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Polymer-Elektrolytkondensator

Ein Polymer-Elektrolytkondensator, Abk. „Polymer-Elko“, ist ein gepolter Kondensator, dessen Anode (+) aus einem Metall (Ventilmetall) besteht, auf dem durch anodische Oxidation, auch Formierung genannt, eine gleichmäßige, der Nennspannung angepasste äußerst dünne elektrisch isolierende Oxidschicht als Dielektrikum erzeugt wird. Ein fester Elektrolyt aus einem leitfähigen Polymer, der sich geometrisch der Oberflächenstruktur der Anode anpasst, bildet die Kathode (-) des Kondensators. Basierend auf dem verwendeten Anodenmetall und der Kombination von Polymerelektrolyt mit einem flüssigen Elektrolyten gibt es drei unterschiedliche Bauarten:

Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren
Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren und
Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Polymer-Niob-Elektrolytkondensatoren sind bislang nicht in die Serienproduktion gegangen.

Polymerkondensatoren zeichnen sich durch besonders niedrige ESR-Werte (ESR: Equivalent Series Resistance) und hohe Rippelstrombelastbarkeiten aus. Damit stehen sie im Wettbewerb mit keramische Vielschicht-Chipkondensatoren (MLCC), bieten jedoch höhere und spannungsunabhängige Kapazitätswerte als MLCC-Kondensatoren, außerdem besitzen sie keinen Mikrofonie-Effekt.

Polymer-Elektrolytkondensatoren werden angeboten als zylindrische oder quaderförmige SMD-Bauformen oder als bedrahtete Versionen in radialer (stehender) Bauform. Sie haben eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit ihrer elektrischen Parameter und eine deutlich längere Lebensdauer als Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten, haben jedoch höhere Reststromwerte als diese.

Polymer-Elektrolytkondensatoren werden auch in einer Hybrid-Bauart angeboten. Die Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren besitzen sowohl einen festen Polymer-Elektrolyten als auch einen flüssigen Elektrolyten. Diese Ausführungsform zeichnet sich neben den niedrigen ESR-Werten auch durch niedrige Restströme und durch Unempfindlichkeit gegenüber Transienten aus, hat aber eine temperaturabhängige Lebensdauer gegenüber reinen Polymerkondensatoren.

Durch die große spezifische Kapazität, den niedrigen ESR und die verfügbaren flachen SMD-Bauformen eignen sich Polymer-Elektrolytkondensatoren besonders für Geräte in flacher Bauweise wie Laptops, Mobiltelefonen, Digitalkameras und Flachbildschirme. Hier werden sie zum Entkoppeln von unerwünschten Frequenzen von zweistelligen Hertz-Bereich bis hin zu einigen Megahertz, zur Glättung gleichgerichteter Spannungen in Schaltnetzteilen sowie zur Pufferung der Stromversorgung digitaler Schaltungen bei plötzlichem Strombedarf eingesetzt.

Bedeutung der Digitaltechnik für Polymer-Elektrolytkondensatoren

Grundsätzliche Elko-Anwendungen

Der überwiegende Einsatzbereich von Elektrolytkondensatoren liegt im Bereich der Stromversorgungen für elektronische Geräte.. Hier bewirken sie hinter der Gleichrichtung ein Glätten bzw. Entstören der gleichgerichteten Wechselspannung und puffern bzw. stabilisieren die Gleichspannung bei plötzlichem Strombedarf der nachgeschalteten Schaltung. Bei DC-DC-Wandlern können Elektrolytkondensatoren auch noch eingangsseitig eine Pufferfunktion erfüllen. Für diese Anwendungen gibt es eine Vielzahl von Bezeichnungen wie Glättungskondensator, Siebkondensator (englisch Bypass capacitor), Stützkondensator (englisch Bulk capacitor), Entkopplungskondensator (englisch Backup capacitor).^[1]^[2]

In diesen Anwendungen sind neben der Kapazität die Impedanz Z, der Serienersatzwiderstand ESR (englisch Equivalent Series Resistance) und die Serieninduktivität ESL (englisch Equivalent Series Inductance) wichtige elektrische Kennwerte zur Beurteilung der Eigenschaften dieser Kondensatoren in den Schaltungen.

Digitalisierung – Die ESR-Herausforderung

Die Geräte der Digital-Elektronik wie Taschenrechner, Personalcomputer, Laptops, Flachbildschirmen und Mobiltelefonen aber auch Camcorder und Autoradios haben in den letzten Jahrzehnten eine rasante Entwicklung erfahren. Die Digitalschaltungen, deren Komplexität und Strombedarf gemäß dem Mooreschen Gesetz ständig zunahm, forderten eine immer präzisere Stromversorgung mit ansteigenden Versorgungsströmen, die bei Mikroprozessoren nicht selten schon einige 10 A betragen können, wobei die Versorgungsspannungen ständig kleiner wurden und heute oft schon unter 2 V liegen. Diese Anforderungen sind eine große Herausforderung an die Stromversorgungen und deren Kondensatoren. Denn durch den ESR des Kondensators ergibt sich bei plötzlichem Strombedarf ein Spannungseinbruch

ΔU = ESR • I,

der die Funktionsfähigkeit der nachgeschalteten Schaltung beeinträchtigen kann.

Als Beispiel für die Größenordnungen, die in modernen Schaltungen beachtet werden müssen, mögen folgende Werte dienen:^[2]

Die Versorgungsspannung eines Prozessors sei 2 V mit einer zulässigen Toleranz von 10 % (200 mV) und der Versorgungsstrom sei maximal 10 A. Bei einem plötzlichen Strombedarf bestimmt in erster Linie der ESR des Kondensators den Spannungsfall mit: ESR = U/I = 0,2 V/10 A = 20 mΩ. Das heißt, dass allein schon der ESR eines Kondensators von nur 20 mΩ bei einer plötzlichen Strombelastung eine Minderung der Versorgungsspannung bis zur unteren Toleranzgrenze zur Folge hat.

