Kondensator
Kondensator-Leitfaden
Technischer Bericht Evolving Capacitors - Multilayer-Keramikkondensatoren Teil 1 Trend (Teil 1 von 2)
Keramische Mehrschichtkondensatoren sind für Hochleistungs-Halbleiterbauelemente unverzichtbar
Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten sind passive Bauteile, die oft als unbedeutend angesehen werden, aber in Wirklichkeit sind sie für die moderne Elektronik unverzichtbar. Insbesondere keramische Vielschichtkondensatoren sind für modernste Halbleitergeräte von entscheidender Bedeutung. Ohne sie könnten wir uns nicht darauf verlassen, dass die Geräte ordnungsgemäß funktionieren. Einige in der Elektronikindustrie sagten voraus, dass Kondensatoren irgendwann in Halbleiterbauelemente integriert werden würden. In Wirklichkeit nimmt die Bedeutung von keramischen Vielschichtkondensatoren jedoch mit der Entwicklung von Halbleiterbauelementen eher zu.
Ein keramischer Vielschichtkondensator ist kleiner als ein Stück Zucker. Ist Ihnen bewusst, welche Rolle dieses winzige Bauteil in elektronischen Geräten spielt? Es hat so wichtige Funktionen wie die Unterstützung der Stromversorgung, die für Halbleitergeräte erforderlich ist, und die Beseitigung von Rauschen, das zu einer Fehlfunktion oder Leistungsverschlechterung führen kann. Ohne keramische Vielschichtkondensatoren könnten die mit modernster Prozesstechnologie hergestellten Halbleitergeräte wie Mikroprozessoren, DSPs, Mikrocomputer und FPGAs nicht ordnungsgemäß funktionieren.
Geschichte der Größenreduzierung und Kapazitätserweiterung
Der Markt für Keramik-Vielschichtkondensatoren ist derzeit der größte unter den Märkten für verschiedene Arten von Kondensatoren, nämlich Aluminium-Elektrolytkondensatoren, Tantal-Elektrolytkondensatoren und Folienkondensatoren. Im Jahr 2008 wurden in Japan 627,8 Milliarden Keramik-Vielschichtkondensatoren ausgeliefert, und der Inlandsumsatz erreichte 305,9 Milliarden JPY (laut "Yearbook of Machinery Statistics", veröffentlicht vom japanischen Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie). An zweiter Stelle stehen Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit 18,2 Milliarden ausgelieferten Einheiten und einem Umsatz von 174,3 Milliarden JPY. Zwischen dem ersten und dem zweiten Platz liegt ein großer Abstand.
Keramik-Vielschichtkondensatoren sind derzeit das meistverkaufte Produkt auf dem Kondensatormarkt, aber die Marktakzeptanz entwickelte sich nur langsam, als sie zum ersten Mal eingeführt wurden. Es war ein US-amerikanisches Unternehmen, das als erstes auf die Idee eines Keramik-Vielschichtkondensators kam. Inmitten des 1961 gestarteten Apollo-Programms wurde ein Keramik-Vielschichtkondensator erfunden, um den Bedarf an einem kompakten Kondensator mit hoher Kapazität zu decken. Der neue Kondensator wurde so konstruiert, dass die Elektroden in einer Reihe von laminierten dielektrischen Schichten gebildet wurden, so dass er eine hohe Kapazität bei geringer Größe hat (Abb. 1).
Die Schichten des dielektrischen Materials und die Innenelektroden sind übereinander geschichtet, wodurch eine größere Kapazität erreicht wird.
Murata Manufacturing Co., Ltd. führte diese Technologie vor allen anderen ein und brachte das erste Produkt 1965 auf den Markt. Es war ein 100pF-Modell für LC-Resonanzkreise in AM-Radios und bestand aus 50μm dicken dielektrischen Folienschichten. Das Produkt verwendete Titanoxid (TiO2) als dielektrisches Material. "Als wir das Produkt zum ersten Mal auf den Markt brachten, verkaufte es sich überhaupt nicht", sagte Kiminori Yamauchi, Direktor der Components Business Unit von Murata. "Aber nachdem ein ultradünnes Radio mit dem Namen 'Paper Radio' auf den Markt kam, wuchs der Markt für keramische Vielschichtkondensatoren schnell, weil sie kleiner waren als alle anderen Arten von Kondensatoren."
Die Geschichte der keramischen Vielschichtkondensatoren seither kann als "Geschichte der Verkleinerung und der Kapazitätserhöhung" beschrieben werden. Im Allgemeinen wird die Kapazität C eines Kondensators wie folgt ausgedrückt
wobei ε, S und d jeweils die Dielektrizitätskonstante, die Fläche der Elektroden und den Abstand zwischen den Elektroden (die Dicke des dielektrischen Körpers) bezeichnen. Kurz gesagt, es gibt nur zwei Möglichkeiten, die Kapazität in einem bestimmten Volumen zu erhöhen: entweder die Verwendung eines Materials mit einem höheren ε-Wert oder die Verringerung der Dicke des dielektrischen Körpers.
Murata verwendete in der Anfangsphase nach der Produktfreigabe Titanoxid als dielektrisches Material, führte aber schon relativ früh Bariumtitanat (BaTiO3) ein. Seitdem ist die relative Dielektrizitätskonstante aufgrund von Verbesserungen des Materials kontinuierlich gestiegen. Bislang liegt der Wert bei etwa 3.000. Die relative Dielektrizitätskonstante von Titanoxid liegt bei höchstens einigen Dutzend. Mit anderen Worten, die von BaTiO3 ist inzwischen um zwei Größenordnungen größer als die von Titanoxid.
Die Dicke des dielektrischen Materials wurde schrittweise von 50 μm in der Anfangsphase auf jetzt 0,5 μm reduziert. Im Vergleich zu den Anfangswerten ist die Dielektrizitätskonstante also 100-mal höher, während die Dicke 1/100 beträgt. Bei einer auf 1/100 reduzierten Dicke kann die Anzahl der Schichten um das 100-fache erhöht werden. In Bezug auf die Kapazität entspricht dies also einer millionenfachen Steigerung bei gleicher Größe. Bezogen auf die Größe bedeutet dies andererseits, dass eine Verkleinerung um 1/1.000.000 bei gleicher Kapazität möglich ist.
Fortsetzung folgt in "Teil 2 von 2", in dem Anwendungstrends und die Rolle von Kondensatoren in jeder Anwendung beschrieben werden.
Angegebene Firmen- und Produktnamen sind Marken oder eingetragene Marken der jeweiligen Unternehmen.
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Der Inhalt dieses Artikels aus der Februar- bis März-Ausgabe 2010 von "Tech On!" von Nikkei Business Publications, Inc. wurde umstrukturiert.
*Weitere Informationen zu den Keramik-Vielschichtkondensatoren von Murata Manufacturing finden Sie im Folgenden:
▼Capacitor WEB site
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