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Grundlagen eines Kondesators

Was ist ein Kondensator?

Mit ihrer Fähigkeit, elektrische Ladung zu speichern, Gleichstromsignale zu blockieren und Wechselstromsignale durchzulassen, spielen Kondensatoren eine wichtige Rolle in elektronischen Schaltungen.
Sie werden für Backup- (Batterie), Entkopplungs- (Rauschunterdrückung) und Kopplungsanwendungen (Unterdrückung der Gleichstromvorspannung) verwendet.
Kondensatoren werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen wie Smartphones, Wearables, Datenzentren, Basisstationen, Industrieanlagen und Automobilsystemen eingesetzt und sind neben Widerständen und Induktoren (Spulen) eines der häufigsten passiven Bauelemente.
Obwohl Kondensatoren in weiten Teilen der Welt als "capacitor" bekannt sind, werden sie im Japanischen als "condenser"bezeichnet.

Aufbau und Eigenschaften verschiedener Kondensatoren

Es gibt verschiedene Arten von Kondensatoren, aber die Grundstruktur besteht aus einem Isolator (Dielektrikum) zwischen Elektroden, der Ladung speichern kann, wenn eine Spannung angelegt wird.
Zu den aktuellen Produkten gehören Einschicht-, Vielschicht-, Trench-, Elektrolyt- und Wickel-Kondensatoren.
Kondensatoren unterscheiden sich je nach verwendeten Dielektrikums- und Elektrodenmaterialien durch folgende Merkmale.
Polarität, Größe (klein/groß), Profil (dünn/flach), Betriebstemperaturbereich, Kapazitätsgröße, Nennspannungsbereich, Hochfrequenzleistung, Kapazitätsstabilität, Rauschen ja/nein aufgrund von piezoelektrischen Effekten, usw.
Bei der Auswahl eines Kondensators ist es daher wichtig, die Eigenschaften der einzelnen Typen zu kennen.

[Typen und Eigenschaften verschiedener Kondensatoren]

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  Silizium-Kondensator Keramik-Vielschichtkondensator Tantal-Kondensator Aluminium-Elektrolytkondensator
Bild der Kondensatoren
Elektrode ① Capacitor Structure  dotiertes Silizium Nickel Tantal
(Anode)
Aluminium
(Anode)
Dielektrikum Siliziumoxid oder Siliziumnitrid temperaturkompensierende Keramik hochdielektrische Keramik Tantalpentoxid Aluminiumoxid
Elektrode ② dotiertes Silizium Nickel Mangandioxid
(Kathode)
Leitfähiges Polymer
(Kathode)
Elektrolyt
(Kathode)
Leitfähiges Polymer
(Kathode)
Polarität Nein Nein Ja Ja
Größe × ×
Profil dünn/flach × ×
Betriebstemperaturbereich
hohe Kapazität ×
hohe Nennspannung
hoher Isolationswiderstand (niedriger Ableitstrom)
Hochfrequenz-Eigenschaften × ×
Kapazität DC-Vorspannung ×
Temperatur × ×
hohe Funktionssicherheit × ×
Rauschen Nein Ja Nein Nein
Vorteile
  • kompakt
  • flaches Profil
  • gute Hochfrequenz-Eigenschaften
  • hohe Betriebstemperatur
  • hohe Kapazität
  • hohe Funktionssicherheit
  • hohe EMI-Immunität (kann TVS-Schutzbauelement enthalten)
  • kein Rauschen, da keine piezoelektrischen Effekte
  • Größe
  • gute Hochfrequenz-Eigenschaften
  • hohe Kapazität
  • Größe
  • gute Hochfrequenz-Eigenschaften
  • hohe Kapazität bei kompakter Größe
  • hohe Kapazität
  • hohe Kapazität bei kompakter Größe
  • hohe Kapazität
  • geringerer ESR und höherer zulässiger Rippelstrom als bei Mangandioxid-Produkten
  • hohe Kapazität
  • breite Produktpalette
  • hohe Kapazität
  • hohe Kapazität
  • geringerer ESR und höherer zulässiger Rippelstrom als bei Elektrolyt-Produkten
Nachteile
  • geringe Kapazität
  • begrenzte Produktpalette
  • geringe Kapazität
  • piezoelektrischer Effekt verursacht Rauschen
  • anfällig für Rissbildung bei Verformung des Trägers oder bei Temperaturänderungen
  • geringe Kapazität
  • piezoelektrischer Effekt verursacht Rauschen
  • anfällig für Rissbildung bei Verformung des Trägers oder bei Temperaturänderungen
  • Ausfall im Kurzzeitbetrieb
  • gepolt
  • Ausfall im Kurzzeitbetrieb
  • gepolt
  • große Produktgröße
  • kurze Lebensdauer aufgrund von Flüssigkeitsaustritt
  • gepolt
  • große Produktgröße
  • gepolt