Nur durch die Entwicklung neuer, fester Elektrolyte, zunächst TCNQ, danach die leitfähigen Polymere, die zur Entwicklung der Polymer-Elektrolytkondensatoren mit ihren sehr niedrigen ESR-Werten bei zugleich hohen Kapazitätswerten führte, wurden die Forderungen nach immer kleineren ESR-Werten in den Stromversorgungen der immer komplexer werdenden Digitalschaltungen erfüllbar.

Grundlagen

Plattenkondensator

Alle Elektrolytkondensatoren sind im Grunde genommen Plattenkondensatoren, deren Kapazität umso größer ist, je größer die Elektrodenfläche $A$ und die Dielektrizitätszahl $\varepsilon$ ist und je kleiner der Abstand $d$ der Elektroden zueinander ist.

C=\varepsilon \cdot {\frac {A}{d}}

Zur Vergrößerung der Kapazität des späteren Kondensators wird bei allen Elektrolytkondensatoren die Anode aufgeraut, wodurch die Oberfläche deutlich größer als die einer glatten Oberfläche wird, wodurch sich am Prinzip des Plattenkondenstors nichts ändert.

Die Dielektrizitätszahl $\varepsilon$ setzt sich zusammen aus der elektrischen Feldkonstante $\varepsilon _{0}$ und der materialspezifischen Permittivität $\varepsilon _{r}$ des Dielektrikums:

\varepsilon =\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}

.

Dadurch unterscheidet sich dann die spezifische Kapazität von Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren.

Anodische Oxidation

Grundprinzip der anodischen Oxidation, bei der durch Anlegen einer Stromquelle eine Oxidschicht auf einer metallischen Anode gebildet wird.

Grundprinzip aller Elektrolytkondensatoren, zu denen die Polymerkondensatoren gehören, ist die elektrisch bedingte Oxidation des verwendeten Anodenmetalls nach dem Anlegen einer Stromquelle in richtiger Polarität. Diese anodische Oxidation, auch Formierung genannt, erzeugt eine gleichmäßige, aber äußerst dünne elektrisch isolierende Oxidschicht, die das Dielektrikum des Kondensators bildet.

Diese Oxidschichten sind sehr dünn und haben eine sehr hohe Durchschlagsfestigkeit. Die Dicke der Oxidschicht wird mit der Formierspannung bestimmt. Damit kann sie den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung angepasst werden, wodurch eine Optimierung der spezifischen Kapazität möglich ist.

Materialien

Anoden

Hauptunterschied zwischen den Polymerkondensatoren ist das verwendete Anodenmaterial und dessen Oxid als Dielektrikum:

Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren verwenden hochreines, feinpulveriges und gesintertes Tantalpulver als Anode mit Tantalpentoxid Ta₂O₅ als Dielektrikum und
Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwenden eine hochreine und elektrochemisch geätzte (aufgeraute) Aluminiumfolie als Anode mit Aluminiumoxid Al₂O₃ als Dielektrikum

Anodenstrukturen

Ein Grund für die relativ hohe spezifische Kapazität der Elkos gegenüber anderen konventionellen Kondensatoren ist die stark vergrößerte Oberfläche der Anode. Bei Aluminium-Elkos wird die Anodenfolie elektrochemisch geätzt, bei Tantal-Elkos wird durch sintern von feinem Pulvern die Anodenoberfläche gegenüber einer glatten Oberfläche deutlich vergrößert. Sie kann für kleine Spannungen bis zum Faktor 200 größer als eine glatte Oberfläche sein.^[3]^[4]^[5]

Strukturen der Anodenmaterialien von Elektrolytkondensatoren
Die Anodenfolien von Al-Elkos werden elektrochemisch geätzt (aufgeraut), links: 10 V-Niedervolt-Anodenfolie, rechts: 400 V-Hochvolt-Anodenfolie
Gesintertes Tantalpulver mit aufliegender Oxidschicht

Sowohl durch die Ätzung der Aluminium-Anodenfolie als auch durch das Sintern des Tantal- bzw. Niob-Pulvers entsteht eine aufgeraute Anode, deren Oberfläche deutlich größer als die einer glatten Oberfläche ist.

Dielektrikum

Neben der Struktur der Anode sind die Materialeigenschaften der durch anodische Oxidation erzeugten Dielektrika der bestimmende Faktor, der die Kapazität der Kondensatoren bestimmt. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eigenschaften der unterschiedlichen Oxid-Materialien.

Materialdaten der zwei der für Polymer-Elektrolytkondensatoren verwendeten Anodenmaterialien^[6]^[7]
Anodenmaterial	Dielektrikum	Relative Permittivität	Durchschlags- festigkeit in V/µm	Oxidschicht- dicke in µm/V
Aluminium	Aluminiumoxid, Al₂O₃	9,6	710	1,4
Tantal	Tantalpentoxid, Ta₂O₅	27	625	1,6

Das besondere an den „Elkos“ ist die äußerst dünne aber spannungsfeste Oxidschicht, die im Bereich „Nanometer“ (10^-9 m) pro Volt liegt.

Werden die relativen Permittivitäten der beiden Oxide miteinander verglichen, so hat Tantalpentoxid einen ca. 3fach höheren Wert als Aluminiumoxid. Tantal-Elektrolytkondensatoren könnten deshalb bei gleichem Kapazitäts- und Nennspannungswert theoretisch kleiner als Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden.

In realen Polymer-Elektrolytkondensatoren werden die Oxidschichtdicken speziell bei Tantalkondensatoren jedoch teilweise erheblich stärker formiert, als es die spätere Nennspannung des Kondensators eigentlich erforderlich machen würde. Dies geschieht aus Gründen der Sicherheit, denn durch den direkten Kontakt des fast metallisch leitenden Polymers mit dem Oxid ergeben sich im Bereich von Fehlstellen, Verunreinigungen oder Brüchen im Oxid elektrische Mikrobrücken, die zu erhöhtem Reststrom oder sogar zum Kurzschluss führen können.^[8] Aus diesem Grunde werden mögliche Abmessungsunterschiede, die sich aus den unterschiedlichen Materialdaten herleiten, teilweise nicht wirksam.

