Produktratgeber: So lösen Sie den MLCC-Lieferengpass

Über die MLCC-Knappheit

Vielschicht-Keramikkondensatoren, oder MLCCs (Multilayer Ceramic Capacitors), sind aus der Elektronikfertigung nicht mehr wegzudenken. Diese Kondensatoren, die aus abwechselnden Keramik- und Metallschichten bestehen, haben eine große Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten, darunter zum Beispiel die Verwendung als Glättungskondensator, in Schaltkreisen mit OP-Verstärkern, in Filtern und mehr.

Angesichts der anhaltenden Lieferengpässe bei Keramikkondensatoren (MLCC) sehen wir schweren Zeiten entgegen. Ein Ende ist nicht absehbar, da viele verschiedene Faktoren zu den heutigen Lieferengpässen beitragen.

Zum einen entwickelt sich die Elektronikindustrie in schnellem Tempo weiter. Neue Technologien werden eingeführt und Konsumprodukte werden schneller ersetzt, sodass deren Produktlebenszyklus und somit die Lebensdauer der verbauten MLCCs immer kürzer wird. Zum anderen werden unsere Produkte ständig smarter, wie z.B. Autos. Diese Technologien führen zwangsläufig zu mehr verbauter Elektronik und somit zu mehr MLCCs die pro Gerät benötigt werden.

Die Folge davon ist, dass die grossen Anbieter von MLCCs ihre Kapazitätsgrenzen erreicht haben und die Nachfrage nicht mehr decken können. Grössere Unternehmen investieren nun in die Entwicklung von besseren, leistungsfähigeren Kondensatoren, was wiederum bedeuten kann, dass sie die Herstellung von den so oft gebrauchten Standard-Keramikkondensatoren reduzieren oder ganz einstellen. Diese Kondensatoren sind aber wichtig für Unternehmen, die sich vorwiegend auf kleinere Produktserien konzentrieren.

Doch wenn sich eine Tür schliesst, öffnet sich eine andere. Anbieter wie KEMET und Panasonic haben sich auf die Entwicklung von Polymer-Kondensatoren als Alternative zu den MLCCs konzentriert. Diese Alternativprodukte sollen nun die Nachfrage nach geeigneten Kondensatoren decken. Wer hätte gedacht, dass die Polymer-Kondensatoren die MLCCs nicht nur ersetzen, sondern sogar die Performance vieler Applikationen verbessern können!

Polymer-Kondensatoren, die MLCC-Alternative

Unter den verschiedenen Polymer-Kondensatoren gibt es vier gebräuchliche Typen, mit welchen wir die meisten Anwendungen abdecken können.

• Runde Polymer-Aluminium-Kondensatoren
• Polymer-Tantal-Kondensatoren
• Hybrid-Polymer-Aluminium-Kondensatoren
• Quaderförmige Polymer-Aluminium-Kondensatoren

Das Angebot wird mit Kunststoff-Folienkondensatoren vervollständigt.

Die folgenden Grafiken bieten eine Übersicht über die verschiedenen Bauformen der Polymer-Kondensatoren:

Stabil, klein und sicher

Die vier Polymer-Kondensatoren haben drei Vorteile gemeinsam:

• Stabilität: Konsistente Temperatur über die gesamte Einsatzzeit, stabiler Gleichwert, ganzheitliche konsistente Performance
• Grösse: 1 Polymer-Kondensator kann mehrere MLCCs ersetzen
• Sicherheit: Mit dem Kurzschluss Ausfallmodus trägt ein Polymer-Kondensator zusätzlich zur Sicherheit Ihrer PCB bei.

Shahrokh Kananizadeh, European Capacitor Product Manager bei Panasonic will folgenden Vorteil hervorheben:

Die Dielektrizitätskonstante bleibt bei sich ändernder Spannung gleich. Dies ist der Hauptvorteil von Polymer-Kondensatoren (SP-Caps). Im Gegensatz dazu sind MLCCs anfällig für Unstabilität, wenn die Spannung verändert wird und reduzieren so die allgemeine Zuverlässigkeit der Anwendung.

Wieso haben denn Polymer-Kondensatoren MLCCs nicht bereits ersetzt?

