Zuverlässigkeit ist heutzutage eine wichtige Eigenschaft in fast allen elektronischen Produkten. Obwohl längst nicht alle Anwendungen sicherheits- und einsatzkritisch sind, brauchen selbst die einfachsten Endgeräte eine gute Zuverlässigkeit, um ihre gute Reputation zu bewahren. Fundierte und richtige Entscheidungen bei der Wahl der Bauelemente stellen sicher, dass das Endprodukt über seine geplante Lebensdauer hinweg ordnungsgemäß und zuverlässig funktioniert. Dabei wird die Zuverlässigkeit wesentlich auch von den eingesetzten elektronischen Bauteilen und Komponenten bestimmt.

Bei der Wahl eines Kondensators sind Eigenschaften wie der volumetrische Wirkungsgrad, die Frequenzstabilität, der Betriebstemperaturbereich oder der äquivalente Serienwiderstand (ESR, Equivalent Series Resistance) wichtige Faktoren für die gewählte Bausteintechnologie. Aber nur wer weiß, welche Faktoren die Lebensdauer beeinflussen, kann Bauteile mit der nötigen Zuverlässigkeit wählen um die geforderte Lebensdauer zu erreichen. Kondensatorfertigungsprozesse mit Screening oder Prozesse, die für eine hohe Material- oder Komponentenreinheit sorgen, ergeben eine höhere Zuverlässigkeit.

Bild 1: Interner Aufbau eines Polypropylen-Folienkondensators.

Bild 1: Interner Aufbau eines Polypropylen-Folienkondensators. Kemet

Eigenschaften von Kondensatoren

Kondensatoren aus metallisierter Polyester- oder Polypropylen-Folie haben eine lange Lebensdauer (Bild 1). Hochspannungs- und/oder Hochtemperatureigenschaften machen diese Bauelemente geeignet für Anwendungen in den Bereichen Automobilelektronik oder Lampen-Vorschaltgeräte. Dabei gleicht eine Selbstheilung die Auswirkungen kleiner Verunreinigungen im Dielektrikum aus, die sonst zu einem Kurzschluss führen würden. Allerdings wird beim Ausgleich dieser Schadstellen die Gesamtkapazität kleiner und der äquivalente Serienwiderstand (ESR) nimmt zu.

Qualitativ hochwertige Materialien und Herstellungsverfahren für das Dielektrikum können Defekte minimieren und damit zu einer geringeren Selbstheilungsrate führen. In Anwendungen im Bereich alternative Energien, in denen ein niedriger ESR wünschenswert ist, um Energieverluste zu minimieren, garantiert Kemet beispielsweise eine Betriebslebensdauer seiner Kondensatoren von mehreren Jahrzehnten – und dies selbst dann, wenn man die Kondensatoren bei Temperaturen von 70 °C oder darüber betreibt.

Eckdaten

Die Auswahl des geeigneten Kondensators beeinflusst die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit eines Endprodukts direkt. Kondensatoren aus metallisierter Polyester- oder Polypropylen-Folie, Aluminiumkondensatoren mit Nasselektrolyt, Aluminium-Polymer- oder organische Polymerkondensatoren mit Festelektrolyt, Kondensatoren mit einer Base-Metal-Elektrode (BME) sowie Kondensatoren mit Tantal-Dielektrikum stehen dem Entwickler zur Verfügung. Dieser Beitrag erläutert ihre spezifischen Eigenschaften und erleichtert damit die Auswahl.

Aluminiumkondensatoren sind unterschiedlich aufgebaut, wobei jeder Typ eine andere Lebensdauer aufweist. Kondensatoren mit Nasselektrolyt haben zum Beispiel einen bekannten und definierten Abbaumechanismus. Der Elektrolyt ist leicht säurehaltig und baut sich deshalb im Laufe der Zeit ab. Andererseits bietet er den für den Wiederaufbau des Dielektrikums erforderlichen Sauerstoff. Deshalb muss die Lebensdauer eines Aluminiumkondensators mit Nasselektrolyt im unbenutzten Zustand betrachtet werden – unabhängig davon, ob dies nun im Lager oder montiert auf einer Baugruppe ist. Interessant ist auch, dass Aluminiumkondensatoren mit einem Durchmesser von 30 mm und darüber, einen neutralen anstelle eines säurehaltigen Elektrolyts aufweisen und so Lagerzeiten von zwei bis vier Jahren bei relativ moderaten Bedingungen erreichen. Diese Zahlen variieren natürlich je nach Elektrolyt, der in der Produktfamilie verwendet wird.