Elektrolyte

Der Elektrolyt, der sich der Oberflächenstruktur der Oxidschicht auf der Anode (+) anpasst, bildet im Prinzip die Kathode (-) des Kondensators. Die wichtigste elektrische Eigenschaft eines Elektrolyten im Elektrolytkondensator ist seine elektrische Leitfähigkeit. Der Elektrolyt, der Namensgeber des Elektrolytkondensators, bildet die Kathode des Kondensators. Da die aufgerauten Strukturen der Anodenoberfläche sich in der Struktur der Oxidschicht, des Dielektrikums fortsetzen, muss diese Gegenelektrode, die Kathode, sich möglichst passgenau an die aufgeraute Struktur anpassen. Mit einer Flüssigkeit, wie im herkömmlichen „nassen“ Elko ist das einfach zu erreichen. Bei Polymer-Elektrolytkondensatoren, in denen ein leitfähiges Polymer den Elektrolyten bildet, der erst durch einen chemischen Prozess, der Polymerisation, seine Leitfähigkeit erhält, ist dies sehr viel schwieriger zu erreichen. Allerdings rechtfertigen die Vorteile eines festen Polymer-Elektrolyten, der deutlich niedrigere ESR des Kondensators und die geringe Temperaturabhängigkeit der elektrischen Parameter, insbesondere der Impedanz, vielfach den Mehraufwand bei der Herstellung sowie die höheren Kosten.

TCNQ-Elektrolyt

Elektrolytkondensatoren mit dem Ladungs-Transfer-Salz Tetracyanoquinodimethan TCNQ als Elektrolyten, die seinerzeit durch Sanyo mit dem Handelsnamen "OS-CON" hergestellt wurden, waren im eigentlichen Sinne des Begriffes "Polymer" keine "Polymer-Elkos". TCNQ-Elkos werden hier erwähnt, um auf die Gefahr von Verwechselungen mit "echten" Polymer-Elkos, die heutzutage unter dem gleichen Handelsnamen OS-CON angeboten werden, hinzuweisen.

Die ursprünglichen OS-CON TCNQ-Elkos vom damaligen Hersteller Sanyo sind mit der Eingliederung der Sanyo-Elkos durch Panasonic abgekündigt worden^[9] Die jetzt von Panasonic hergestellten OS-CON-Elkos haben einen leitfähigen Polymer-Elektrolyten^[10].

Polymer-Elektrolyt

Ein Polymer entsteht durch ein chemisches Aneinanderreihen einzelner Molelüle, Polymerisation genannt. Das ist eine chemische Reaktion, bei der fortlaufend Monomere an ein wachsendes Polymer angegliedert werden^[11]. Normalerweise sind Polymere elektrisch betrachtet Isolatoren, bestenfalls Halbleiter. Für den Einsatz als Kathodenmaterial in Elektrolytkondensatoren werden jedoch leitfähige Polymere benötigt. Die Leitfähigkeit eines Polymers wird durch konjugierte Doppelbindungen erreicht, die eine freie Beweglichkeit von Ladungsträgern im dotierten Zustand ermöglichen. Deshalb besitzen elektrisch leitende Polymere ein ausgedehntes Pi-Elektronensystem in Form konjugierter Doppelbindungen. Als Ladungsträger dienen Defektelektronen. Das heißt, die Leitfähigkeit leitfähiger Polymere, die vergleichbar mit der von metallischen Leitern ist, setzt erst dann ein, wenn die Polymere oxidativ oder reduktiv dotiert werden.

Die Anforderungen an einen Polymer-Elektrolyten sind vielfältig. Er muss bis tief in die Poren in der aufgerauten Anode in die feinsten Verästelungen eindringen, um eine möglichst vollständige, homogene Schicht zu bilden, denn nur vom Elektrolyten bedeckte Partien der Anode tragen zur Gesamtkapazität bei. Dazu muss die Partikelgröße der Polymer-Grundsubstanzen vor der Polymerisation klein genug sein, um in die kleinen Strukturen der aufgerauten Anoden eindringen zu können. Die Größe dieser Polymer-Partikel limitiert den Grad der Ätzung der Aluminium-Anodenfolien bzw. die Feinheit der Tantal-Pulver. Die Geschwindigkeit der Polymerisation muss der Massenfertigung der Kondensator-Fertigung angepasst sein, d. h. eine zu schnelle Polymerisation würde nicht zu einer vollständigen Bedeckung der Anode führen, eine zu langsame Polymerisation ließe die Produktionskosten ansteigen. Weder seine chemischen Vorstufen noch seine chemische Eigenschaft im polymerisierten Zustand noch seine eventuellen Rückstände dürfen das Oxid auf der Anode chemisch oder mechanisch angreifen. Als fertiger Elektrolyt sollte er eine große Stabilität über einen weiten Temperaturbereich besitzen und diese auch über einen langen Zeitraum beibehalten. Der Polymerfilm ist dann allerdings nicht nur die Gegenelektrode des Kondensators, er schützt auch noch das Dielektrikum gegen äußere Einflüsse wie z. B. den direkten Kontakt von Graphit bei den Ausführungsformen, die mit einer Kathoden-Kontaktierung über Graphit und Silber versehen sind.

Bei den heute (2015) hergestellten Polymer-Elektrolytkondensatoren werden zwei unterschiedliche leitfähige Polymere verwendet. Dazu gehört Polypyrrol, abgekürzt PPy,^[12] das erste leitfähige Polymer, das als Kathodenmaterial in Elektrolytkondensatoren Verwendung fand und Poly-3,4-ethylendioxythiophen, abgekürzt PEDOT^[13]^[14]

Polypyrrol PPy

Strukturformel von Polypyrrol, mit p-Toluolsulfonsäure dotiert

Polypyrrol wird durch oxidative Polymerisation von Pyrrol hergestellt. Ein geeignetes Oxidationsmittel ist Eisen(III)-chlorid (FeCl3). Wasser, Methanol, Ethanol, Acetonitril und andere polare Lösungsmittel können für die Synthese verwendet werden ^[16]. Es erreicht als fester Polymer-Elektrolyt Leifähigkeitswerte bis zu 100 S/m.

