Sicheres und zuverlässiges Laden von Elektrofahrzeugen durch keramische Mehrschichtkondensatoren mit flexiblen Anschlüssen

Während der Anteil der Elektronik in Fahrzeugen rapide zunimmt, konzentriert sich die Industrie auf Sensoren, Motorsteuergeräte (ECUs), Navigation, Verbindungen in der Kabine, Audio und hochentwickelte Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen werden elektronische Hochspannungskomponenten mit hoher Zuverlässigkeit benötigt, die mehr als 800 Volt vertragen und gleichzeitig strengen Umweltanforderungen genügen. Dies gilt bis hinunter zur Kondensatorebene.

Neben der Einhaltung von Normen wie AEC-Q200 für die Belastbarkeit müssen Automobilkonstrukteure bei der Auswahl von Kondensatoren viele physikalische und elektrische Eigenschaften berücksichtigen, die von der jeweiligen Anwendung abhängen. Für Rückkopplungsschleifen werden Kondensatoren mit enger Toleranz und stabilen Temperaturkoeffizienten benötigt. Bei Hochfrequenzanwendungen muss die äquivalente Serieninduktivität (ESL) niedrig sein. In Leistungsanwendungen werden Bauteile mit niedrigem Serienersatzwiderstand (ESR) benötigt, wenn hohe Brummströme zu erwarten sind. Bei E-Fahrzeugen ist es darüber hinaus wichtig, Größe und Gewicht zu minimieren.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind jetzt sicherheitszertifizierte keramische Mehrschichtkondensatoren (MLCCs) für die Oberflächenmontage erhältlich, die mehrere internationale Sicherheitsspezifikationen und -zertifizierungen erfüllen, darunter auch AEC-Q200.

Dieser Artikel beschreibt die Struktur von MLCC-Kondensatoren und die Anforderungen, die an MLCCs für Elektrofahrzeuge gestellt werden. Anschließend wird gezeigt, wie die inhärente Größe und der volumetrische Wirkungsgrad sowie Merkmale wie FlexiCap-Terminierung und hohe Spannungsfestigkeit dazu beitragen, dass MLCCs die physikalischen und elektrischen Anforderungen erfüllen. Es werden Beispiele aus der Praxis von Knowles Syfer gegeben.

Die Struktur der MLCCs

MLCCs sind oberflächenmontierte Kondensatoren, die aus mehreren einzelnen Kondensatorelementen bestehen, die vertikal gestapelt und über die Endanschlüsse parallel geschaltet sind. Daher auch der Begriff Mehrschicht (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Querschnitt durch die Struktur eines MLCCs zeigt mehrere Kondensatorlagen, die in einem gemeinsamen Gehäuse gestapelt sind. (Bildquelle: Knowles Syfer)

Zur Herstellung eines MLCCs werden die Schichten des keramischen Dielektrikums in einem Siebdruckverfahren abwechselnd mit Elektroden unterschiedlicher Polarität aufgebaut. Dadurch kann eine sehr große Anzahl von Schichten erstellt werden. Die Parallelschaltung mehrerer Paare aus positiven (+) und negativen (-) Elektroden ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit großer Kapazität in einem relativ kleinen Gehäuse.

Die Elektroden sind metallisch und hoch leitfähig. Der Herstellungsprozess erfordert, dass die Elektroden chemisch nicht reaktiv sind und einen hohen Schmelzpunkt haben. Dazu verwenden die MLCC-Kondensatoren von Knowles Syfer eine Kombination aus Silber und Palladium als Elektroden.

Dielektrika hingegen müssen gute Isolierstoffe sein. Die relative Permittivität - oder Dielektrizitätskonstante (e_r) - bestimmt die erreichbare Kapazität für eine bestimmte Bauteilgeometrie. Die MLCCs mit erweiterter Sicherheitszertifizierung für die Oberflächenmontage von Knowles Syfer sind beispielsweise mit zwei Klassen von keramischen Dielektrika erhältlich. Das erste ist C0G/NP0, ein Dielektrikum der EIA-Klasse 1 mit einer Dielektrizitätskonstante zwischen 20 und 100, bezogen auf die Dielektrizitätskonstante e_r des Vakuums, die 0 beträgt. Das zweite ist X7R, ein Dielektrikum der EIA-Klasse 2, mit einem e_r-Wert zwischen 2000 und 3000. Zum Vergleich: der e_r-Wert von Glimmer liegt bei 5,4, der von Kunststofffolie bei 3. Der Keramikkondensator wird also für einen gegebenen Kapazitätswert kleiner sein. Die Auswahl der Dielektrika beeinflusst die Stabilität des Kondensators in Bezug auf Temperatur, angelegte Spannung und Zeit. Im Allgemeinen gilt: Je höher e_r ist, desto weniger stabil ist der Kapazitätswert.