Ein MLCC ist ein absoluter Allrounder. Während MLCCs vielseitig und für die meisten Anwendungen einsetzbar sind, können Polymer-Kondensatoren nicht ganz so einfach überall platziert werden. Die Anwendung muss sorgfältig definiert werden. Wenn jedoch der passende Polymer-Kondensator gefunden wurde, führt er meistens zur besseren, nachhaltigeren und konsistenteren Leistung der Applikation.

Der Hauptnachteil von Polymer-Kondensatoren ist ihre Polarität. Dies schliesst Anwendungen in Schaltkreisen aus, wo eine Sperrvorspannung oder ein Wechselstrom-signal vorliegt.

Der Schritt zu Polymer-Kondensatoren

Wenn Sie auf Polymer-Kondensatoren umsteigen wollen, definieren Sie zuerst Ihre Anforderungen für die folgenden Kriterien:

Spannung:

MLCCs sind auf 0/1 V ausgelegt. Die tatsächliche Kapazität wird aber mit angelegter Spannung kleiner. Polymer-Kondensatoren bleiben über die angelegte Spannung stabil, jedoch muss eine Lastminderung von 10-20 % in Betracht gezogen werden.

Benötigte Kapazität:

Sie müssen die benötigte Kapazität von einem MLCC unter den gewöhnlichen Anwendungsbedingungen (angelegte Spannung, Frequenz und Einsatzdauer), sowie die Anzahl der parallel geschalteten MLCCs kennen, um die total benötigte Kapazität zu berechnen.

Brummstrom:

Polymer-Kondensatoren können Brummstrom von 2 bis 3 Arms leiten (höhere Brummströme können mit ESR Produkten oder Parallel-Konstrukten geleitet werden).

Betriebsfrequenz, Betriebstemperatur, Abmessungen

Ein Polymer-Kondensator ist zwar etwas höher und grösser als ein MLCC, er kann aber mehrere Keramikkondensatoren ersetzen.

Gesamtkosten

Wenn nur wenige MLCCs verbaut wurden, wird eine Lösung mit Polymer-Kondensatoren eventuell etwas teurer werden. Da Polymer-Kondensatoren aber normalerweise mehrere Keramikkondensatoren ersetzen, ist dies meistens die kostengünstigere Lösung.

Shahrokh Kananizadeh von Panasonic hat das Thema ESR vereinfacht für uns dargestellt und eine kurze Übersicht zu Scheinwiderstand und ESR Frequenz zusammengestellt:

Je geringer der Scheinwiderstand oder der ESR-Wert des Kondensators ist, desto geeigneter ist er für den stabilen Ausgleich innerhalb eines Schaltkreises. Keramikwiderstände haben die niedrigsten ESR-Werte und Scheinwiderstände, aber SP-Caps kommen nahe an diese Werte heran. Für die Wahl des Kondensators ist es wichtig, die Frequenzabhängigkeit und die Eigenresonanz des Kondensators zu kennen.

Als allgemeine Faustregel empfehlen wir, sicherzustellen, dass die verwendeten Kondensatoren mit einer tieferen Frequenz eingesetzt werden als ihre Eigenresonanz. 1 MHz ist in diesem Kontext, verallgemeinert gesehen, die kritische Grenze. Vergleichen Sie die verschiedenen Frequenzabhängigkeiten der Kondensatoren sorgfältig.

Mit einem definierten Anwendungsfall im Kopf, im oberen Beispiel mit den Polymer-Aluminium-Kondensatoren SP-Caps, von Panasonic, können wir nun einen genaueren Blick auf die verschiedenen Polymer-Kondensatoren und ihre Stärken werfen:

Q&A mit den Experten von KEMET und Panasonic

Matthias Harder, Director Business Management TBG EMEA bei KEMET und Shahrokh Kananizadeh, European Capacitor Product Manager bei Panasonic standen uns bei der Erstellung dieses Artikels zur Seite und nahmen sich sogar die Zeit, einige Fragen zu beantworten.