Polypyrrol war das erste in Polymer-Elkos eingesetzte leitfähige Polymer, das zunächst in Polymer-Al-Elkos einige Jahre später dann auch in Polymer-Ta-Elkos eingesetzt wurde. Die in situ Polymerisation des PPY-Polymers in den engen Poren der Anodenstruktur ist aufwendig zu realisieren. Wenn Pyrrol mit den gewünschten Oxidationsmitteln bei Raumtemperatur vermischt wird, beginnt die Polymerisationsreaktion sofort. Damit beginnt sich Polypyrrol zu bilden, bevor es in den Poren der Anode eingedrungen ist. Die Polymerisationsgeschwindigkeit kann durch zwei Methoden beeinflusst werden, durch Abkühlen der Grundsubstanzen auf sehr tiefe Temperaturen oder durch eine elektrochemische Polymerisation. Beide in situ Methoden sind aufwendig und erfordern eine vielfache Wiederholung der Polymerisation.

Die Methode der Abkühlung der Grundsubstanzen auf sehr tiefe Temperaturen erfordert einen sehr großen technischen Aufwand und ist für eine Massenproduktion ungünstig. Bei der elektrochemischen Polymerisation muss zunächst eine Hilfselektrodenschicht auf das Dielektrikum aufgebracht werden und mit der Anode verbunden werden^[14]. Dazu werden ionische Dotierungsmittel in die Grundsubstanzen des Polymers zugegeben, die beim ersten Imprägnieren auf der Oberfläche des Dielektrikums eine leitende Schicht bilden. Während der darauf folgenden Imprägnierungen wird durch Anlegen einer Spannung zwischen Anode und Kathode mit dem dann fließenden Strom die in situ Polymerisation zeitlich steuerbar. Es kommt zu der Bildung einer feinen und stabilen Polypyrrolschicht auf dem Dielektrikum des späteren Kondensators.

Beide Methoden der in situ Polymerisation erfordern jedoch mehrfache Zyklen der Imprägnierung sowie der anschließenden Reinigungsprozesse, wodurch die Herstellung von Polymer-Elektrolytkondensatoren kostenintensiv ist^[17].

Der Polypyrrol-Elektrolyt hat zwei grundsätzliche Nachteile. Er ist toxisch bei der Herstellung der Kondensatoren und wird instabil bei den höheren Löttemperaturen bei der Lötung mit bleifreien Loten^[14].

Polythiopen PEDOT und PEDOT:PSS

Poly-3,4-ethylendioxythiophen, abgekürzt PEDOT oder PEDT^[13] ist ein Monomer basierend auf 3,4-Ethylenedioxythiophen oder EDOT. PEDOT kann durch ein Oxidationsmittel chemisch polymerisiert werden, z. B durch Eisen(III)-sulfat. Die Reoxidation von Eisen wird durch Natriumpersulfat gegeben^[18]. PEDOT ist transparent, nicht toxisch,temperaturstabil bis 280 °C und erreicht als fester Polymer-Elektrolyt Leifähigkeitswerte bis zu 500 S/m^[19]^[20]. Speziell durch seine Temperaturbeständigkeit können damit Polymer-Elkos hergestellt werden, die den erhöhten Löttemperaturen der bleifreien Lötung widerstehen und außerdem noch bessere ESR-Werte als PPY-Elkos haben^[14].

Die schwierigen Methoden der in situ Polymerisation von PEDOT in den Anoden der Kondensatoren waren zunächst die gleichen wie bei Polypyrrol. Dies änderte sich mit der Entwicklung von vor-polymerisierten Dispersionen, in die die Anoden der Kondensatoren bei Raumtemperatur einfach nur eingetaucht und anschließend getrocknet werden. Dazu wird dem PEDOT Natrium-Polystyrolsulfonat (PSS) zugegeben und in Wasser gelöst^[21]. Die vollständige Polymerschicht auf dem Dielektrikum setzt sich dann zusammen aus vor-polymerisierten Teilchen aus der Dispersion. Diese Dispersionen sind unter der Bezeichnung PEDOT:PSS bekannt. (Handelsnamen Baytron^[22]^[14] und CleviusTM^[23]

Diese PEDOT:PSS Dispersionen gibt es in verschiedene Varianten. Für Kondensatoren mit hohen Kapazitätswerten mit hoch-aufgeraute Aluminium-Anodenfolien oder feinkörnigen Tantal-Pulvern, werden Dispersionen mit sehr kleinen Partikelgrößen angeboten. Die mittlere Größe dieser Partikel liegt bei etwa 30 nm, damit können auch die feinsten Kapillaren in den Anodenstrukturen noch getränkt werden. Eine weitere Variante des PEDOT:PSS mit größeren Partikeln, die zu einer relativ dicken Schicht polymerisiert, wurde als umhüllender Schutz der kapazitiven Zelle von quaderförmigen Ta- und Al- Polymer-Kondensatoren entwickelt^[14].

Mit PEDOT:PSS Dispersionen hergestellten Polymer-Elektrolytkondensatoren sind auch geeignet, um mit ihnen Polymer-Kondensatoren mit höheren Nennspannungswerten mit 200 V^[24] und 250 V herzustellen. ^[25] Außerdem sind die Reststromwerte der Polymer-Elkos, die mit diesen Dispersionen hergestellt werden, deutlich niedriger als bei Polymer-Elkos mit in situ polymerisierten Polymerschichten. Neben besseren ESR-Werten, höhere Temperaturstabilität und niedrigeren Reststromwerten ist aber die leichtere Herstellung von Polymer-Kondensatoren aus der vor-polymerisierten PEDOT:PSS Dispersion heraus, bei der schon mit nur drei Tauchvorgängen eine fast vollständige Bedeckung des Dielektrikums mit einer Polymerschicht erreicht werden kann^[21] und die Produktion deutlich weniger kostenintensiv ist, der wesentliche Vorteil dieses Polymer-Elektrolyten.

