Keramikkondensator

Grundprinzip und Bauformen

Ein Keramikkondensator („Kerko“) ist ein elektrischer Kondensator, dessen Dielektrikum – die isolierende Schicht zwischen den Elektroden – aus Keramik besteht. Die Zusammensetzung dieser Keramik bestimmt die elektrischen Eigenschaften. Übliche Kapazitäten reichen überwiegend von 1 pF bis 100 µF.

Die Keramik wird aus feingemahlenen para- oder ferroelektrischen Grundstoffen gesintert und trägt die aufmetallisierten Elektroden. Bei einem Einschichtkondensator ist die Keramik beidseitig metallisiert. Bei Vielschichtkondensatoren werden viele einseitig metallisierte Keramiklagen gestapelt; die Anschlussflächen verbinden die inneren Elektroden parallel. Die Dielektrikumschicht kann heute etwa 1 µm dick sein.

Wichtige Bauformen sind Scheiben-, Rohr-, Durchführungs- und Leistungskondensatoren sowie MLCCs (Multi Layer Ceramic Capacitors). MLCC-Chips für die Oberflächenmontage (SMD) sind besonders wichtig als Stütz- und Entkopplungskondensatoren in Digitalschaltungen. Keramik-Leistungskondensatoren sind für Spannungen von 2 kV bis 100 kV erhältlich; bei sehr hoher Verlustleistung gibt es Tonnenbauformen mit Wasserkühlung.

Klassen und typische Anwendungen

Nach IEC 60384 gibt es zwei aktuelle Anwendungsklassen. Klasse 1 steht für hohe Stabilität, Klasse 2 für hohe Volumeneffizienz, also hohe Kapazität bei kleinem Volumen. Die frühere Klasse 3 bezeichnete Sperrschichtkondensatoren und ist obsolet; eine Norm dafür gibt es seit den 1980er Jahren nicht mehr.

Klasse-1-Kondensatoren bestehen aus paraelektrischen Keramiken, etwa Titandioxid mit Zusatzstoffen. Ihre relative Permittivität beträgt 6 bis 200. Sie haben kleine Kapazitäten, geringe dielektrische Verluste von <0,5 %, einen nahezu linearen und gezielt einstellbaren Temperaturgang, fast keine Spannungsabhängigkeit und kaum Alterung. Deshalb eignen sie sich für frequenz- und zeitbestimmende Schaltungen, etwa Filter, Schwingkreise, Oszillatoren, Spannungs-Frequenz-Wandler und Zeitglieder. NP0 beziehungsweise C0G hat α = ±0·10−6/K mit einer α-Toleranz von ±30·10−6/K; über −55…+125 °C bleibt dC/C kleiner als ±0,54 %.

Klasse-2-Kondensatoren verwenden ferroelektrische Materialien, meist Bariumtitanat (BaTiO3). Mit einer relativen Permittivität von 200 bis 14.000 ermöglichen sie hohe Kapazitäten in kleinen Bauformen; als MLCC reichen sie von 1 nF bis 100 µF. Ihre Kapazität ist jedoch nichtlinear von Temperatur und Spannung abhängig, sie altern deutlich und können durch Piezoelektrizität mikrofonisch wirken. Sie werden zum Koppeln, Entkoppeln, Puffern und Sieben, zur Funkentstörung sowie in Snubber-, Durchführungs- und Leistungsschaltungen eingesetzt. Gebräuchliche Kennzeichnungen sind X7R (−55 °C/+125 °C, ΔC/C0 = ±15 %), X6R (−55 °C/+105 °C, ±15 %), Z5U (+10 °C/+85 °C, −56/+22 %) und Y5V (−30 °C/+85 °C, −82/+22 %).

MLCC: Fertigung, Größen und Sonderformen

MLCCs sind die am häufigsten eingesetzte Bauform; jährlich werden 1 Billion (10^12) Stück produziert. Für die Herstellung wird Keramikpulver mit einem Binder zu einer dünnen Folie verarbeitet. Diese wird mit Metallpaste bedruckt, in der benötigten Zahl gestapelt, gepresst, zugeschnitten, vom Binder befreit und bei 1200 bis 1450 °C gesintert. Anschließend werden die Stirnseiten metallisiert, sodass alle inneren Teilkondensatoren parallel geschaltet sind. Eine 100-%-Endprüfung schließt die Herstellung ab.