Distrelec: Wie können wir einen Ingenieur, der gerade dabei ist, einen Prototypen mit Keramikkondensatoren zu erstellen, dazu bewegen, Alternativlösungen wie Polymer-Kondensatoren in Betracht zu ziehen? Gibt es ein Übersichtsblatt, das einem bei der Entscheidung hilft?

Matthias: Alternativlösungen sind sofort verfügbar. Aber nicht nur das, wenn wir die Gesamtheit der benötigten Kapazität betrachten, werden die Alternativlösungen kostengünstiger und platzsparender ausfallen. Polymer-Kondensatoren bieten eine stabile Kapazität sowohl über die angelegte Spannung als auch über die gesamte Lebensdauer. Für mehr Informationen haben wir ein Webinar zu genau diesem Thema erstellt: https://ec.kemet.com/knowledge/polymer-capacitors-your-solution-when-mlcc-lead-times-are-tight.

Shahrokh: Eine gute Hilfestellung bietet unser Merkblatt: S.O.S Polymer-Kondensatoren: https://eu.industrial.panasonic.com/download/sos-short-mlccs-choose-panasonic-polymer-series

Distrelec:Können MLCCs 1:1 ersetzt werden oder muss die Applikation angepasst werden?

Matthias: WWir haben Produkte, die die beiden MLCCs 0805 und 1206 1:1 ersetzen können. Wir empfehlen dies jedoch nicht, da die Vorteile der Polymer-Technologie so nicht effizient genutzt werden. Grundsätzlich macht es Sinn, Polymer für die folgenden Anwendungen in Betracht zu ziehen:

• Net-Kapazität >= 10 μF (für Applikationen mit einer Spannung von bis zu 14.4 V)
• 0.68-10 μF (für Applikationen mit einer Spannung von 45 V oder höher)
• Betriebsspannungen von bis zu 67.5 V (60 V bei rauen Bedingungen)
• Frequenzen bis zu 1 MHz

Aber auch weitere Anwendungsfälle sind möglich.

Shahrokh: Wegen der Gehäusegrösse und den Vorteilen von Polymer gegenüber MLCCs ist ein Anpassen des Designs notwendig. Dieses Re-Design wird aber zu Ihrem Vorteil ausfallen, da Sie schlussendlich Platz auf der PCB gewinnen und Kosten senken werden.

Distrelec: Wie sind die globalen Ressourcen für Polymer-Kondensatoren? Wie sind die Produktionsstätten? Werden wir in eine Polymer-Knappheit geraten, wenn diese Alternativlösungen global eingesetzt werden?

Matthias: KEMET plant, die Produktion von Polymer-Tantal-Kondensatoren bis März 2020 um mehr als 50 % im Vergleich zu März 2018 zu vergrössern. Der aktuelle Jahresbedarf liegt bei ca. 1100 Tonnen weltweit. Es gibt aber weltweite Reserven von bis zu 100 000 Tonnen.

Shahrokh: Panasonic hat für jeden Polymer-Kondensator eine eigene Produktionsstätte und Entwicklungsabteilung in Japan. Wir haben eine zweite Quelle für SP-Caps und POSCAP Produkte ausserhalb von Japan, um Lieferengpässe auch im Falle einer Naturkatastrophe oder anderen Gründen vermeiden zu können. Somit erwarten wir zur Zeit keine Engpässe. Eine zweite Quelle für OSCON und Hybrid-Kondensatoren steht zur Zeit in Prüfung, aber auch hier haben wir zur Zeit genug Kapazität und sind bereit für ein Wachstum.

Distrelec: Tantal ist als Konfliktrohstoff klassifiziert. Wo baut KEMET sein Tantal ab?

Matthias: Wir bauen nur zertifiziertes, konfliktfreies Material ab. Dank einem „closed-pipe-system” sind wir nicht nur in der Lage, in der Demokratischen Republik Kongo abzubauen sondern es ermöglicht uns auch den Abbau von Tantalerz (Koltan), Kaliumheptafluorotantalat (ein Zwischenprodukt), Tantalpulver und Drähte, welche als konfliktfrei klassifiziert sind, in anderen Ländern. Mehr Informationen dazu finden Sie unter: http://www.kemet.com/conflictfree