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MLCC-Mangel überwinden „Wir müssen reden“

In der Elektronikindustrie sind Bauteileengpässe unvermeidlich. Derzeit betrifft die Knappheit die Multilayer-Keramikkondensatoren. Felix Corbett, Director Supplier Marketing Europe bei TTI, erklärt warum diese Engpässe aufgetreten sind und wie Konstrukteure mit Alternativen die Probleme überwinden können.

eli: Die Lieferzeiten von MLCCs haben sich verlängert, ihre Preise steigen und einige Komponenten befinden sich in der Allokation, was die Auftragsgröße begrenzt. Weshalb ist es zu diesen Engpässen gekommen, Herr Corbett?

Corbett: In vielen Produkten machen MLCCs fast ein Drittel der Komponentenzahl aus. Sie haben einen Marktwert von mehr als acht Milliarden Dollar. Ihre Nachfrage ist zuletzt schneller gestiegen, als von Lieferanten und Analysten vorhergesagt – im Vergleich zum Vorjahr um 30 %, was zum Teil auf das Internet der Dinge und Elektrofahrzeuge zurückzuführen ist. Dagegen ist die MLCC-Produktionskapazität nur um 10 bis 25 % gewachsen, da die Anbieter aufgrund der erwarteten niedrigen Investitionsrentabilität die Produktionskapazitäten nur zögerlich ausbauen. Außerdem haben einige große Lieferanten die Produktion weniger profitabler MLCCs eingestellt, darunter Teile, die Edelmetalle wie Ruthenium und Palladium benötigen.

eli: Was raten Sie Entwicklern, wie sollen sie auf die Engpässe reagieren?

Corbett: Planen Sie frühzeitig für zukünftige Änderungen Ihrer Anforderungen und sprechen Sie mit Ihrem Distributor. Wer mit einem Distributor zusammenarbeitet, profitiert von dessen Kaufmacht – TTI ist für viele Hersteller der größte Kunde, sodass wir einen großen Teil der verfügbaren Komponenten beziehen konnten.

eli: Aber auch die Produkte der Distributoren sind begrenzt ...

Corbett: Da haben Sie recht. Deshalb ist es der zweite wichtige Schritt, Alternativen zu prüfen – beginnend bei der Option mit der geringsten Auswirkung. Meine vier Vorschläge sind:

  • Halten Sie Ausschau nach alternativen Lieferanten, die in der Lage sein könnten, ein Bauteil mit den gleichen Spezifikationen zu liefern.
  • Erwägen Sie den Einsatz besserer MLCCs, beispielsweise mit einer höheren Spannung oder einer engeren Toleranz. Selbst eine kleine Kostensteigerung rechtfertigt einen Drop-in-Ersatz.
  • Überprüfen Sie alle von Ihnen spezifizierten Standardqualifikationen: Sind sie wirklich notwendig? Könnten Sie ein konformes Teil auswählen, um ein nicht konformes MLCC zu ersetzen? Wenn Sie einen flexiblen Anschluss spezifiziert haben, ist das erforderlich?
  • Prüfen Sie, ob Ihr Pad-Layout 0402-Teile oder noch kleinere aufnehmen kann, ohne ein Redesign zu erfordern – jährlich werden hunderte Milliarden 0402-MLCCs produziert, und sie könnten freier verfügbar sein als größere Kondensatoren, beispielsweise 0603- oder 0805-Teile. Selbst wenn ein Redesign nötig ist, um kleinere Pads für kleinere Gehäusegrößen bereitzustellen, kann dies dennoch relativ kostengünstig sein.

eli: Und wenn diese Maßnahmen nicht ausreichen?

Corbett: Dann müssen Enwickler möglicherweise ihr Produkt umdesignen und mindestens einige MLCCs durch alternative Kondensatortechnologien ersetzen. Die Substi­tution kann zu einem einfachen Drop-in von gleichartigen Teilen führen oder die Verwendung einer anderen Zahl von Komponenten bedeuten. So lassen sich etwa mehrere MLCCs, die gegebenenfalls parallel miteinander verschaltet sind, durch weniger Teile mit höherer Kapazität ersetzen.

eli: Die erste Wahl, um MLCCs zu ersetzen, sind wahrscheinlich in den meisten Fällen Polymerkondensatoren. Was gilt es dabei zu beachten?

Corbett: Ihr niedriger ESR (äquivalenter Serienwiderstand, Anmerkung der Redaktion) ist ein wesentliches Merkmal von Polymerkondensatoren, egal ob auf der Basis von Aluminium oder Tantal. Dennoch ist der Wert höher als bei typischen MLCCs. Wenn Entwickler einen ESR unter 10 mΩ benötigen, sind Polymerkondensatoren vielleicht nicht die beste Option, aber für viele Anwendungen ist ihr ESR gering genug, um MLCC-Teile zu ersetzen.

eli: Können Sie einen Polymerkondensator empfehlen?

Corbett: Ein Beispiel für einen Tantal-basierten Polymerelektrolytkondensator ist der KO-CAP von Kemet. Er hat eine höhere Kapazität als MLCCs gleicher Größe, sodass er möglicherweise mehrere MLCCs ersetzen kann. Der niedrigste verfügbare Kapazitätswert eines KO-CAP beträgt jedoch 680 nF; er ist also ungeeignet, wenn eine geringere Kapazität benötigt wird. Insgesamt sind Polymerkondensatoren aufgrund ihrer hohen Kapazität oft eine gute Wahl für Hochstromanwendungen mit 1 A oder mehr.