Festelektrolyt

Aluminium-Polymer- oder organische Polymerkondensatoren mit Festelektrolyt haben hingegen eine völlig andere Lebensdauercharakteristik. Diese Bausteine, wie beispielsweise die AO-CAP-Kondensatoren weisen keinen flüssigen Elektrolyt im fertigen Produkt mehr auf. Stattdessen besteht die Kathode aus einem festen leitfähigen Polymermaterial. Dies führt zu der besonders hohen Lebensdauer, wie sie für Festelektrolytkondensatoren typisch ist. Einige Datenblätter definieren die Lebensdauer dieser Bausteine basierend auf den Kapazitätsänderungen, dem ESR und dem Aussehen nach 1000 Betriebsstunden. Dabei ist zu beachten, dass diese 1000 Stunden sich nicht auf die Betriebslebensdauer des Kondensators beziehen, sondern eher den beschleunigten Lebensdauertests entsprechen, die man zur Qualifizierung passiver Bauelemente heranzieht.

Bild 2: X5R- und X7R-MLCCs kombinieren eine nickelbasierte BME und ein dotiertes Barium-Titanat-Dielektrikum, um eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten selbst unter rauen Einsatzbedingungen zu erzielen.

Bild 2: X5R- und X7R-MLCCs kombinieren eine nickelbasierte BME und ein dotiertes Barium-Titanat-Dielektrikum, um eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten selbst unter rauen Einsatzbedingungen zu erzielen. Kemet

Geht es um handelsübliche Kondensatoren, ist die Elektrode üblicherweise als Base-Metal-Elektrode (BME) ausgeführt, die vor allem aus Nickel besteht (Bild 2). Im Vergleich zu den früheren Edelmetallelektroden (Precious Metal Electrode, PME) hat eine BME eine höhere Spannungsbelastbarkeit. Die gängigen X7R- und X5R-Dielektrika basieren heute auf Bariumtitanat mit Zusatzstoffen wie Mangandioxid, das einen Abbau des Dielektrikums während des Brennprozesses in der Fertigung verhindert. Verbesserungen bei der Zusammensetzung des Dielektrikums erhöhen die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Keramikkondensatoren erheblich. Eine Kemet-Studie ergab, dass BME-Keramikkondensatoren selbst unter rauen Umgebungsbedingungen eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten haben.

Tantalkondensatoren

Kondensatoren mit Tantal-Dielektrikum haben eine besonders lange Lebensdauer. Da es sich dabei um Festelektrolytkondensatoren handelt, treten praktisch keine Verschleißmechanismen auf. Die häufigsten Ausfälle bei Tantalkondensatoren sind sogenannte Einschaltdefekte. Diese treten auf, wenn man eine Schrittspannung anlegt und der Kondensator einen großen Einschaltstrom bezieht. Dies kann einen Defekt im Dielektrikum verursachen, der zu einem Ausfall des Kondensators führt, wenn das Dielektrikum nicht ausheilt. Polymer-Tantal-Kondensatoren profitieren jedoch von einer ausgeprägten Selbstheilungsfunktion und sind sehr widerstandsfähig gegen diese Art von Fehler. Kemet-Studien haben gezeigt, dass die Lebensdauer der kapazitiven Elemente hunderte oder sogar tausende Jahre betragen kann. Dies ist wohl länger als die Lebensdauer anderer Materialien im Inneren eines Kondensators, wie zum Beispiel der Epoxide.

Kondensatorhersteller überprüfen ihre Tantalkondensatoren (Screening), um potenziell schwache Kondensatoren zu identifizieren. Dabei kommen Tests mit kontrollierten Stoßspannungen und Stoßströmen zum Einsatz. Erwähnenswert ist, dass die Kondensatoren durch Belastungen geschwächt werden können, die durch Missverhältnisse des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE, Coefficient of Thermal Expansion) zwischen den unterschiedlichen Materialien entstehen: Reflow-Löten und die Zahl der Reflow-Zyklen, denen der Kondensator während der Endmontage ausgesetzt ist, können die Anfälligkeit für Ausfälle ebenfalls beeinflussen.

Nennspannung

Auch die Nennspannung des Kondensators kann in Bezug auf die angelegte Spannung die Lebensdauer erheblich beeinflussen. Darum konzentriert sich die jüngste Entwicklung bei Polymer-Tantal-Kondensatoren auf höhere Nennspannungen (63 V und höher), um die nun gängigen Betriebsspannungen von 24 oder 28 V in der Luft-/Raumfahrttechnik zu unterstützen.

In Summe zeigt sich, dass es neben der Spannung und Kapazität eines Kondensators eine Menge an Parametern gibt, die Entwickler kennen müssen um die Lebensdauer ihrer Produkte nicht versehentlich zu begrenzen. Ein defekter Elko hat schon vielen Geräten ein vorzeitliches Ende beschert – das gefällt weder der Umwelt noch den Kunden.