◎: ausgezeichnet 〇: sehr gut △: durchschnittlich ×: schlecht

Die Kapazität

Die Kapazität ist eine typische elektrische Eigenschaft eines Kondensators.
Sie wird im Allgemeinen durch die folgende Formel ausgedrückt.
Kapazität=εr×ε0×S/d
r: Relative Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums, ε0: Dielektrizitätskonstante des Vakuums=8,9×10-12[F/m], S: Elektrodenfläche, d: Dielektrikumsdicke)

Kapazität
Schaltzeichen für Kondensatoren

Wie die obige Formel zeigt, ist die Kapazität proportional zur Oberfläche der Elektrode und zur Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums und umgekehrt proportional zur Dielektrikumsdicke.
Die relative Dielektrizitätskonstante ist ein inhärenter Wert des verwendeten dielektrischen Materials.
Die Einheit der Kapazität ist F (Farad), in der Praxis werden häufig pF (Picofarad), nF (Nanofarad), µF (Mikrofarad), mF (Millifarad) verwendet.
( 10-12[F]=1pF, 10-9[F]=1nF, 10-6[F]=1[μF], 10-3[F]=1[mF] )

Kondensator Anwendungen

Kondensatoren (inklusive Tantalkondensatoren) werden oft in den folgenden Anwendungen genutzt.

Sicherung (Batterie)

Sicherungsanwendung

Verwendung als Batterie
Wenn die Strombelastung aufgrund einer Unterbrechung in der Stromversorgung oder eines plötzlichen Anstiegs in der IC-Treibergeschwindigkeit steigt, kann die Netzspannung der Stromversorgung ausfallen und möglicherweise eine IC-Fehlfunktion verursachen. Um dies zu vermeiden, wird die im Kondensator gespeicherte Ladung dem IC zur Verfügung gestellt, sodass die Netzspannung erhalten bleibt.

Entkopplung

Kopplungsanwendungen

Verwenden von AC-Merkmalen
Kondensatoren werden mit dem Ziel verwendet, eine stabile Gleichspannung zu erstellen. Dabei geht es um das Entfernen von Hochfrequenzrauschen, das von Hochgeschwindigkeitstreibern verursacht wird, oder um das Entfernen von Rauschen, das extern auf die Versorgungsleitung induziert wurde. Wird in allgemeinen Netzteilschaltungen verwendet.

Kopplung

Kopplungsanwendungen

In dieser Anwendung entfernt der Kondensator die DC-Vorspannung aus der vorherigen Stufe und lässt nur die AC-Signale passieren.
Wird normalerweise in Audioschaltungen verwendet.

