Keramikkondensator (MLCC)

Steckbrief aus der Bauteile-Bibliothek. Übersicht aller Bauarten: Kondensator-Bauarten im Vergleich. Physik dahinter: Kondensator und Dielektrika.

Der meistverbaute Kondensator der Welt und mit Abstand der am häufigsten falsch eingesetzte. Ein MLCC (Multi Layer Ceramic Capacitor) besteht aus dutzenden bis hunderten hauchdünnen Keramikschichten mit eingesinterten Metallelektroden, abwechselnd nach links und rechts herausgeführt. Alle Schichten liegen elektrisch parallel -- deshalb passt in ein Gehäuse von 1 mm Kantenlänge eine Kapazität, für die man mit Folie eine Streichholzschachtel bräuchte.

Der Preis dafür steckt im Werkstoff. Und der hängt davon ab, welche Klasse man erwischt.

Die beiden Klassen

Das ist die wichtigste Unterscheidung überhaupt, und sie steht nicht auf dem Bauteil, sondern im Bestellcode.

	Klasse 1 (C0G/NP0)	Klasse 2 (X7R, X5R, Y5V)
Keramik	paraelektrisch	ferroelektrisch (Bariumtitanat)
\(\varepsilon_r\)	20 -- 100	1.000 -- 10.000
Kapazität pro Volumen	klein	sehr groß
Kapazität ist	stabil	abhängig von Spannung, Temperatur, Alter
Toleranz	±1 -- 5 %	±10 -- 20 %
Mikrofonie / Singen	nein	ja
Verwendung	Timing, Filter, HF	Abblocken, Stützen

Klasse 1 ist ein Präzisionsbauteil, Klasse 2 ein Mengenbauteil. Sie haben dasselbe Gehäuse, denselben Schaltplan und fast denselben Preis -- aber sie lösen verschiedene Aufgaben. Wer den Unterschied kennt, hat die halbe Seite schon verstanden.

Der Grund für den Unterschied ist Ferroelektrizität. Bariumtitanat besitzt Domänen, die sich im Feld umklappen lassen -- das exakte elektrische Gegenstück zu den Weiss-Bezirken in magnetischer Materie. Daher die riesigen \(\varepsilon_r\)-Werte, und daher auch sämtliche Nebenwirkungen: Hysterese, Sättigung, Alterung und Piezoeffekt gibt es im Paket dazu.

Den Code lesen

Die drei Zeichen der EIA-Codierung sind keine Typbezeichnung, sondern die Toleranzangabe über Temperatur.

Zeichen	Bedeutung	Beispiele
1. (Buchstabe)	untere Temperatur	X = −55 °C, Y = −30 °C, Z = +10 °C
2. (Ziffer)	obere Temperatur	5 = +85 °C, 6 = +105 °C, 7 = +125 °C
3. (Buchstabe)	zulässige Abweichung	R = ±15 %, F = ±7,5 %, V = +22/−82 %

Damit liest sich:

• X7R = −55 bis +125 °C, ±15 %. Der brauchbare Standard.
• X5R = −55 bis +85 °C, ±15 %. Etwas mehr Kapazität, weniger Temperaturbereich.
• Y5V = −30 bis +85 °C, +22/−82 %. Bei 85 °C sind noch 18 % der Nennkapazität übrig. Solche Typen gehören in nichts, was verkauft werden soll.
• C0G (oft NP0 geschrieben) folgt einer anderen Systematik und bedeutet 0 ± 30 ppm/°C -- praktisch temperaturunabhängig.

Der DC-Bias-Effekt

Das ist die Falle, die jeden einmal erwischt, und sie kostet regelmäßig Entwicklungsrunden.

Der aufgedruckte Wert gilt bei 0 V. Legt man Gleichspannung an, sind die ferroelektrischen Domänen zunehmend ausgerichtet und stehen für weitere Polarisation nicht mehr zur Verfügung -- das Bauteil geht in Sättigung, genau wie ein Ferritkern. Die Kapazität bricht ein.

Größenordnungen für einen 10-µF-X5R im Gehäuse 0805 mit 25 V Nennspannung:

Betriebsspannung	verbleibende Kapazität (typisch)
0 V	10 µF
5 V	5 -- 6 µF
12 V	3 -- 4 µF
25 V (Nennspannung)	1,5 -- 2,5 µF

Wer also 10 µF Stützkapazität an 12 V braucht und einen 10-µF-Kerko einbaut, hat rund ein Drittel des Gewünschten verbaut. Drei Konsequenzen:

1. Nennspannung großzügig wählen. Ein 50-V-Typ an 12 V verliert deutlich weniger als ein 25-V-Typ. Die Faustregel „Klasse 2 höchstens bei halber Nennspannung betreiben" kommt genau daher.
2. Größeres Gehäuse hilft. Bei gleicher Kapazität und Spannung fällt der Verlust im 1206er kleiner aus als im 0603er -- mehr Volumen, dünner ausgereizt.
3. Die Kurve ansehen, nicht den Katalog. Alle großen Hersteller stellen Bias-Kurven bereit; ohne sie ist die Auslegung geraten.

