Chip-Ultrakondensatoren für Backup-Power-Systeme in SSDs

Bild 1: Der reflow-lötfähige Chip-Ultrakondensator SD85-500 von Fastcap FastCAP Systems

Aufgrund zahlreicher Vorteile wächst die Nachfrage nach Solid State Drives (SSDs) im Speichermarkt stetig. Zu den relevantesten Vorteilen gehören eine hohe Schreib-/Lesegeschwindigkeit und ein niedriger Stromverbrauch. Während des Datenschreibens und -lesens sind die SSDs schneller als HDDs und verbrauchen zudem weniger Strom, da sie kein mechanisch bewegtes Teil besitzen, das normalerweise typisch für Festplatten ist. Im Falle eines Leistungsverlustes oder eines inkorrekten Abschaltens verschwindet der Cache-Speicher jedoch und wertvolle Daten können verloren gehen. Um dieses Problem zu eliminieren, wurden mehrere Medium- und High-End-SSD-Karten mit einer Interim Power Supply ausgestattet, die Leistung für etwa zehn Millisekunden liefert und so den Datentransfer von dem volatilen Cache-Speicher hin zum permanenten Flash-Speicher ermöglicht. Das Leistungsverlustsicherungssystem ist eine weitverbreitete Eigenschaft insbesondere in SSD-Karten für Firmen- oder Industrieapplikationen, wo der Datenverlust katastrophal sein könnte.

Derzeit gibt es drei Haupttypen von Energiespeichern, die für Interim Power Supply in SSDs benutzt werden. Alle haben jedoch entscheidende Nachteile:

• Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Diese sind zwar die kostengünstigste Lösung, haben allerdings eine niedrige Energiedichte und eine kurze Lebenszeit. Außerdem arbeiten sie aufgrund des Austrocknens der Elektrolyte nicht gut bei hohen Betriebstemperaturen der SSDs (über 70 °C).
• Tantalkondensatoren. Diese besitzen zwar eine höhere Energiedichte und eine längere Lebenszeit als Aluminium-Elektrolytkondensatoren, sind aber deutlich teurer und mehrere Teile (20 bis 100) werden in Applikationen benötigt, die mehr als 5 W für zirca 10 ms brauchen. Dies bedeutet, dass ein wesentlicher Teil des verfügbaren Platzes der Speicherkarte von Tantalkondensatoren (etwa 30 Prozent) besetzt ist. In manchen Fällen werden sogar Tantalkondensatoren auf ein separates Board montiert. Dies macht allerdings den zweitteuersten Posten in der Materialrechnung der gesamten SSD aus. Hinzukommt, dass es im Falle einer Überspannung zu Feuer kommen kann, da der Fehlermodus ein Kurzschluss ist.
• Ultrakondensatoren oder EDLCs. Da Ultrakondensatoren eine fünf- bis zehnmal höhere Energiedichte als Tantalkondensatoren haben, lösen sie das Problem der Anzahl an Teilen, die auf das Board montiert werden müssen. Zudem sind Ultrakondensatoren nachsichtiger im Falle von Überspannungen, da sie weniger sensitiv für Spannungsspitzen sind, die Millisekunden dauern, und ihr Fehlermodus ein offener Schaltkreis ist. Dennoch haben sie zwei entscheidende Nachteile: kurze Lebensdauer bei hohen Temperaturen und sie sind nicht reflow-lötfähig. Da montierbare Ultrakondensatoren derzeit per Hand auf das Board gelötet werden müssen, ist der Prozess sehr teuer und für Applikationen mit hohem Volumen nicht skalierbar. Ultrakondensatoren sind nicht reflow-lötfähig, weil sie volatile Elektrolyte haben, die der Temperatur während des Reflowprozesses nicht standhalten.

Fastcap Chip-Ultrakondensator

Fastcap (Eigenschreibweise: FastCAP Systems) hat sich diesen Problemen gewidmet und mit dem SD85-500 eine geeignete Lösung gefunden. Die Chip-Ultrakondensatoren sind von Kamaka Electronic Bauelemente erhältlich.

Themen auf der nächsten Seite: High-Temperature-Technologie und Reflow-lötbarer Chip-Ultrakondensator mit flachem Profil.

High-Temperature-Technologie

Bild 2: Die Fastcap-Kohlenstoff-Nanoröhrchen bilden zusammen mit nicht volatilen Hochtemperatur- und hochspannungsionischen Flüssigkeiten die Basis der Chip-Ultrakondensatoren. FastCAP Systems

Fastcaps Technologie hat ihre Wurzeln in einem Nanomaterial, das überlegene Eigenschaften in zahlreichen Applikationen besitzt: Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Bild 2). Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind insofern bemerkenswert, da sie hundertmal länger sind und ein bisher nicht erreichtes Querschnittsverhältnis im Vergleich zu anderen Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf dem Markt haben. Die Kerntechnologie von Fastcap besteht aus Elektroden mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Basis und nicht volatile Hochtemperatur- und  hochspannungsionische Flüssigkeiten dienen als Elektrolyten für EDLCs oder Ultrakondensatoren.

Reflow-lötbarer Chip-Ultrakondensator mit flachem Profil

Fastcap entwickelte den ersten flachen, reflow-lötbaren Ultrakondensator (bis 260 °C) mit niedrigem ESR, der automatisch und durch Pick-und-place auf die SMD-Leiterplatte montiert werden kann. Dies ist ein großer Schritt vorwärts, da alle Board-montierbaren Ultrakondensatoren heutzutage per Hand gelötet werden müssen. So entstehen mehr Aufwand und höhere Kosten. Die Reflow-Lötbarkeit ist eine Schlüsseleigenschaft, die dank der nicht volatilen Elektrolyte und des robusten Keramikgehäuses ermöglicht wird. Dies ist eine gut geeignete Komponente für Back-up-Power-Applikationen, die Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen und kleinem Raum benötigen. Trotz ihrer geringen Energiedichte werden Tantalkondensatoren aufgrund des zuverlässigen Betriebs bei hohen Temperaturen und der Reflow-Lötbarkeit gegenüber EDLCs in Back-up-Power-Applikationen bevorzugt. Fastcap liefert nun eine Komponente, die eine zehnmal höhere Energiedichte als ein Tantalkondensator liefert und die auch bei Temperaturen höher als 70 °C jahrelang arbeitet.

Die Kondensatoren sind bleifrei und RoHS-konform. Das Keramikgehäuse ist hermetisch verschlossen und mit einer Bauhöhe von 2,3 mm auf einer Fläche von 11,0 mm x 8,0 mm kompatibel zu SSD- und IoT-Applikationen.

(jj)