Kemet

Bild 1: Kemet entwickelte die Polymer-Tantalkondensatoren T598 speziell für die hohen Anforderungen im Automotive-Markt wie etwa für ECUs. (Bild: Kemet)

Fahrzeuge sind heute zunehmend auf elektronische Ausrüstung wie Infotainment- und Advanced-Driver-Assistance-Systeme () angewiesen, um Sicherheitsstandards und Kundenanforderungen zu erfüllen. Jedoch erfordern diese technischen Neuerungen eine zunehmende Anzahl an Elektronikmodulen im Fahrzeug, obwohl nur wenig bis kein zusätzlicher Platz dafür vorhanden ist. Kleinere, kompaktere Module kommen deshalb immer häufiger zum Einsatz. Soweit betroffen sind, unterstützt Moore’s Law kleinere Prozessgeometrien. Die Entwicklung anwendungsspezifischer ICs hingegen unterstützt die Miniaturisierung durch kleinere und weniger Komponenten auf den Leiterplatten. Allerdings sorgt die Verkleinerung der vielen passiven Bauelemente wie beispielsweise von , die auf Stromversorgungsleitungen oder an Ein-und Ausgängen von DC/DC-Wandlern benötigt werden, für eine Herausforderung.

Eckdaten

Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren haben einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad, jedoch konnte die Automobilbranche wegen der hohen Anforderung hinsichtlich Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Betriebsdauer, diese Technologie noch nicht nutzen. Der Polymer-Kondensator von Kemet erfüllt diese Anforderungen. Grund dafür ist eine eigens entwickelte Feuchtigkeitsschutzschicht sowie verbesserte Epoxidverkapselungs- und Versiegelungsverfahren.

Polymer-Tantal im Vergleich zu Aluminium-Elektrolyt

Bisher kommen Keramik- oder Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren für die Entkopplung und Filterung bei zum Einsatz. Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren haben einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad und könnten für kleinere Schaltkreise sorgen. Von den verfügbaren Typen bieten Polymer-Tantalkondensatoren, die mit einer Tantalanode, einem Tantalpentoxid-Dieelektrikum (Ta2O5) und einer Kathode aus einem leitfähigen Polymer hergestellt sind, im Vergleich zu herkömmlichen Tantalkondensatoren mit einer Mangandioxid-Kathode (MnO2) verschiedene Vorteile.

Die Automobilindustrie war bisher nicht in der Lage, die Polymer-Tantal-Fähigkeiten zu nutzen. Kemet bietet daher die T598-Serie von Polymer-Tantalkondensatoren an, die speziell für die hohen Anforderungen von Automotive-Anwendungen ausgelegt ist. Diese Kondensatoren verfügen über einen Kurzschluss-Ausfallmodus sowie einen niedrigeren äquivalenten Serienwiderstand (). Der niedrige ESR minimiert Energieverluste, senkt die Eigenerwärmung und erlaubt es den Kondensatoren, Welligkeitsströme ohne übermäßige thermische Belastung zu handhaben. Die Roll-Off-Frequenz des Kondensators erhöht sich aufgrund des niedrigeren ESR, womit Polymer-Varianten im Gegensatz zu MnO2-Kondensatoren die Kapazität bis zu hohen Frequenzen aufrechterhalten. Darüber hinaus verfügt der ESR des Polymer-Kondensators über einen niedrigen Temperaturkoeffizienten, der eine stabile Leistungsfähigkeit über den angegebenen Temperaturbereich sicherstellt.

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Bild 1: Kemet entwickelte die Polymer-Tantalkondensatoren T598 speziell für die hohen Anforderungen im Automotive-Markt wie etwa für ECUs. Kemet

Hinzu kommt, dass der empfohlene Deratingfaktor, der bei der Bestimmung der Nennspannung des Kondensators in Bezug auf die maximale Anwendungsspannung verwendet werden soll, bei einem Polymer-Kondensator im Bereich von 10 bis 20 Prozent liegt. Damit verringert sich das Risiko, dass die Kondensatoren beim Anlegen einer Spannung ausfallen. Dies ist vergleichbar mit dem typischen Derating von 50 Prozent, das für MnO2-Kondensatoren empfohlen wird. Polymer-Kondensatoren können damit eine niedrigere Nennspannung und kleinere Größe aufweisen als ein MnO2-Kondensator, der für dieselbe Anwendung ausgewählt wurde.