Alterung

Klasse-2-Keramik verliert Kapazität logarithmisch über die Zeit -- typisch ein paar Prozent pro Zeitdekade. Nach 1.000 Stunden ist die Kapazität kleiner als nach 100, und der nächste gleich große Schritt dauert 10.000 Stunden.

Ursache ist, dass sich die Domänenstruktur langsam in einen energetisch günstigeren, weniger beweglichen Zustand setzt. Erhitzt man das Bauteil über die Curie-Temperatur (bei Bariumtitanat rund 120 °C), wird die Uhr zurückgestellt -- jeder Lötvorgang macht den Kondensator wieder jung. Deshalb gelten Datenblattwerte immer bezogen auf eine Zeit nach dem letzten Erhitzen, üblicherweise 1.000 Stunden.

Klasse 1 altert nicht.

Mikrofonie und das Singen

Ferroelektrika sind zwangsläufig auch piezoelektrisch. Das wirkt in beide Richtungen:

• Mechanik → Spannung: Klopfen, Vibration oder Körperschall erzeugen eine Störspannung. In empfindlichen Analogpfaden, an Referenzen und in Regelschleifen ist das ein echtes Problem und heißt Mikrofonie.
• Spannung → Mechanik: Liegt Wechselspannung an, verformt sich das Bauteil und biegt die Leiterplatte im Takt. Bei Schaltreglern mit einigen Kilohertz Rippel hört man das als Pfeifen oder Zirpen -- nicht der Kondensator ist der Lautsprecher, sondern die Platine, an die er gelötet ist.

Gegenmittel: Klasse 1 oder Folie verwenden, die Schaltfrequenz aus dem Hörbereich legen, mehrere kleine statt eines großen Kondensators einsetzen, oder Typen mit Zwischenlage zwischen Bauteil und Platine wählen.

Rissbildung -- der unsichtbare Ausfall

Gesinterte Keramik ist spröde und mit den Lötstellen starr an die Leiterplatte gebunden. Biegt sich die Platine, biegt sich der Kondensator mit. Typische Auslöser:

• Nutzentrennen durch Brechen statt Fräsen
• Verschraubungen, die die Platine verspannen
• Steckverbinder, an denen gehebelt wird
• thermischer Schock beim Handlöten -- Keramik verträgt keine schnellen Temperatursprünge

Ein Riss verläuft im Inneren und ist von außen nicht zu sehen. Er kann sofort zum Kurzschluss führen oder erst Monate später im Feld, wenn Feuchtigkeit hineinkriecht. Bei Kerkos an Versorgungsspannungen ist das eine der unangenehmeren Ausfallarten überhaupt.

Gegenmittel: große Gehäuse aus biegekritischen Zonen heraushalten, Bauteile parallel zur Bruchkante orientieren, und in mechanisch belasteten Baugruppen Typen mit flexiblen Anschlüssen (Soft Termination) einsetzen.

ESL und der 100-nF-Mythos

Der Abblockkondensator wirkt nur, solange er sich kapazitiv verhält. Oberhalb seiner Eigenresonanz -- gebildet aus Kapazität und der unvermeidlichen Zuleitungsinduktivität ESL -- wird er induktiv und damit als Abblockung wirkungslos.

Daraus folgt das Wichtigste zur Platzierung: Der ESL-Anteil der Leiterbahn ist meist größer als der des Bauteils. Ein perfekter Kerko fünf Zentimeter vom Pin entfernt ist schlechter als ein mittelmäßiger direkt daneben. Kurze, breite Anbindung an die Versorgungsebene, Via direkt am Pad.

Die verbreitete Empfehlung, „10 µF und 100 nF parallel" zu setzen, stammt aus der Zeit bedrahteter Bauteile und wird heute oft überschätzt: Bei modernen MLCCs im gleichen Gehäuse liegen die Resonanzen dicht beieinander, und der Zugewinn ist gering. Wichtiger als die Wertestaffelung sind kurze Wege und mehrere Kondensatoren.

Praxisregeln

• C0G für alles, wo der Wert zählt -- Zeitkonstanten, Filter, Oszillatoren, Referenzen.
• X7R zum Abblocken und Stützen, aber immer mit reichlich Spannungsreserve.
• Y5V gar nicht, außer für unkritische Aufgaben mit engem Budget.
• Kapazität nachrechnen, nicht ablesen -- Bias-Kurve plus Temperaturgang plus Alterung.
• Nicht an Netzspannung -- dort gehören ausschließlich zugelassene X- oder Y-Typen hin.

Weiterführendes

• Kondensator-Bauarten im Vergleich -- Übersicht mit Auswahltabelle
• Aluminium-Elektrolytkondensator -- die Bauart für große Kapazitäten
• WIMA MKS2 -- Folie als Alternative ohne Bias-Verlust und Piezoeffekt
• Kondensator und Dielektrika -- warum Polarisation die Kapazität vervielfacht
• Magnetische Materie -- dieselben Domänen, nur magnetisch
• NE555 -- eine Schaltung, in der die Kapazität wirklich stimmen muss

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