Siliziumkondensatoren: Überblick

Siliziumkondensatoren nutzen die Dünnschicht-Halbleitertechnologie. Sie sind kompakt und flach und weisen eine stabile Kapazität in Bezug auf die angelegte Spannung und Temperaturänderungen auf.
Außerdem gibt es keinen piezoelektrischen Effekt; daher entstehen auch keine hörbaren Geräusche aufgrund von Spannungsschwankungen.
ROHM bietet auch Produkte mit integrierten TVS-Elementen, die eine hohe ESD-Toleranz gewährleisten.
Siliziumkondensatoren mit diesen Eigenschaften werden in allen Bereichen eingesetzt - von Smartphones und Wearables über Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsanwendungen mit hoher Kapazität bis hin zu Automobilsystemen und Industrieanlagen.

Unter Kondensatortypen und -eigenschaften finden Sie auch einen Vergleich der verschiedenen Modelle.

Klassifizierung anhand der inneren Struktur und Montagetyp

Interne Struktur (z. B. Trench)

1.Klassifizierung nach interner Struktur

Die interne Struktur von Siliziumkondensatoren kann in zwei Arten unterteilt werden: Planar und Trench.
Planare Strukturen haben eine einfache, produktionsfreundliche Form und eignen sich aufgrund der Einheitlichkeit ihres Dielektrikums und der Elektroden gut für Hochspannungsanwendungen.
Trench-Strukturen bieten eine größere Elektroden- und Dielektrikumsfläche, indem sie Gräben oder Rillen ("trenches") im Substrat bilden. Dadurch können größere Kapazitäten als bei planaren Strukturen erreicht werden.
ROHM konzentriert sich auf kompakte, großkapazitive Produkte in Trench-Bauweise.

Klassifizierung nach interner Struktur

2.Klassifizierung nach Montagetyp

Es gibt zwei Montagetypen für Siliziumkondensatoren: Löten und Drahtbonden.
Die Lötmontage eignet sich für die Montage mit hoher Dichte, während die Drahtbondmontage ideal für die Integration mit ICs und anderen Komponenten in einem einzigen Gehäuse ist.

Klassifizierung nach Montagetyp

Vergleich von Siliziumkondensatoren und keramischen Mehrschichtkondensatoren (MLCCs)

DC-Vorspannungseigenschaften

Die Kapazität von Siliziumkondensatoren bleibt auch bei Anlegen einer Spannung praktisch unverändert und stabil.
Im Gegensatz dazu weisen MLCCs zwar in Bezug auf die Temperaturkompensation ähnliche Eigenschaften wie Siliziumkondensatoren auf, jedoch nimmt bei Arten mit hoher Dielektrizitätskonstante die Kapazität mit der angelegten Spannung deutlich ab.
Daher muss bei der Verwendung von MLCCs mit hoher Dielektrizitätskonstante diese Kapazitätsabnahme aufgrund der angelegten Spannung bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

DC-Vorspannungseigenschaften

Temperatureigenschaften

Die Kapazität von Siliziumkondensatoren bleibt auch unter Temperaturschwankungen weitgehend unverändert und stabil.
Im Gegensatz dazu weisen MLCCs zwar in Bezug auf die Temperaturkompensation ähnliche Eigenschaften wie Siliziumkondensatoren auf, jedoch nimmt bei Arten mit hoher Dielektrizitätskonstante die Kapazität mit der angelegten Spannung deutlich ab.
Daher muss bei der Verwendung von MLCCs mit hoher Dielektrizitätskonstante diese Kapazitätsabnahme aufgrund der angelegten Spannung bei der Konstruktion berücksichtigt werden.
Siliziumkondensatoren haben außerdem einen größeren Betriebstemperaturbereich als allgemeine MLCCs und bieten auch bei höheren Temperaturen eine stabile Kapazität.

Temperatureigenschaften

Sendepuls / Ringing

Ringing wird oft während der abschließenden Produktevaluierung entdeckt. Gegenmaßnahmen sind dann sofort einzuleiten, bevor das Set verkauft wird, da sonst signifikante Schäden entstehen können.
Da Siliziumkondensatoren jedoch nicht schwingen, muss man sich um ein Ringing keine Sorgen machen.