Hybrid-Elektrolyt

Relativ neu sind die Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Sie kombinieren eine Beschichtung der aufgerauten und oxidierten Anodenstruktur mit dem leitfähigen Polymer mit einem flüssigen Elektrolyten. Dieser füllt den Papier-Separator (Spacer) und stellt über seine Ionen-Leitfähigkeit den Kontakt zwischen dem Polymer-Elektrolyten auf dem Dielektrikum und einer Polymerschicht auf der Kathodenfolie her. Der flüssige Elektrolyt kann den Sauerstoff für die Selbstheilung oder Nachformierung des Kondensators liefern, wodurch die Sicherheitsmarge für die benötigte Oxidschichtdicke für eine bestimmte Spannungsfestigkeit reduziert werden kann. Außerdem wird der Reststrom durch die Selbstheilung verringert so dass hiermit Werte wie bei herkömmlichen „nassen“ Elkos erreicht werden können. Die Auswirkungen des flüssigen Elektrolyten auf den ESR und das Temperaturverhalten sind relativ gering. Durch Verwendung entsprechender organischer Elektrolyte und durch gute Abdichtung kann auch eine lange Lebensdauer ohne vorzeitige Austrocknung erreicht werden^[26]^[27].

Bauarten und Bauformen

Polymerkondensatoren gibt es, basierend auf dem verwendeten Anodenmetall, in drei unterschiedliche Bauarten:

Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren
Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren
Hybrid Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Diese drei unterschiedlichen Bauarten , auch Familien genannt, werden in zwei unterschiedlichen Bauformen hergestellt,

als quaderförmige SMD-Bauform, meist mit einem umpressten Kunststoff-Gehäuse und
in einer zylindrischen Bauform mit einer gewickelten Zelle eingebaut in einem Metallgehäuse.

Bauformen von Polymer-Elektrolytkondensatoren
Die quaderförmigen SMD-Bauformen gibt es für Polymer-Tantal- und Aluminium-Elkos.
Die zylindrische Bauform (hier die V-Chip-Bauform) gibt es nur bei Polymer-Aluminium- und Hybrid-Polymer-Elkos.

Während es sich bei den zylindrischen Polymer-Kondensatoren eindeutig immer um Aluminium-Elektrolytkondensatoren handelt, ist bei den quaderförmigen Polymer-Kondensatoren eine Zuordnung des jeweiligen Kondensators zu einem Anodenmaterial nicht möglich.

Ein Vergleich der mit diesen Bauformen zur Zeit lieferbaren Kapazitäts- und Spannungswerte zeigt die Tabelle unter #Vergleich der Eckwerte

Polymer-Tantal-Elkos in quaderförmige Bauform

Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren sind im Grunde genommen Tantal-Elektrolytkondensatoren, bei denen der Elektrolyt nicht Mangandioxid sondern ein leitfähiges Polymer ist, siehe auch Tantal-Elektrolytkondensator#Fertigungsprozess.

Grundmaterial des Kondensators ist ein Pulver aus hochreinem Tantal, das mit einem Bindemittel versetzt und anschließend zusammen mit einen Tantaldraht zu einem runden oder quaderförmigen Block gepresst wird. Dieser Block wird dann bei hohen Temperaturen gesintert. Dabei werden die Pulverkörner metallisch miteinander verschmolzen. Sie sind dann elektrisch leitend verbunden und mechanisch fest zusammengefügt. Im gesinterten Tantalblock verbleiben eine Vielzahl von Poren, die den gesamten Sinterblock durchziehen und eine sehr große Oberfläche der Anode bilden.

Die Oberfläche der gesinterten Anode wird entsprechend der gewünschten Spannungsfestigkeit des späteren Kondensators oxidiert. Die Oxidschicht bildet das Dielektrikum des Kondensators. Danach wird der Sinterblock mit den Zutaten des Polymers getränkt, das dann in einem chemischen Prozess zu dem leitfähigen Polymer polymerisiert. Zur Kontaktierung wird die Polymerschicht mit Graphit- und Silber beschichtet, an die der Kathodenanschluss angelötet werden kann. Die kapazitive Zelle wird anschließend meist von einem Kunstharz umhüllt.

Konstruktionsprinzip der quaderförmigen Bauform für Polymer-Tantal-Elkos
Prinzipieller Schichtaufbau eines Polymer-Ta-Elkos mit Sinteranode und Graphit/Silber-Kathodenkontaktierung
Prinzipieller Querschnitt durch einen quaderförmigen Polymer-Ta-Chipkondensator
Quaderförmiger Polymer-Ta-Chipkondensator

Die Entwicklung von Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren Anfang der 1990er Jahre fiel in die Zeit der Entwicklung von Geräten mit flacher Bauweise wie Handies und Laptops in SMD-Bestückungstechnik. Aus diesem Grunde bot sich die quaderförmige Bauform bei den Polymer-Tantal-Elkos als beste Lösung an. Durch die rechteckige Grundfläche wird der Bestückungsraum maximal ausgenutzt, was bei runden Grundflächen nicht der Fall ist. Außerdem kann die gesinterte Zelle so hergestellt werden, dass das fertige SMD-Bauelement eine gewünscht Bauhöhe hat. Vielfach ist dies die Bauhöhe der verwendeten Prozessoren oder anderer Halbleiter-Bauelemente. Typisch dafür ist beispielsweise die Bauhöhe von etwa 2 bis 4 mm.

Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren haben ESR-Werte, die etwa nur 1/10 des Wertes von Tantal-Elkos gleicher Baugröße mit Mangandioxid-Elektrolyten betragen. Durch eine Multi-Anodentechnik, bei der mehrere parallel geschaltete Anodenblöcke in einem Gehäuse eingebaut sind, kann der ESR-Wert noch einmal halbiert werden. Die Vorteile der Multi-Anodentechnik sind neben den sehr niedrigen ESR-Werten vor allem die geringere Induktivität, wodurch die Kondensatoren für höhere Frequenzen geeignet sind.