Die EIA klassifiziert Dielektrika der Klasse 2 mit einer alphanumerischen Klassifizierung. Der erste Buchstabe steht für die Mindesttemperatur, die Zahl für die Höchsttemperatur und der letzte Buchstabe steht für die Kapazitätstoleranz. Das X7R-Dielektrikum verträgt eine Mindesttemperatur von -55°C, eine Höchsttemperatur von +125°C und bietet eine Kapazitätstoleranz von ±15%. Dielektrika der Klasse 1 wie C0G haben eine ähnliche Kodierung. Das erste Zeichen, ein Buchstabe, gibt die signifikante Zahl der Kapazitätsänderung mit der Temperatur in Teilen pro Million pro Grad Celsius (ppm/°C) an. Für das C0G-Dielektrikum steht das C für eine signifikante Zahl von null ppm/°C für die Temperaturstabilität. Die zweite Zahl ist der Multiplikator für die Temperaturstabilität. Die 0 bedeutet einen Multiplikator von 10^-1. Der letzte Buchstabe, G, bezeichnet den Kapazitätsfehler von ±30 ppm.

Klasse-1-Dielektrika bieten eine höhere Genauigkeit und Stabilität. Sie weisen auch geringere Verluste auf. Dielektrika der Klasse 2 sind weniger stabil, bieten aber einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad und damit eine größere Kapazität pro Volumeneinheit. Folglich werden für MLCC-Kondensatoren mit höheren Werten im Allgemeinen Dielektrika der Klasse 2 verwendet. Die sicherheitszertifizierten MLCCs von Knowles Syfer haben einen hohen Kapazitätsbereich von 4,7 Picofarad (pF) bis 56 Nanofarad (nF), je nach Wahl des Dielektrikums. Die Spannungswerte betragen bis zu 305 Volt Wechselstrom (VAC).

Die Kapazität eines MLCCs ist direkt proportional zur Überlappungsfläche der Elektroden und zum e_r des keramischen Dielektrikums. Die Kapazität ist umgekehrt proportional zur Dicke des Dielektrikums, während die Nennspannung proportional zur Dicke ist. Daher gibt es Kompromisse zwischen der Kapazität, der Nennspannung und der physischen Größe des Kondensators.

MLCCs für Elektrofahrzeuge

MLCCs haben relativ niedrige ESL- und ESR-Werte, wodurch sie sich besser für Hochfrequenzanwendungen eignen, und dank der großen Auswahl an Dielektrika können die Kapazitätswerte und der Toleranzbereich für die jeweilige Anwendung optimiert werden. Es handelt sich um oberflächenmontierbare Komponenten mit sehr volumeneffizienten Gehäusen, die für den Platzmangel in Elektrofahrzeugen bestens geeignet sind. Im Vergleich zu Aluminium-Elektrolyt- und Tantal-Kondensatoren sind sie außerdem sehr widerstandsfähig gegenüber Spannungsspitzen.

Obwohl MLCCs weit verbreitet sind, können sie bei mechanischer Belastung durch Vibrationen oder Stöße brechen. Risse machen die Komponente anfällig für Degradation durch Feuchtigkeit. Die Entwickler von Knowles Syfer haben sich dieses Problems angenommen und FlexiCap-Anschlüsse entwickelt, die eine höhere Toleranz gegenüber der Biegung von Komponenten bieten (Abbildung 2).

Abbildung 2: Bei der FlexiCap-Konstruktion wird eine proprietäre flexible Epoxidpolymer-Abschlussbasis unter der üblichen Endkappenbarriere verwendet, um eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigungen durch die Biegung der Leiterplatte zu gewährleisten. (Bildquelle: Knowles Syfer)

Die in FlexiCap verwendete flexible Anschlussbasis wird über den Elektroden angebracht. Bei diesem Material handelt es sich um ein silberbeladenes Epoxidpolymer, das mit konventionellen Verbindungstechniken aufgebracht und anschließend wärmegehärtet wird. Es ist flexibel und absorbiert einen Teil der mechanischen Belastung zwischen der Platine und dem montierten MLCC.

Mit FlexiCap abgeschlossene Bauteile halten im Vergleich zu gesinterten Bauteilen größeren mechanischen Belastungen stand. FlexiCap bietet auch einen verbesserten Schutz gegen mechanische Risse und bei Anwendungen, bei denen schnelle Temperaturschwankungen auftreten. Für die Entwickler von Elektrofahrzeugen bedeutet dies ein höheres Maß an Biegetoleranz bei der Verarbeitung von Leiterplatten, was zu einer höheren Ausbeute und weniger Ausfällen im Feld führt.

