Entwicklung passiver Bau­ele­mente vs Microchips

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.