Kapazität hängen von Dielektrikum, Baugröße, Zahl der Lagen und Spannungsfestigkeit ab. Die kleinste Baugröße 01005 entspricht 0,4 × 0,2 mm; 0201 entspricht 0,6 × 0,3 mm, 0402 1,0 × 0,5 mm und 1206 3,2 × 1,6 mm. Die Höhenangabe hängt vor allem von der Zahl der Lagen und damit von der Kapazität ab. Dünnere Schichten und mehr Lagen steigerten die Kapazität erheblich: Bei gleicher Baugröße stieg sie von 1961 bis 2008 etwa um den Faktor 800. 2016 gab es MLCC bis 1000 µF in EIA 3225 sowie 470 µF/4 V bei 4,5 mm × 3,2 mm × 2,5 mm.

Bei modernen MLCCs hat die kostengünstigere BME-Metallisierung aus Nickel und Kupfer die frühere NME-Metallisierung aus Silber und Palladium fast vollständig ersetzt. Die kontrollierte Sinteratmosphäre muss dabei Oxidation der Elektroden und Sauerstoffleerstellen in der Keramik verhindern.

Low-ESL-Bauformen verringern die äquivalente Serieninduktivität (ESL), indem die Elektroden an den Längsseiten kontaktiert werden. So steigt bei einem 0,1-µF-X7R-Kondensator die Resonanzfrequenz von etwa 16 MHz in 0805 auf etwa 22 MHz in 0508. X2Y-MLCCs haben vier Anschlüsse und können hochfrequente Signale filtern oder Versorgungsspannungen entkoppeln; bei Taktraten ab einigen 100 MHz können sie bis zu fünf gleich große Keramikkondensatoren ersetzen.

Elektrische Kennwerte und ihre Abhängigkeiten

Das Serienersatzschaltbild enthält die Kapazität C, den Isolationswiderstand Risol, den äquivalenten Serienwiderstand ESR für ohmsche Verluste und die äquivalente Serieninduktivität ESL. Der Wechselstrom- oder Scheinwiderstand lautet Z = UAC/IAC. Mit XL = ωESL und XC = −1/(ωC) gilt: Z = √(ESR² + (XL + XC)²). Bei Resonanz XC = XL und damit Z = ESR.

Der Verlustfaktor ist unter Vernachlässigung der ESL: tan δ = ESR · ωC. Für verlustarme Klasse-1-Kondensatoren wird oft die Güte Q angegeben: Q = f0/B mit B = f2 − f1. Hohe Güte bedeutet eine kleine Bandbreite und geringe Verluste. Die Verluste steigen mit Frequenz; bei höherer Temperatur sinken sie wegen der besseren Beweglichkeit der Dipole. Für Klasse 1 mit CR ≥ 50 pF liegt tan δ je nach Temperaturkoeffizient höchstens zwischen 15 · 10−4 und 50 · 10−4, für Klasse 2 mit Nennspannung ≥ 10 V höchstens bei 350 · 10−4.

Die Nennkapazität CR ist der aufgedruckte Wert; der gemessene Wert muss innerhalb der Toleranz liegen. Klasse 1 kann beispielsweise ±1 % oder bei CR < 10 pF ±0,1 pF erreichen. Klasse 2 nutzt meist ±20 %, −20/+50 % oder −20/+80 %. Messbedingungen sind entscheidend: Klasse 1 bis 100 pF wird bei 1 MHz und 5 V gemessen, darüber bei 1 kHz und 5 V. Bei Klasse 2 gelten 1 MHz/1 V bis 100 pF, 1 kHz/1 V von über 100 pF bis 10 µF und 100/120 Hz bei über 10 µF mit 0,5 V.

Klasse 1 ist nahezu spannungs- und frequenzunabhängig. Bei Klasse 2 sinkt die Kapazität mit steigender angelegter Spannung, teils bis zu 80 %, und sie kann stark frequenzabhängig sein. Die Kapazität ist außerdem temperaturabhängig; der Temperaturbeiwert beschreibt ihre Änderung pro Kelvin.

