Keramikkondensator

mini|hochkant=1.5|Keramikvielschicht-Chipkondensatoren (SMD) nach Größe gruppiert zwischen zwei Keramik-Scheibenkondensatoren (THT) Ein Keramikkondensator (im Fachjargon Kerko genannt) ist ein elektrischer Kondensator mit einem keramischen Dielektrikum, dessen Inhaltsstoffe durch entsprechende Zusammensetzung Kondensatoren mit vorher bestimmbaren elektrischen Eigenschaften ergeben.

Die verwendeten Keramikarten lassen sich grob in zwei Arten unterscheiden: Paraelektrische Materialien mit feldstärkeunabhängiger und kleinerer Permittivität und geringer spezifischer Kapazität mit geringem Verlustfaktor und einer definierten, geringen Temperaturabhängigkeit der Kapazität (Klasse-1-Kondensatoren) für frequenz- und zeitbestimmende Anwendungen sowie in Hochfrequenz-Schwingkreisen und -Filtern. Ferroelektrische Materialien mit feldstärkeabhängiger, größerer Permittivität und hoher Kapazität pro Volumen zum Sieben und Abblocken von Störimpulsen oder -frequenzen in Stromversorgungen (Klasse-2-Kondensatoren).

Keramikkondensatoren werden überwiegend mit Kapazitäten von 1 pF bis 100 µF hergestellt. In der Bauform des Keramikvielschicht-Chipkondensators () sind sie mit einer jährlich produzierten Menge von 1 Billion (1012) StückJ. Ho, T. R. Jow, St. Boggs: doi:10.1109/MEI.2010.5383924 die am häufigsten eingesetzten diskreten Kondensatoren in der Elektronik. Darüber hinaus werden Keramikkondensatoren in anderen Bauformen hergestellt, bei denen das Dielektrikum die Form eines Rohres, einer Scheibe oder eines Topfes hat. Sie werden als Entstör-, Durchführungs- oder als Leistungskondensatoren verwendet.

Geschichte mini|hochkant=2|Historische Keramikkondensatoren

Seit Beginn der Studien an elektrischen Phänomenen wurden isolierende Materialien wie Glas, Porzellan, Papier und Glimmer zur Speicherung der elektrischen Ladungen verwendet. Glas diente als Isolator in den ersten Leidener Flaschen. Porzellan fand schon in den ersten drahtlosen Löschfunkensendern Anfang des 20. Jahrhunderts als Isolator in der Löschfunkenstrecke Verwendung,Löschfunken- / Tonfunkensender Telefunken TK 05 ebenso wie Glimmer als Isolierung der Serienfunkenstrecke.Löschfunkensender / Tonfunkensender Telefunken 1,5 TK Da die Leidener Flaschen mit ihrem Glasdielektrikum als Kondensatoren relativ groß waren, lag es nahe, auch andere Isoliermaterialien zum Aufbau von Kondensatoren zu verwenden.

Glimmer als Dielektrikum in Kondensatoren wurde erstmals 1909 von William Dubilier in den USA eingesetzt und war bis zum Ausbruch des Zweiten Weltkrieges das meistgenutzte Material für Kondensatoren in Kommunikationsgeräten. Aber Glimmer ist ein natürliches Material und nicht überall in abbauwürdigen Mengen verfügbar. Dieser Mangel brachte Mitte der 1920er Jahre die Forscher in Deutschland auf den Gedanken, Porzellan als Dielektrikum einzusetzen. Porzellan wurde bereits als Isoliermaterial für Hochspannungsleitungen verwendet. Aus den Erfahrungen mit diesen ersten „Porzellankondensatoren“ wurden dann in Deutschland keramische Kondensatoren entwickelt, die ein Dielektrikum aus dem paraelektrischen Material Titandioxid (Rutil) hatten. Diese Kondensatoren hatten ähnlich stabile Eigenschaften wie die Glimmerkondensatoren und konnten in Resonanzkreisen eingesetzt werden. 1926 wurden diese Kondensatoren schon in kleinen Stückzahlen produziert. Die Unabhängigkeit vom Naturprodukt Glimmer beschleunigten die Entwicklung der damals neuen Keramikkondensatoren und sie wurden deshalb in den 1940er Jahren schon in relativ großen Stückzahlen produziert.