Nachteilig bei allen Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren ist nur der etwa um den Faktor 10 höhere Reststrom gegenüber den Versionen mit Mangandioxid-Elektrolyten. Polymer-SMD-Tantal-Elektrolytkondensatoren werden bis zu einer Baugröße von 7,3 mm x 4,3 mm x 4,3 mm (Länge x Breite x Höhe) mit einer Kapazität von 1000nbsp;µF/2,5 V angeboten. Sie können Temperaturbereiche von -55 °C bis +125 °C abdecken und sind in Nennspannungswerten von 2,5 bis 63 V lieferbar.

Polymer-Aluminium-Elkos in quaderförmiger Bauform

Die quaderförmigen Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit einer oder mehrerer geschichteter Aluminium-Anodenfolien und einem leitfähigen Polymer als Elektrolyten. Die geschichteten Anodenfolien werden an einer Seite miteinander kontaktiert, dieser Block wird anodisch oxidiert, d. h. das Dielektrikum wird hergestellt und der Block wird dann mit geeigneten Methoden mit dem Polymer-Elektrolyten versehen. Die bei gewickelten Elkos mit zylindrischen Bauformen zur Kontaktierung des Elektrolyten verwendeten Kathodenfolien entfallen, dafür erfolgt die Kathoden-Kontaktierung des Polymer-Elektrolyten wie bei den Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren über eine Schichtung aus Graphit und Silber.

Konstruktionsprinzip der quaderförmigen Bauform für Polymer-Aluminium-Elkos
Querschnitt durch die kapazitive Zelle eines Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensators mit Graphit/Silber-Kathodenkontaktierung.
Querschnitt durch einen mit Kunstharz umhüllten quaderförmigen SMD-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensator mit Graphit/Silber-Kathodenkontaktierung
Quaderförmiger SMD-Polymer-Elektrolytkondensator. Das äußere Erscheinungsbild gibt keinen Hinweis auf das intern verwendete Anodenmaterial.

Bei den quaderförmigen Polymer-Aluminium-Elkos mit mehreren Anodenfolien sind elektrisch gesehen die geschichteten Anodenfolien parallel geschaltete Einzelkondensatoren. Dadurch werden die einzelnen ESR- und vor allem ESL-Werte parallel geschaltet und sind entsprechend kleiner. Die elektrischen Vorteile dieser Bauform sind die sehr niedrigen ESR-Werte und vor allem auch die geringere Induktivität, wodurch die Kondensatoren für höhere Frequenzen geeignet sind. Salopp ausgedrückt werden diese Polymer-Elkos bezogen auf die Schaltgeschwindigkeit „schneller“.

Die quaderförmige Bauform ist gegenüber der zylindrischen Bauform vorteilhaft, weil die Bestückungsfläche auf einer Leiterplatte kapazitiv voll ausgenutzt werden kann. Da diese Bauform auch mit sehr niedrigen Bauhöhen gefertigt werden kann, bietet sie bei Geräten in sehr flacher Bauweise die Möglichkeit, die erforderliche Kapazität in der gleichen Bauhöhe wie die verwendeten Prozessoren oder andere Bauelemente liefern zu können. Typisch dafür ist beispielsweise die Bauhöhe von etwa 2 mm, die mit der Grundfläche 7,3 mm x 4,3 mm des bekannten „D“-Gehäuses von Tantal-Elektrolytkondensatoren dann zu einem baugleichen Wettbewerbstyp wird.^[28]

Der Vergleich von baugleichen Polymer-Aluminium- und Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren (#Vergleich elektrischer Parameter) zeigt, dass in der Realität die unterschiedlichen Permittivitätswerte von Aluminiumoxid und Tantalpentoxid nur geringe Auswirkungen auf die spezifische Kapazität hat. Das liegt an den unterschiedlichen Sicherheitsmargen bei der Herstellung der Oxidschichten. Für Polymer-Tantal-Elkos wird eine Oxidschichtdicke erzeugt, der etwa der vierfachen Nennspannung entspricht, bei Polymer-Aluminium-Elkos entspricht sie nur etwa der doppelten Nennspannung.

Polymer-Aluminium-Elkos in zylindrischer (radialer) Bauform

Zylindrische Polymerkondensatoren beruhen auf der Technik von gewickelten Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten, siehe auch Aluminium-Elektrolytkondensator#Aufbau. Es gibt sie deshalb nur mit Aluminium als Anodenmaterial. Anstelle des flüssigen Elektrolyten wird in diesen Kondensatoren allerdings ein leitfähiges Polymer als Elektrolyt eingesetzt.

Konstruktionsprinzipien der zylindrischen Bauform für Polymer-Aluminium-Elkos
Wickel eines Aluminium-Elektrolytkondensators
Querschnitt durch die kapazitive Zelle eines gewickelten Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensators mit Polymer-Elektrolyten
Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit gewickelter Zelle im zylindrischen Metallgehäuse, in bedrahteter und in SMD-Bauform (V-Chip)

Die zylindrischen Polymer-Elektrolytkondensatoren bestehen grundsätzlich wie bei den herkömmlichen Aluminium-Elektrolytkondensatoren aus zwei Aluminiumfolien, eine geätzte und formierte Anoden- und eine Kathodenfolie, die durch einen Separator mechanisch voneinander getrennt und zu einem Wickel aufgerollt werden. Der Wickel wird in einem Tauchverfahren mit den Zutaten des Polymers getränkt, das dann zu dem leitfähigen Polymer polymerisiert. Dabei entstehen zwei dünne, zusammenhängende leitfähige Schichten direkt auf den aufgerauten Strukturen der beiden Aluminiumfolien und polymerisierte Leitungsbahnen im Separator, die beide Schichten elektrisch miteinander verbinden. Der Wickel wird anschließend in einen Aluminiumbecher eingebaut und mit einem Gummistopfen verschlossen. Für die SMD-Version wird der Becher zusätzlich noch mit einer Bodenplatte versehen.

