Isolationswiderstands zeigten die getesteten Kondensatoren keine relevanten Veränderungen. Bei PET-Kondensatoren erfolgte der Test bei 125 °C und ergab einen ähnlichen Verlauf wie in Bild 3.

Folie ist nicht gleich Folie

Je nach Anwendung eines Kondensators sind unterschiedliche Eigenschaften gefragt. Selbstverständlich spielen auch die Herstellungskosten eine große Rolle. Bei Folienkondensatoren eignet sich als Elektrolyt für hohe Temperaturen vor allem PEN (Polyethylennaphtalat), das eine maximale Betriebstemperatur von 150 °C hat. Da das Material verhältnismäßig teuer ist, kommt bei weniger extremen Temperaturen PET (Polyester) zum Einsatz. Hier liegt die maximale Betriebstemperatur bei 125 °C. Ist ein geringerer Verlustfaktor gefragt, ist PPS (Polyphenylensulfid) der Werkstoff der Wahl, zumal er Temperaturen von bis zu 140 °C verträgt. Der Nachteil hierbei: PPS ist sehr teuer. Hier bietet sich als Alternative für Temperaturen bis 110 °C PP (Polypropylen) als Elektrolytwerkstoff an.

*Alberto Pérez und Freddy Esteban sind verantwortlich für Product Marketing und Product Development Film Capacitors bei Epcos.

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