Der expandierende Markt von Radios in den 1930er und 1940er Jahren ließ auch den Bedarf an Kondensatoren mit höheren Kapazitätswerten ansteigen. Das 1921 entdeckte ferroelektrische keramische Material Bariumtitanat hatte eine Permittivität im Bereich von 1000, das ist etwa 10 Mal größer als die Permittivität von Glimmer oder Titandioxid.Mark D. Waugh: (PDF) Murata Mit den Erfahrungen aus der Produktion der Kondensatoren aus Titandioxid wurden dann ab 1942 auch ferroelektrische Keramikarten mit hoher Permittivität aus Barium- oder Strontium-Titanaten zu Keramikkondensatoren verarbeitet. Diese Kondensatoren hatten bei gleichem Bauvolumen einen deutlich höheren Kapazitätswert und wurden für die Signalkopplung oder Entstörung eingesetzt. In diesen Anwendungen hatten die nichtlinearen Eigenschaften des neuen Materials keine negativen Auswirkungen. mini|hochkant=1.5|Keramischer Rohrkondensator, neben den Scheibenkondensatoren eine der beiden typischen Bauformen der 1950er bis 1970er Jahre

Die Entwicklung der Rundfunktechnik Mitte des 20. Jahrhunderts schuf den ersten „Massenmarkt“ für Keramikkondensatoren. Die typischen Bauformen dieser Zeit waren die Scheibenkondensatoren, einer runden beidseitig versilberten Keramikscheibe mit Anschlussdrähten und die keramischen Rohrkondensatoren, das waren Keramikröhrchen, die innen und außen versilbert wurden und mit relativ langen Anschlüssen versehen waren. Diese Bauformen wurden häufig auf vielfältige Weise in den damaligen Röhrengeräten zu einem „Drahtverhau“ in offener Bauweise zusammengeschaltet.

Mit der Entwicklung in der Halbleitertechnik in den 1950er Jahren wurden durch Dotierung ferroelektrischer Keramiken die Sperrschichtkondensatoren entwickelt. Diese hatten sehr hohe Permittivitätswerte bis etwa 15.000, womit sehr hohe Kapazitätswerte erreicht wurden. Allerdings wiesen sie eine stark nichtlineare Abhängigkeit der Kapazität von der Temperatur und von der Spannung und hohe frequenzabhängige Verluste auf.

Die schnell wachsende Industrie der Rundfunk und Fernsehtechnik nach dem Zweiten Weltkrieg beschleunigte das Verständnis der keramischen Kristallographie. Zugleich wuchs das Wissen um die Optimierung keramischer Mischungen zum Erreichen bestimmter elektrischer Eigenschaften. In der Schaltungstechnik wiederum stieg der Bedarf nach Kondensatoren mit unterschiedlichen Eigenschaften für unterschiedliche Anwendungsbereiche. Resonanzkreise benötigen Kondensatoren mit anderen Eigenschaften als die für Stromversorgungen. Die bei Keramikkondensatoren verwendeten paraelektrischen und ferroelektrischen Keramikarten weisen solch unterschiedliche Eigenschaften auf. Daraus entstand die Einteilung der Keramikkondensatoren in Anwendungsklassen (siehe #Anwendungsklassen). Es ist bemerkenswert, dass die getrennt voneinander verlaufenden Entwicklungen von Keramikkondensatoren in Deutschland und in den USA auch zu unterschiedlichen Einteilungen von Anwendungsklassen geführt hat.

mini|hochkant=1.5|Keramikvielschicht-Chipkondensatoren als Entkopplungs- bzw. Bypasskondensatoren in der Beschaltung eines Mikroprozessors

Aus der Idee, keramische Scheibenkondensatoren übereinander zu stapeln, entstanden die keramischen Vielschichtkondensatoren (MLCC-Chips). 1961, in der Mitte des Apollo-Programms, wurde diese Idee erstmals von einem amerikanischen Unternehmen verwirklicht.Murata, Technical Report, Evolving Capacitors Die Herstellung solcher Kondensatoren wurde zur großen Herausforderung an die Steuerung der einzelnen Herstellungsprozesse wie z. B. der immer feiner werdenden Granulierung, der Sinterung oder der mechanischen Präzision. Mit zunehmendem Know-how gelang es, im Zeitraum von 1961 bis 2008 bei gleichem Bauvolumen die Kapazität von MLCCs etwa um den Faktor 800 zu steigern. Diese Entwicklung ersetzte die für Vielschichttechnik nicht geeigneten Sperrschichtkondensatoren. Die Chip-Bauform der MLCC-Keramikkondensatoren hat die gesamte Elektronikentwicklung der letzten Jahrzehnte entscheidend mit beeinflusst. Die Technologie der Oberflächenmontage (SMD) moderner Elektronikschaltungen wäre ohne die MLCC-Chips nicht möglich. MLCC-Chips sind die am häufigsten eingesetzten Kondensatoren in der heutigen (2013) Elektronik.

