Der Mehrschicht-Keramikkondensator (MLCC) ist eine der häufigsten Kondensatorarten im Elektronikdesign. Es bietet ein breites Spektrum an Volumenkapazität und Spannungstoleranz in zahlreichen Formfaktoren zu relativ geringen Kosten. Obwohl diese Geräte mittlerweile zum Standardwerkzeug der Designer gehören, weisen sie einige oft übersehene Besonderheiten auf.

Von größter Bedeutung ist die Empfindlichkeit der effektiven Kapazität gegenüber verschiedenen Umweltfaktoren, darunter Temperatur, angelegte Vorspannung und Alter. Wenn diese Faktoren nicht berücksichtigt werden, ist das Risiko eines Produktausfalls sehr real, insbesondere hinsichtlich der Herstellungsschwankungen und der Gesamttoleranzhäufigkeit.

Überlegungen zur MLCC-Temperatur

MLCCs werden typischerweise in zwei Klassen eingeteilt, basierend auf der Art des Keramikmaterials, das für das Dielektrikum verwendet wird. Kondensatoren der Klasse I sind die robustesten mit den geringsten Empfindlichkeiten und werden normalerweise aus TiO2 hergestellt. Zur Klassifizierung des Temperaturkoeffizienten (TC) in ppm pro Grad Celsius, einem Multiplikator und einer Toleranz wird ein dreibuchstabiger EIA-Code verwendet. Kondensatoren der Klasse I werden oft als C0G aufgeführt, was die niedrigste aller Temperaturempfindlichkeiten darstellt. Dies bedeutet einen Temperaturbereich von -55 °C bis +125 °C mit einer Kapazitätsänderung von ±30 ppm/°C und einer Gesamtkapazitätsschwankung von weniger als ±0,3 %. .

Kondensatoren der Klasse II bestehen typischerweise aus BaTiO3-Dielektrika und bieten einen viel größeren Bereich an Volumenkapazität auf Kosten einer höheren Temperaturempfindlichkeit. Die am häufigsten verwendeten Geräte der Klasse II sind X7R, Y5V, Z5U. Tabelle 1 zeigt die EIA-Codes und die entsprechenden Werte für den Temperaturkoeffizienten und den Kapazitätsbereich.

Anhand von Tabelle 1 werden im Folgenden einige Beispiele gezeigt:

• l -55 bis +125 Grad mit einer Kapazitätsänderung von ±15 % Der EIA-Code ist X7R
• l -55 bis +85 Grad mit einer Kapazitätsänderung von ±15 % Der EIA-Code ist X5R
• l -30 bis +85 Grad mit einer Kapazitätsänderung von +22 %, -82 % EIA-Code ist Y5V

Tabelle 1. EIA-Code für Dielektrika der Keramikklasse

Abbildung 1 – Änderung der MLCC-Kapazität im Verhältnis zur Temperatur für verschiedene EIA-Codes

Abbildung 1 zeigt die Kapazitätsänderung über den gesamten Temperaturbereich für mehrere verschiedene EIA-codierte MLCCs. Die Kenntnis der Umgebungsbedingungen, unter denen ein Kondensator arbeitet, und das Verständnis der tolerierbaren Designabweichungen können für die ordnungsgemäße Funktionalität von entscheidender Bedeutung sein. Beispielsweise würde bei einer Hochtemperaturanwendung die Wahl eines kostengünstigen Y5V-Geräts anstelle eines geeigneteren X7R-Geräts den Ausfall nahezu garantieren.

Auswirkungen der DC-BIAS-Spannung auf MLCC-Kondensatoren

Eine weitere inhärente Empfindlichkeit von MLCC-Kondensatoren ist die Änderung der Volumenkapazität bei angelegter DC-Vorspannung. Wie beispielsweise in Abbildung 2 dargestellt, ist die effektive Kapazität umso kleiner, je größer die angelegte Gleichspannung ist. Die Kapazität in diesem Beispiel sinkt bei 25 V um etwa 45 %, was nur der Hälfte der 50 V-Nennspannung des Geräts entspricht.