Wie unterscheiden sich Polymerkonden­satoren auf Tantalbasis hinsichtlich ihrer Spannung von MLCCs?

Corbett: Sie weisen eine dünne dielektrische Schicht auf, sodass ihre Spannung begrenzt ist. Beipielsweise sind die KO-CAP-Teile für Anwendungen bis 50 V geeignet. Außerdem tolerieren Polymerkondensatoren wie KO-CAP keine Sperrspannung.

eli: Und was ist mit der Schaltfrequenz?

Corbett: Die eigenresonante Frequenz der KO-CAPs bedeutet, dass sie bis zu einer Frequenz von etwa 1 MHz einsetzbar sind. Polymerkondensatoren haben auch einen breiteren Sweetspot mit niedriger Impedanz als MLCCs, also eine niedrige Impedanz über einen breiteren Frequenzbereich. Und Polymere leiden nicht unter den mikrofonischen Piezoeffekten von MLCCs, bei denen mechanische Vibrationen in elektrisches Rauschen umgewandelt werden können, typischerweise bei höheren Frequenzen. Dadurch eignen sie sich besonders für Anwendungen, bei denen akustische Geräusche problematisch sind.

eli: Wie sieht es mit Größe und Kosten aus?

Corbett: In einigen Fällen können KO-CAPs teurer erscheinen als MLCCs. Da sie jedoch typischerweise eine höhere Kapazität aufweisen, lassen sich MLCCs durch weniger KO-CAPs oder andere Polymerkondensatoren zu niedrigeren Gesamtkosten ersetzen. Auch in Bezug auf die Kapazität pro Volumeneinheit oder bei einer bestimmten Grundfläche übertreffen Polymere MLCCs. Dazu kommt, dass Polymere eine längere Lebensdauer haben, die für hochzuverlässige Geräte in Militär und Luftfahrt oder in der Medizin nützlich ist.

eli: Eine kostengünstige Alternative zu MLCCs sind Elektrolytkondensatoren. Was muss man wissen, wenn man diese anstelle von MLCCs einsetzt?

Corbett: Aluminium-Elektrolytkondensatoren von Anbietern wie Nichicon weisen eine höhere Kapazität auf. Sie eignen sich außerdem für den Einsatz bei hohen Spannungen, wobei die Kapazität mit steigender Spannung nicht abnimmt. Dagegen kann die Kapazität eines MLCC mit steigender Spannung von beispielsweise 0 auf 6 VDC um über 80 % sinken. Aluminium-Elektrolytkondensatoren ändern ihre Kapazität zudem linear mit der Temperatur, während sich ein MLCC nicht linear verhält. Ein weiteres Merkmal ist, wie sich die Kapazität im Laufe der Zeit ohne Last ändert: MLCCs weisen einen Rückgang von etwa 20 % pro Jahr auf, wohingegen die Aluminium-Elektrolytkondensatoren keine Veränderungen zeigen, was sie für langlebige Anwendungen geeignet macht.

eli: Gelten diese zuletzt genannten Punkte auch für Tantalkondensatoren?

Corbett: Ja, auch sie weisen ein lineares Temperaturverhalten, eine stabile Kapazität über lange Zeiträume und nur geringe Kapazitätsänderungen bei steigender Spannung auf. Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren eignen sich daher als MLCC-Ersatz in vielen Anwendungen. Laut Vishay haben ihre Tantalkondensatoren beispielsweise einen Sweetspot, an dem sie die Anforderungen von Anwendungen wie Filterung und Spannungsstabilisierung erfüllen.

eli: Kann man bei dem Austausch der Kondensatoren etwas falsch machen?

Corbett: Entwickler müssen das Derating beachten: MLCCs können bis zur vollen Nennspannung betrieben werden. Allerdings werden sie oft um circa 20 % reduziert, um die geringere Effektivkapazität aufgrund des VCC-Effekts zu berücksichtigen. Im Gegensatz dazu sollte man herkömmliche Tantalkondensatoren in der Regel um 50 % herabsetzen.

eli: Vielen Dank für das Gespräch.

TTI , Inc.,
Ganghoferstraße 34,
82216 Maisach-Gernlinden,
Tel. 08142 6680-0,
Fax 08142 6680-490,
sales@de.ttiinc.com,
www.ttieurope.com
Alternativen finden. Die Knappheit bei MLCCs wird sich fortsetzen, zumindest für die nächsten ein bis zwei Jahre. Auch wenn sich die Situation insgesamt verbessert, wird es bei bestimmten Bauteilwerten und Gehäusegrößen weiterhin zu Engpässen kommen. Um diese zu überwinden, sollten Entwickler Alternativen in Betracht ziehen: etwa Polymer- oder Elektrolytkondensatoren auf Basis von Tantal oder Aluminium. Sie sind kostengünstig und eignen sich hinsichtlich ihrer Charakteristik in vielen Anwendungen als MLCC-Ersatz. In jedem Fall sollten Entwickler mit ihrem Distributor sprechen, um ihn über ihre Prognosen zu informieren und um dessen technischen Support zu nutzen.
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