Alterung, Zuverlässigkeit und besondere Effekte

Alterung bezeichnet die zeitliche Änderung elektrischer Werte, meist der Kapazität. Klasse 1 altert nur gering: von P100 bis N470 höchstens 1 %, von N750 bis N1500 höchstens 2 %. Bei Klasse 2 ordnen sich die ferroelektrischen Domänen nach dem Abkühlen unter die Curie-Temperatur von Bariumtitanat von etwa 120 °C mit der Zeit um. Dadurch sinken Dielektrizitätszahl und Kapazität logarithmisch. Die Alterungskonstante ist die prozentuale Abnahme innerhalb einer Zeitdekade, etwa von 1 h auf 10 h. Als Bezugsalter für Messungen sind 1000 h festgelegt. X7R altert typischerweise um 1,2 bis 1,65 % pro Zeitdekade, maximal etwa 2,5 %; Z5U bis zu 7 %. Erwärmen über den Curiepunkt und langsames Abkühlen stellt den ursprünglichen Wert wieder her; Lötprozesse können Klasse-2-SMD-Kondensatoren daher zurücksetzen.

Die Nennspannung UR ist die Gleichspannung, die dauerhaft bis zur oberen Kategorietemperatur anliegen darf. Für MLCCs bis 100 V beträgt die Prüfspannung 2,5 UR. Eine zu hohe Spannung kann den Kondensator zerstören. Wechselstrom verursacht über den ESR Wärme; zulässig ist nur eine Belastung, bei der die spezifizierte Maximaltemperatur nicht überschritten wird.

Der Isolationswiderstand Risol bestimmt die Selbstentlade-Zeitkonstante τisol = Risol · C. Übliche Werte liegen zwischen 100 und 1.000.000 s. Nach einer Entladung kann sich durch dielektrische Absorption wieder Spannung aufbauen. Der Nachladeeffekt beträgt bei Klasse 1 etwa 0,3 bis 0,6 %, bei X7R 0,6 bis 1 % und bei Z5U 2,0 bis 2,5 %.

MLCCs sind wegen der spröden Keramik empfindlich gegen Biegen der Leiterplatte, Stöße und Lötbelastung. Keramikbrüche können bei Standard-MLCCs Kurzschlüsse verursachen. Open-Mode-Design und Floating-Electrode-Design führen bei einem Bruch nur zu verringerter Kapazität; flexible Anschlusslagen („Flexible“ oder „Soft Terminations“) vermindern Bruchgefahr. Klasse-2-Kondensatoren können durch den Piezoeffekt bei Druck, Vibration oder Wechselspannung unerwünschte Spannungen beziehungsweise hörbare Schwingungen erzeugen.

Sicherheits- und Einsatzaspekte

Keramikkondensatoren verbinden anpassbare elektrische Eigenschaften mit vielen Bauformen, kleinen SMD-Ausführungen, hoher Spannungsfestigkeit bis 100 kV und mehr sowie geringer Entflammbarkeit. Bedrahtete Typen sind relativ unempfindlich gegen Überspannungen und Überspannungsimpulse. Keramische Entstörkondensatoren werden wegen erhöhter Spannungsfestigkeit, hoher Impuls-Stoßfestigkeit und Unbrennbarkeit eingesetzt; SMD-Entstörkondensatoren müssen unter anderem DIN IEC 60384-14 sowie ENEC- und UL-Anforderungen erfüllen.

Nachteile betreffen vor allem kleine MLCCs: Sie sind empfindlich gegen energiereiche Überspannungsimpulse und mechanische oder thermische Beanspruchung, die Brüche und Kurzschlüsse auslösen kann. Bei Klasse 2 kommen Spannungsabhängigkeit, Alterung, höhere Verluste und mögliche Mikrofonie hinzu. Wegen sehr kleiner interner Verluste können SMD-Kondensatoren zusammen mit Leiterbahnen ungedämpfte Resonanzkreise mit hohen Störfrequenzen bilden.

Aufdrucke können Nennkapazität, Toleranz, Nennspannung, Temperaturbereich, Temperaturkoeffizient, Stabilitätsklasse, Hersteller und Herstellungsdatum enthalten. Beispiele für Kapazitätskurzzeichen sind p47 = 0,47 pF, 4p7 = 4,7 pF und 47p = 47 pF. Grundlegende Prüf- und Messvorschriften enthält IEC 60384-1; für keramische Klasse-1- und Klasse-2-Kondensatoren gelten insbesondere IEC 60384-8, -21, -9 und -22.