Zylindrische Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind für größere Kapazitätswerte gegenüber den quaderförmigen Polymer-Elkos vorgesehen. Aufgrund ihrer Bauweise können sie bei einer gegebenen Grundfläche in der Höhe variieren, so dass bezogen auf die Bestückungsfläche sehr große Kapazitätswerte erreicht werden können. Dies ist bei Leiterplatten bei nicht begrenzter Bauhöhe ein großer Vorteil.

Diese Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden bis zu einer Baugröße von 10 mm x 13 mm (Durchmesser x Höhe) angeboten und weisen in diesem Becher mit 3900 µF/2,5 V den höchsten Kapazitätswert aller Polymerkondensatoren auf^[29]. Sie können Temperaturbereiche von -55 °C bis +125 °C abdecken und sind in Nennspannungswerten von 2,5 bis 200 V lieferbar^[24].

Im Unterschied zu den sog. „nassen“ Al-Elkos haben die Becher dieser Polymer-Al-Elkos meist keine Sollbruchstelle (Kerbung) im Becherboden. Solch eine Sollbruchstelle soll sich im Schadensfall (Kurzschluss) öffnen und das Wegfliegen des Bechers verhindern. Da im Polymer-Elektrolytkondensator im Kurzschlussfall keine Gasbildung stattfindet, entsteht auch kein Gasdruck im Gehäuse, demzufolge ist eine Sollbruchstelle nicht erforderlich.

Hybrid-Polymer-Aluminium-Elkos

Querschnitt durch die kapazitive Zelle eines Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensators, Polymer-Elektrolyten in den Poren der Aluminiumfolien und flüssigen Elektrolyten als Verbindung der Polymerschichten.

Hybrid-Polymerkondensatoren gibt es nur in der zylindrischen Bauform mit gewickelten Aluminium-Anoden- und Kathodenfolien, bedrahtet in der radialen Bauform oder mit der zusätzlichen Bodenplatte in der SMD-Version. Ihr Aufbau entspricht somit dem der oben beschriebenen Polymer-Aluminium-Elkos in zylindrischer Bauform. Der polymerisierte Elektrolyt bedeckt als dünne Schicht sowohl die aufgeraute Struktur des Dielektrikums als auch die Oberfläche der Kathodenfolie. Je nach Beschaffenheit des Separators und der Polymerisierungsbedingungen können diese beiden Schichten auch mit polymerisierten Pfaden elektrisch miteinander verbunden sein. Der Hauptunterschied ist jedoch, dass der Separator, wie bei einem gewöhnlichen Alu-Elko, überwiegend mit einem flüssigen Elektrolyten getränkt ist. Der flüssige Elektrolyt liefert im Betrieb den Sauerstoff, der notwendig ist, um bei Vorhandensein eventueller Fehlstellen im Dielektrikum eine Ausheilung zu ermöglichen.

Solche Fehlstellen im Dielektrikum sind die Verursacher von erhöhten Reststromwerten, die bei reinen Polymer-Elektrolytkondensatoren nur isoliert, aber nicht ausgeheilt werden. Denn der Strom, der über solch eine Fehlstelle fließt, führt zu einer punktuellen Erwärmung, die normalerweise den darüber liegenden Polymerfilm zerstört und die Fehlstelle isoliert. Bei den Hybrid-Polymer-Elektrolytkondensatoren kann aber über diese Öffnung im Polymerfilm der flüssige Elektrolyt an die Fehlstelle gelangen und eine Ausheilung bewirken, wodurch der erhöhte Reststrom verschwindet. Dadurch haben Hybrid-Polymer-Al-Elkos einen deutlich geringeren Reststrom als die Polymer-Al-Elkos.

Nachteilig bei diesen Hybrid-Polymerkondensatoren ist lediglich, dass die Lebensdauer der Kondensatoren durch die Austrocknung bzw. Zersetzung des flüssigen Elektrolyten bestimmt wird. Durch Wahl eines entsprechenden Elektrolyten wird jedoch für die meisten Einsatzfälle eine hinreichend lange Lebensdauer erzielbar sein.

Neue Konstruktionen – Verringerung von ESR und ESL

Bei der Multi-Anodenkonstruktion werden mehrere Tantal-Sinteranoden parallel geschaltet, wodurch sich sowohl ESR als auch ESL reduziert.

Auch konstruktive Maßnahmen können großen Einfluss auf die elektrischen Parameter von Kondensatoren haben. Kleinere ESR-Werte können beispielsweise durch Parallelschaltung mehrerer herkömmlicher Kondensatorzellen erreicht werden. Drei parallel geschaltete Kondensatoren mit einem ESR von je 60 mΩ haben dann einen Gesamt-ESR von 20 mΩ zur Folge. Diese Konstruktion wird bei Multi-Anoden-Technik genannt und bei bei Polymer-Tantalkondensatoren eingesetzt.^[30]^[31]. Hierbei werden bis zu sechs Einzelanoden in einem Gehäuse zusammengeschaltet. Diese Bauform wird sowohl bei preiswerteren Tantal-Kondensatoren mit MnO₂-Elektrolyten als auch mit Polymer-Elektrolyten angeboten. Letztere Polymer-Kondensatoren weisen ESR-Werte im einstelligen Milliohm-Bereich auf. Bei Polymer-Aluminium-Kondensatoren erfüllt die quaderförmige Version mit den gestapelten Anoden die gleiche Funktion zur Reduzierung des ESR.

Aber nicht nur der ESR spielt eine Rolle beim Einsatz von Polymerkondensatoren. Durch konstruktive Änderungen kann auch noch die parasitäre Induktivität des Kondensators abgesenkt werden. Da die Länge der Zuleitungen einen großen Anteil an der Gesamtinduktivität ESL des Kondensators hat, kann durch Verringerung der internen Zuleitungen der ESL verringert werden. Mit dieser „Face-down“-Konstruktion^[32] verschiebt sich die Resonanz des Kondensators zu höheren Frequenzen, wodurch bei den immer höheren Schaltfrequenzen von Digitalschaltungen die Folgen schnellerer Lastwechsel Rechnung getragen wird.