Keramikkondensatoren

Da Keramikkondensatoren piezoelektrische Elemente verwenden, können Spannungsschwankungen den Kondensator in verschiedene Richtungen schwingen lassen, wodurch der Keramikkondensator selbst und das Basissubstrat in Resonanz geraten und Ringing erzeugen.

noise problems

Eine wirksame Gegenmaßnahme ist die
Umstellung auf
Siliziumkondensatoren

Siliziumkondensatoren

Siliziumkondensatoren haben keine piezoelektrischen Eigenschaften.
Daher gibt es kein Ringing-Problem, das durch das Mitschwingen des Produkts aufgrund von Spannungsschwankungen verursacht wird.

Produkthöhe

Siliziumkondensatoren können durch die Bildung von Planar- und Trench-Strukturen mit Hilfe der Dünnschicht-Halbleitertechnologie ein niedrigeres Profil erreichen.
Zum Beispiel ist eine Produkthöhe von 0,1 mm oder weniger in der Größe 0402 (0,4 mm x 0,2 mm) möglich.
MLCCs hingegen bestehen aus gestapelten Platten, die mit internen Elektroden bedruckt sind, um die Kapazität zu erhöhen, was es schwierig macht, die Höhe zu verringern.

Produkthöhe

Aufrichteffekt bei der Montage (Grabstein-/ Manhattaneffekt)

Das Phänomen, dass sich manche Chips bei der Montage aufrichten, wird gemeinhin als Aufrichteffekt, Grabstein-Effekt oder Manhattan-Effekt bezeichnet.
Dies kann auf eine Vielzahl von Faktoren zurückgeführt werden, darunter Schwankungen in der Lotmenge, zeitliche Diskrepanzen beim Schmelzen des Lots oder eine falsche Ausrichtung des Produkts während der Montage.
Durch die Verwendung einer Bodenelektrodenstruktur haben Siliziumkondensatoren keine Seitenelektroden und werden daher nicht horizontal gezogen, was ein Aufrichten während des Reflows unwahrscheinlich macht.
MLCCs hingegen haben eine mehrseitige Elektrodenstruktur, die dazu führt, dass das Produkt horizontal gezogen wird.
Dies kann aus den oben genannten Gründen beim Reflow zum Aufrichteffekt führen.

MLCC: Mehrseitige Elektrodenstruktur

MLCC: Mehrseitige Elektrodenstruktur

Da die Seiten und der Boden vom Lot weggezogen werden, entsteht eine Kraft in Richtung der roten Linie. Bei mehrseitigen Elektroden kann der Unterschied in der Kontaktfläche zwischen den Elektroden und dem Lot beträchtlich werden.

MLCC: Mehrseitige Elektrodenstruktur

Wenn die Abweichung zu groß ist, werden die Elektroden in Richtung der roten Linie gezogen - zu der Seite mit der größeren Kontaktfläche - was zum Aufrichteffekt führen kann.

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Siliziumkondensator: Bodenelektrodenstruktur

Siliziumkondensator: Bodenelektrodenstruktur

Da sich an den Seiten keine Elektroden befinden, wirken die Kräfte nur direkt unter dem Substrat.

Siliziumkondensator: Bodenelektrodenstruktur

Das Design mit Bodenelektroden verringert die Wahrscheinlichkeit des Aufrichteffekts.

Was ist ein Tantalkondensator?

Bei Tantal handelt es sich um ein Metall, dessen Name von Tantalos, einem Antihelden aus der griechischen Mythologie, abgeleitet wird.
Im Allgemeinen werden Tantalkondensatoren mit Oberflächenbefestigung so konstruiert, dass die Elektroden an beiden Enden des Tantalelements geformt werden und die Struktur dann mit Gießharz versiegelt wird.

Tantalkondensator

KondensatorDatenblatt-Download

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