AEC-Q200-Tests für den Automotive-Bereich bestehen

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Bild 2: Kemets Polymer-Tantalkondensatoren T598 für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und hohen Temperaturen sind robust genug für Automotive-Anwendungen. Kemet

Polymer-Tantalkondensatoren sind als kompakte Lösung beliebt bei Schaltungen wie Hochleistungs-DC/DC-Wandler in Laptops und Tablets oder Stromversorgungen in Telekommunikations-Switches und Serverräumen. Allerdings verhinderten bisher mehrere Faktoren ihren Einsatz in der Automobilelektronik. Bei der Durchführung von Tests nach dem Automotive-Qualitätsstandard konnten Polymer-Tantalkondensatoren die Anforderungen hinsichtlich hoher Temperaturen, Luftfeuchtigkeit und Betriebslebensdauer bisher nicht erfüllen.

Bei Hochtemperaturversuchen bis 125 °C deuten die bisherigen Kenntnisse über das Verhalten des leitfähigen Polymers darauf hin, dass beim Einwirken heißer Luft ein Materialabbau aufgrund der Diffusion von Sauerstoff durch die Epoxidverkapselung des Kondensators und an den Grenzflächen zwischen und Epoxid auftritt. Die resultierende Oxidation reduziert die Leitfähigkeit der Polymerschicht, wodurch sich der ESR und der Dissipationsfaktor (DF) des Kondensators erhöht.

Die Luftfeuchtigkeitstests werden bei 85 °C und 85 Prozent relativer Feuchtigkeit (RH) mit DC-Vorspannung durchgeführt, die bis zur Nennspannung für 1000 Stunden angelegt wird. Andere Branchen wie die Telekommunikation fordern mittlerweile ebenfalls eine solche Qualifikation. Dies kann durch eine Datenanalyse von Tests anderer Komponenten herrühren, was darauf hindeutet, dass ein Bestehen bei 85 °C und 85 Prozent relativer Feuchtigkeit für 1000 Stunden einer echten Nutzungsdauer von fünf bis 10 Jahren in der Zielanwendung entspricht.

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Bild 3: Die Formmasse mit niedriger Permeabilität (EMC-C) reduziert die Feuchtigkeitsadsorption im Vergleich zu üblichen Verbundmaterialen (EMC-A, EMV-B) deutlich. Kemet

Luftfeuchtigkeitstests verursachen einen erhöhten Leckstrom, hauptsächlich aufgrund der Feuchtigkeitsadsorption in der Kondensatorverkapselung und den Kathodenschichten. Es ist bekannt, dass Wasseranreicherung in Polymermaterialien bei hoher Luftfeuchtigkeit auftritt und erhöhte Temperaturen diesen Prozess beschleunigen. Dies erleichtert den Ionenübergang von Metallen wie Kupfer aus Teilen des Leadframes, die während der Herstellung, insbesondere beim Schweißen des Tantal-Anodendrahts, freiliegen. Dieser metallische Übergang kann zu einem erhöhten Leckstrom oder im Extremfall zu einem Kurzschlussausfall des Kondensators führen. Das Eindringen von Feuchtigkeit könnte auch zu mechanischen Beschädigungen des Bauteils führen.

Kemet ist Anbieter von Tantalkondensatoren und bietet nun einen Polymer-Kondensator an, der in der Lage ist, AEC-Q200-Qualifikationstests zu bestehen. Entscheidend dafür war die Entwicklung einer neuen Feuchtigkeitsschutzschicht, die auf patentierten, eigenen Technologien beruht. Darüber hinaus wurde ein verbessertes Epoxidverkapselungs- und Versiegelungsverfahren entwickelt. Das neue Material hat im Vergleich zur herkömmlichen Epoxidverkapselung eine deutlich geringere Permeabilität gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit. Bild 3 beschreibt die wesentlich geringere Feuchtigkeitsadsorption, die durch die überarbeitete Epoxidformmasse (EMC-C) erzielt wurde.