Der Ursprung dieses Phänomens liegt in der Kristallstruktur des keramischen Dielektrikums. Ohne angelegte Gleichspannung ist kein elektrisches Feld vorhanden und die Kristalldipole ordnen sich zufällig im gesamten Gerät an. Dieses Szenario wird als spontane Polarisation bezeichnet und führt zu einer hohen Dielektrizitätskonstante und damit zu einer hohen Kapazität.

Abbildung 2 – Änderung der Kapazität im Verhältnis zur angelegten Gleichspannung für einen Automotive-X7R-50-V-MLCC

Abbildung 3 – Kristallpolarisation ohne (oben) und mit (unten) angelegter DC-Vorspannung

Wenn eine niedrige Gleichspannung angelegt wird, führt das elektrische Feld dazu, dass sich einige der Dipole parallel ausrichten, wie in Abbildung 3 dargestellt. Diese Ausrichtung der Dipole mit dem elektrischen Feld verringert die Kapazität. Je mehr Gleichspannung angelegt wird, desto mehr Dipole beginnen sich auszurichten und die Kapazität nimmt kontinuierlich ab. Sobald die Nennspannung erreicht ist, können die Kapazitätswerte um bis zu 70 % ihres Nennwerts sinken. Besonders Geräte der Klasse II leiden aufgrund ihres BaTiO3-Aufbaus darunter.

Genau wie im Fall der Temperaturempfindlichkeit kann die Kenntnis der Abhängigkeit von der DC-Vorspannung einen großen Einfluss auf das Design haben. Wenn ein MLCC zum Filtern eines kleinen Wechselstromsignals mit minimalem Gleichstromanteil verwendet wird, können verschiedene MLCC-Optionen geeignet sein. Wenn das Design stattdessen die Welligkeit eines Hochspannungs-Gleichstromreglers filtert, ist der MLCC möglicherweise nicht die beste Wahl.

Der Schlüsselfaktor der DC-Vorspannungsabhängigkeit ist die Dicke des Dielektrikums. Je dicker das Dielektrikum wird, desto schwächer wird die elektrische Feldstärke und die Kapazitätsreduzierung ist minimal. Um den DC-Bias-Effekt zu minimieren, kann ein Entwickler daher die folgenden Techniken anwenden:

• l Wählen Sie eine größere Gehäusegröße
• l Wählen Sie eine höhere Nennspannung
• l Wählen Sie ein besseres Dielektrikum
• l Schalten Sie mehrere Geräte parallel

Alterung des MLCC

Die dielektrischen Materialien, die in MLCCs höherer Klasse zur Erzielung einer hohen Kapazität verwendet werden, unterliegen einem inhärenten Alterungsprozess. Das Kristallgitter dieser Materialien verfügt über eine eingebaute Spannungsenergie, die zu einem permanenten elektrischen Dipol führt. Mit der Zeit lässt diese Spannung nach und die Kapazität nimmt langsam ab.

Abbildung 4 zeigt ein Beispiel eines X7R- und Y5V-Geräts mit einer Alterung von über 1000 Stunden. Während dieser Alterungsprozess durch eine Erhöhung der Temperatur des Geräts auf über 120 °C umgekehrt werden kann, muss der Entwickler lediglich den Alterungseffekt in die Lebensdauerberechnungen des Produkts einbeziehen.

Abbildung 4 – Altersverschlechterung der Kapazität beim X7R- vs. Y5V-MLCC-Keramikdielektrikum

Abschluss

Obwohl MLCCs unschätzbar wertvolle Geräte im modernen Elektronikdesign sind, müssen ihre Grenzen verstanden werden. Im Gegensatz zu anderen Kondensatortechnologien muss der Entwickler mit den Temperatur-, DC-Vorspannungs- und Alterungsanforderungen der beabsichtigten Anwendung genau vertraut sein. Nur dann können das richtige dielektrische Material, die richtige Gehäusegröße und die richtige Schaltungstopologie festgelegt werden.

Quelle:EPCI