Die sicherheitszertifizierten Kondensatoren von Knowles Syfer sind mit AEC-Q200-Qualifikation erhältlich, was für Elektrofahrzeuge ebenfalls wichtig ist. Bauteile gelten als „AEC-Q200-qualifiziert“, wenn sie die strengen Belastungstests u. a. für Temperatur, Temperaturschock, Feuchtigkeitsbeständigkeit, Maßtoleranz, Lösungsmittelbeständigkeit, mechanische Stöße, Vibrationen, elektrostatische Entladung, Lötbarkeit und Leiterplattenflexibilität bestanden haben.

Elektrisch weist die sicherheitszertifizierte Produktlinie eine hohe dielektrische Spannung (DWV) von 4 Kilovolt Gleichstrom (kV_DC) und 3 kV_eff auf. Dies sind kritische Eigenschaften für 800-Volt-Ladesysteme für Elektrofahrzeuge, bei denen große Test- und Sicherheitsmargen erforderlich sind.

Beispiele von MLCCs für Elektrofahrzeuge (EV)

Das Sortiment von Knowles Syfer mit erweiterter Sicherheitszertifizierung umfasst eine breite Palette von Kondensatoren mit Flexicap-Terminierung und AEC-Q200-Qualifizierung, die sich besonders für EV-Anwendungen eignen. Der 1808JA250101JKTSYX ist zum Beispiel ein 100 pF C0G/NP0-Kondensator für eine Nennspannung von 250 Volt AC für Anwendungen der Klasse Y2 (Leitung gegen Erde) und 305 Volt AC in Anwendungen der Klasse X1 (Leitung gegen Leitung), mit einer Toleranz von ±5%. Er befindet sich in einem 1808-Gehäuse mit Abmessungen von 0,195 x 0,079 Zoll bzw. 4,95 x 2,00 Millimeter (mm) (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Abbildung zeigt die Abmessungen des MLCCs 1808JA250101JKTSYX (links) und das empfohlene Lötflächen-Layout (rechts). (Bildquelle: Knowles Syfer)

Ein typischer X7R-Kondensator ist der 1812Y2K00103KST von Knowles Syfer, eine Komponente mit 10000 pF ±10% (2 kV) in einem 1812-Gehäuse mit Abmessungen von 4,5 x 3,2 x 2,5 mm. Die beiden Kondensatortypen 1808JA250101JKTSYX und 1812Y2K00103KST bieten einen Nenntemperaturbereich von -55°C bis +125°C. Die Produktreihe ist in den Gehäusegrößen 1808, 1812, 2211, 2215 und 2220 erhältlich, je nach verwendetem Dielektrikum, Kapazitätswert und Nennspannung.

Weitere Beispiele sind der 1808JA250101JKTS2X von Knowles Syfer, ein C0G/NP0-Kondensator mit 100 pF für 250 Volt AC (Klasse X2), 1 kV DC und einer Toleranz von ±5%. Der 2220YA250102KXTB16 ist ein X7R-Kondensator mit 1000 pF ±10% für 250 Volt.

Die Anforderungen für die Montage und das Löten von Kondensatoren mit FlexiCap-Abschluss sind identisch mit denen für einen Standard-MLCC mit gesintertem Anschluss, so dass sie keine besondere Handhabung erfordern. Darüber hinaus können Knowles-Chipkondensatoren mit Hilfe von Lötflachen-Layouts montiert werden, die den IPC-7351, Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards, entsprechen (siehe Abbildung 3). Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass auch andere Faktoren die mechanische Belastung verringern, z. B. die Reduzierung der Lötflächen-Breite auf weniger als die Chip-Breite.

Fazit

Die AEC-Q200-qualifizierten Flexicap-MLCCs von Knowles Syfer eignen sich gut für EV-Anwendungen, insbesondere für 800-Volt-Batteriesysteme, bei denen eine erhöhte Testspannung und eine Sicherheitsmarge zur Bewältigung von Überspannungen und transienten Bedingungen unerlässlich sind. Durch den FlexiCap-Abschluss sind die Kondensatoren in der Lage, größeren mechanischen Belastungen standzuhalten. Als solche und dank der Erfüllung von AEC-Q200 bieten sie Entwicklern eine einzigartige Kombination aus Leistungsfähigkeit, Stabilität und Sicherheitszertifizierung.