Die Entwicklung von Keramikkondensatoren hat ihren Endpunkt noch lange nicht erreicht. Eine weitere Erhöhung der Kapazität pro Volumeneinheit lässt sich möglicherweise mit neuen Keramiken basierend auf Anti-Ferroelektrika erreichen. Diese Dielektrika besitzen einen sehr stark spannungsabhängigen Kapazitätsverlauf. Die Kapazität erreicht bei einer bestimmten Spannung ein Maximum, das dann ein Vielfaches der Grundkapazität betragen kann. Aufgrund ihrer stark nichtlinearen Spannungs-Ladungs-Kennlinie sind solche Keramikkondensatoren im Wesentlichen für den Einsatz als Energiespeicher geeignet, z. B. für Sprengzünder.Advanced High Energy Capacitors. TRS Technologies; abgerufen am 21. Februar 2008W. Hackenberger, S. Kwon, E. Alberta: (PDF) TRS Technologies Inc.Ferro- und Antiferroelektrika, Struktur und Eigenschaften. (PDF; 5,6 MB) Uni Halle

Getrieben von den Entwicklungen in allen Bereichen der Technik boten Keramikmaterialien vielfältige Lösungsmöglichkeiten. Die leichte Formbarkeit der keramischen Grundmasse machte die Entwicklung der kleineren Bauformen bis zu den MLCC-Chips möglich, führte aber auch zu den zum Teil recht großen Bauformen keramischer Hochspannungs-, Hochfrequenz- (HF-) und Leistungskondensatoren. (PDF; 56 kB) TDK; abgerufen am 21. Februar 2008 Wegen ihrer Unbrennbarkeit werden Keramikkondensatoren außerdem auch zum Schutz von Personen und Anlagen im Bereich der Entstörkondensatoren verwendet.

Prinzipieller Aufbau von Keramikkondensatoren hochkant=1.2|mini|Prinzipieller Aufbau eines Keramikvielschicht-Chipkondensators. ① Metallische Elektroden ② Keramik ③ Metallische Anschlussflächen mini|Prinzipieller Aufbau eines Keramik-Scheibenkondensators

Keramikkondensatoren werden aus feingemahlenen Granulaten paraelektrischer oder ferroelektrischer Grundstoffe gefertigt. Aus diesen Pulvergemischen wird die Keramik der kapazitiven Zelle bei hohen Temperaturen gesintert. Sie bildet das Dielektrikum des Kondensators und dient als Träger der Elektroden. Nach unten wird die Schichtdicke des Dielektrikums, die sich heute im Bereich von 1 µm bewegt, durch die Korngröße des keramischen Stoffes sowie durch die gewünschte Spannungsfestigkeit des späteren Kondensators bestimmt. Auf den Keramikträger werden die Elektroden des Kondensators aufmetallisiert. Bei Einschichtkondensatoren wird die Keramik beidseitig metallisiert. Für Keramik-Vielschichtkondensatoren werden mehrere einseitig metallisierte Keramiklagen übereinander gestapelt. Anschlussdrähte oder -flächen, die elektrisch leitfähig mit den Elektroden verbunden sind, komplettieren den Keramikkondensator. Die dielektrische Leitfähigkeit hängt erheblich vom verwendeten Keramik-Dielektrikum ab. Die Grundsubstanzen der Keramiken werden auf die gewünschten elektrischen Eigenschaften des Kondensators abgestimmt. Die Unterscheidung der elektrischen Eigenschaften von Keramikkondensatoren erfolgt nach Anwendungsklassen (siehe unten).

Größte Bedeutung innerhalb der Familie der Keramikkondensatoren hat die Bauform für Oberflächenmontage, die MLCC-Chipkondensatoren als Stütz- oder Entkoppelkondensator in Digitalschaltungen erlangt. Diese Bauweise, bei der viele Schichten metallisierter Keramikträger übereinander geschichtet werden, findet sich auch bei den MLCC-Arrays, das sind mehrere MLCC-Kondensatoren in einem Gehäuse und bei X2Y-MLCC-Entkopplungs- oder Durchführungskondensatoren. Keramik-Scheibenkondensatoren, meist für höhere Spannungen ausgelegt, oder spezielle Bauformen wie z. B. Keramik-Durchführungskondensatoren ergänzen den Anwendungsbereich in elektronischen Geräten. Darüber hinaus sind Keramik-Leistungskondensatoren in Scheiben- oder in Tonnenform für Anwendungen mit Hochspannungen bis 100 kV oder für sehr hohe elektrische Leistungen auf dem Markt zu finden.

Anwendungsklassen