Ultracap-Wissen
Entwicklung passiver Bauelemente vs Microchips
Ultracap-Wissen | Rainer Hake | Lesedauer: 5 Minuten
Als Gordon Moore 1965 sein später nach ihm benanntes Moore'sches Gesetz (englisch: Moore's Law) formulierte, ging es zunächst nur um die Produktionseffizienz und weniger um die Leistung von Halbleitern. Die Industrie erkannte jedoch schnell, dass durch eine Verdoppelung der Anzahl der Transistoren auf gleicher Fläche innerhalb von zwei Jahren in rasantem Tempo erhebliche Leistungssteigerungen erzielt werden können. Apple hat gerade die auf ARM-Technologie basierende M3-Chipfamilie in 3-nm-Technologie für die neuen Macs im Oktober 2023 vorgestellt. Im Jahr 1970 war auf einem Mikrochip Platz für etwa 1.000 Transistoren. Heute befinden sich im M3-Max bereits 92 Milliarden Transistoren auf einer Fläche, die nur wenig größer als eine Fingerspitze ist.
Moorsche Entwicklung durch Miniaturisierung
Mikrochips haben Strukturen, die 5.000-mal feiner sind als ein menschliches Haar und werden mit Licht von extrem kurzer Wellenlänge hergestellt. Die Fertigungstechnologie des niederländischen Unternehmens ASML, die auf der EUV-Lithografie (Extrem-Ultraviolett-Lithografie) von Carl Zeiss basiert, sprengt einmal mehr die Grenzen des Mooreschen Gesetzes. Und was ist mit passiven Bauelementen? Komplexe elektronische Lösungen bestehen nicht nur aus Halbleiterchips. Die Funktionalität der Elektrotechnik ist weitaus komplexer und erfordert entsprechende, so genannte passive Bauelemente. Diese haben nach gängiger Definition keine verstärkenden oder signalverändernden Eigenschaften. Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände sind immer Teil von elektronischen Baugruppen. Hinzu kommen noch notwendige Verbindungselemente wie Steckverbinder etc. Die technologische Entwicklung von Induktivitäten, Widerständen und Kondensatoren verlief im Gegensatz zu den Transistoren wesentlich langsamer. Fertigungstechnologien, Werkstoffe, Physik und Elektrochemie setzen den analogen physikalischen Parametern engere Grenzen, als man erwarten könnte. Der Spruch, dass man die Physik nicht betrügen kann, gilt auch weiterhin.
Engere physikalische Grenzen für passive Bauelemente
Die kleinsten Veränderungen in einem Ferritkern haben enorme Auswirkungen auf die magnetischen Eigenschaften, das Temperaturverhalten, die Induktivität oder die Qualität einer Spule. So hat beispielsweise der Wasseranteil im Ferrit-Rohmaterial während des Sinterns einen erheblichen Einfluss auf die magnetischen Parameter. Dennoch sind auch bei diesen Werkstoffen große Fortschritte zu verzeichnen, vor allem bei hochwertigen Vormaterialien und hochqualifizierten Herstellungsverfahren, insbesondere bei sehr großen Stückzahlen, wie sie in der heutigen Großserienfertigung benötigt werden. Eine Verdoppelung der Leistung alle zwei Jahre war nicht möglich, weil die Physik dies nicht zulässt.
Große Fortschritte in der Kondensatorentwicklung
Auch bei den Kondensatoren hat es in fast 60 Jahren viele neue Technologiesprünge gegeben. Keramische Chipkondensatoren in Vielschichttechnologie sind ein fester Bestandteil der modernen SMT-Fertigung geworden. EDLCs als Energiespeicher und Batterieergänzung sind ein weiterer Meilenstein. Aber auch hier gibt es leider keine Entsprechung zum Mooreschen Gesetz. Die Elektrolyte, die Kohlenstoffe, die Oberflächen und damit die Spezifikationen der Kondensatoren haben sich auf Druck der Industrie und insbesondere der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt. Die bekannten Basistechnologien - Folien-, Polymer-, Keramik- und Elektrolytkondensatoren - sind jedoch im Wesentlichen gleich geblieben. Eine der Hauptforderungen der Industrie bestand darin, höhere Betriebstemperaturen zu spezifizieren, was nicht einfach war. Daher wurden die Eigenschaften verschiedener bekannter Technologien kombiniert, um Hybridprodukte zu schaffen.
Erweiterung der Grenzen mit hybriden Kondensatordesigns
Leitfähige Polymer-Hybrid-Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren sind ein erfolgreiches Beispiel für diese Bemühungen. Sie markieren einen weiteren Meilenstein in der langen Geschichte der elektrochemischen Kondensatoren. Diese Technologie kombiniert die Vorteile von Aluminium-Elektrolytkondensatoren und "leitfähigen Polymer-Elektrolytkondensatoren". Sie besteht aus einer Anode aus Aluminiumfolie, einer Kathode aus leitfähigem Polymer und einem Elektrolyten, der eine Kombination aus einem flüssigen Elektrolyten und einem leitfähigen Polymermaterial ist. Dieses Hybriddesign ermöglicht eine hohe Kapazität bei gleichzeitiger Beibehaltung des niedrigen äquivalenten Serienwiderstands (ESR) und des geringen Leckstroms von leitfähigen Polymerkondensatoren, während es gleichzeitig die hohe Nennspannung und die hohe Ripplestromfähigkeit von Aluminium-Elektrolytkondensatoren bietet.
Einer der Hauptvorteile für die Sicherheit in elektronischen Schaltungen ist der "offene" Ausfallmodus (open failure mode). Dieser garantiert, dass der Stromfluss im Falle einer Fehlfunktion unterbrochen wird. Weitere Details finden Sie auf unserer Produktseite für leitfähige Polymer-Hybrid AL Ecaps.