Kemet konnte mit diesen Ergebnissen die neue T598-Serie von Polymer-Tantalkondensatoren entwickeln, die dem DC-Vorspannungstest bei 85 °C sowie 85 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit für 1000 Stunden standhalten. Die Kondensatoren sind auch in der Lage, die Nicht-Bias-Hochtemperaturbelastung und DC-Bias-Lebensdauerversuche bei 125 °C für 1000 Stunden zu bestehen.

Elektrische Tests der Hersteller bestehen

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Bild 4: Verkürzte Version des ISO-7637-Testimpulses und dessen Wirkung auf den herstellerspezifischen Überspannungsschutz wobei tr < 2 ms; t1 = 300 ms; tf < 30 ms. Kemet

Zusätzlich zu den AEC-Q200-Tests müssen Kondensatoren auch elektrische Prüfungen bestehen wie beispielsweise Load-Dump-Tests, um für den Einsatz in Automotive-Modulen zugelassen zu werden. Diese Tests simulieren die Überspannungstransienten, die nach einer plötzlichen Abschaltung der Fahrzeugbatterie auftreten können, während der Generator Ladestrom erzeugt und andere Lasten an den Wechselstromkreis angeschlossen sind. Eine plötzliche Batterieunterbrechung kann durch eine lose Verbindung, oder durch absichtliches Entfernen der verursacht werden.

Einzelne Autohersteller haben eigenen Spezifikationen für den Testimpuls eingeführt. Viele basieren auf dem in der 7637 definierten Testimpuls, der einen Überspannungsimpuls standardisiert, bei dem kein im Schaltkreis vorhanden ist.

Hersteller verwenden einen eigenen Überspannungsschutz und müssen daher den ISO-7637-Puls anpassen, um mit der elektrischen Umgebung in ihren eigenen Fahrzeugen übereinzustimmen. Während der ISO-7637-Impuls eine Spitzenspannung von bis zu 87 V spezifiziert, legen die Hersteller verschiedene Spannungsunterdrückungsstufen fest. Einige der Grenzwerte reichen hinab bis auf 27 V, während andere Hersteller eine größere Spitzenimpulsspannung im Bereich von 45 V tolerieren. Bild 4 beschreibt ein Load-Dump-Testsignal, wie es von einem großen Automobilhersteller spezifiziert wird.

Die derzeitigen 35- bis 50V-Polymer-Tantalkondensatoren garantieren keine ausreichend hohe Nennspannung, um ein Bestehen zu garantieren, sobald sie dem nicht unterdrückten ISO-7637-Überspannungsimpuls ausgesetzt sind. Bei niedrigeren Spitzenimpulsspannungen steigen die Bauteilüberlebensraten statistisch an. Kemets K598 KO-CAP Polymer-Tantalkondensatoren bieten eine 100-prozentige Überlebensrate bei 55V-Impulsen. Höhere Spannungswerte sind Teil von Kemets T598 Roadmap.

Die Messung der elektrischen Parameter der T598-Kondensatoren erfolgte vor und nach der Durchführung der Load-Dump-Test, wie es einige Automobilhersteller angeben. Die Kapazität, der Dissipationsfaktor, der ESR und der Leckstrom blieben nach dem Testende im Rahmen der veröffentlichten Spezifikation.

Fazit

Technische Hürden haben die Entwickler von Automotive-Modulen und Stromversorgungen bisher daran gehindert, die Platzeinsparungen zu nutzen, die Tantalkondensatoren bereits im Consumerelektronik-Bereich ermöglichen. Polymer-Tantalkondensatoren weisen nicht länger die Nachteile herkömmlicher Tantalkondensatoren mit MnO2-Kathoden auf, die AEC-Q200-Tests und die elektrischen Tests der Fahrzeughersteller wie etwa Load-Dump-Tests nicht bestehen.

Cristina Mota Caetano

Technical Product Marketing Director, Tantalum Business Group, Kemet Electronics Portugal

(prm)

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