Polymer-Elektrolytkondensatoren haben durch diese konstruktiven Verbesserungen, die sowohl den ESR als auch den ESL verringerten, Eigenschaften erreicht, die sich immer näher an diejenigen von MLCC-Kondensatoren annähern.

Vergleich der Polymer-Elko-Familien

Vergleich der Eckwerte

Die zwei unterschiedlichen Anodenmaterialien, Aluminium und Tantal, zusammen mit den unterschiedlichen Bauformen haben eine Anzahl unterschiedlicher Polymer-Elko-Familien mit unterschiedlichen Eckwerten hervorgebracht. Eine Übersicht der jeweiligen Elko-Familie über diese Werte gibt die nachfolgende Tabelle. Zum Vergleich sind ebenfalls die Eckwerte der Tantal-Elektrolytkondensatoren mit Mangandioxid-Elektrolyten aufgeführt.

Vergleich der Eckwerte der unterschiedlichen Polymer-Elko-Familien
Anodenmaterial	Elektrolyt	Bauform	Kapazitäts- bereich (µF)	Nenn- spannung (V)	Max. Betriebs- temperatur (°C)
Tantal	Mangandioxid	quaderförmig	0.1…1500	2,5…63	105/125/150/175
Tantal	Polymer	quaderförmig	0,47…3300	2,5…125	105/125
Aluminium	Polymer	quaderförmig	2,2…560	2,0…16	105/125
	Polymer	Zylindrisch (SMD und radial)	3,3…3900	2,0…200	105/125/135
	Hybrid, Polymer und flüssig	Zylindrisch (SMD und radial)	6.8…1000	6,3…125	105/125

(Stand: April 2015)

Vergleich elektrischer Parameter

Unterschiedliche elektrische Eigenschaften der unterschiedlichen Polymerkondensatoren können am besten miteinander verglichen werden, wenn sie bei gleicher Kapazität und Spannungsfestigkeit und in den gleichen Abmessungen gelistet sind. In einem solchen Vergleich sind für Polymerkondensatoren die Werte für den ESR und die Rippelstrombelastbarkeit die wichtigsten Parameter für die Verwendung dieser Kondensatoren in elektronischen Geräten. Hinzu kommt in dieser Tabelle auch noch der Reststrom, der bei Polymer-Elkos höher als bei Elkos mit flüssigem Elektrolyten ist.

Zum Vergleich der elektrischen Eigenschaften der Polymer-Elkos sind in der Tabelle auch noch die jeweiligen Werte von Tantal-Elektrolytkondensatoren mit Mangandioxid-Elektrolyten und der von sog. "nassen" Al-Elkos mit aufgeführt.

Vergleich der wichtigsten elektrischen Parameter unterschiedlicher Elko-Familien bei gleicher Baugröße
Elektrolytkondensatorenfamilie Elektrolyt	Type ¹)	Abmessungen WxLxH ²) DxL ³) (mm)	Max. ESR 100 kHz, 20 °C (mΩ)	Max. Rippelstrom 85/105 °C (mA)	Max. Reststrom für 100µF/10V nach 2 min. ⁴) (µA)
MnO₂-Tantal-Elektrolytkondensatoren MnO₂-Elektrolyt	Kemet, T494, 330/10	7,3x4,3x4,0	100	1285	10 (0,01CV)
MnO₂-Tantal-Elektrolytkondensatoren Multianode,MnO₂-Elektrolyt	Kemet, T510, 330/10	7,3x4,3x4,0	35	2500	10 (0,01CV)
Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren Polymer-Elektrolyt	Kemet, T543, 330/10	7,3x4,3x4,0	10	4900	100 (0,1CV)
Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren Multianode, Polymer-Elektrolyt	Kemet, T530, 150/10	7,3x4,3x4,0	5	4970	100 (0,1CV)

Polymer-Al-Elektrolytkondensatoren, Polymer-Elektrolyt	Panasonic, SP-UE, 180/6,3	7,3x4,3x4,2	7	3700	40 (0,04CV)
Polymer-Al-Elektrolytkondensatoren, Polymer-Elektrolyt	Kemet, A700, 220/6,3	7,3x4,3x4,3	10	4700	40 (0,04CV)

"nasse" Al-Elektrolytkondensatoren, SMD Ethylenglycol/Borax-Elektrolyt	NIC, NACY, 220/10	6,3x8	300	300	10 (0,01CV)
"nasse" Al-Elektrolytkondensatoren, SMD Wasser-basierter Elektrolyt	NIC, NAZJ, 220/16	6,3x8	160	600	10 (0,01CV)

Polymer-Al-Elektrolytkondensatoren, Polymer-Elektrolyt	Panansonic, SVP, 120/6,3	6,3x6	17	2780	200 (0,2CV)

Hybrid-Polymer-Al-Elektrolytkondensatoren, Polymer + flüssiger Elektrolyt	Panasonic, ZA, 100/25	6,3x7,7	30	2000	10 (0,01CV)

¹) Hersteller, Baureihe, Kapazität/Nennspannung, ²) quaderförmige Bauform, ³) zylindrische Bauform, ⁴) Reststrom berechnet für einen Kondensator mit 100 µF/10 V,

(Stand: Juni 2015)

Geschichte

Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten wurden im Jahre 1896 durch Charles Pollack erfunden, siehe Elektrolytkondensator#Geschichte. Tantal-Elektrolytkondensatoren mit einem festen Elektrolyten aus Mangan(IV)-oxid (Braunstein) sind in den Jahren 1950 bis 1955 in den USA entwickelt worden^[33]^[34]. Dieser feste Elektrolyt hatte eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit der elektrischen Parameter, eine deutlich bessere Leitfähigkeit des Elektrolyten und keine, durch Austrocknung begrenzte Lebensdauer. Durch die bessere Leitfähigkeit des festen Braunstein-Elektrolyten hatten die damaligen Tantalkondensatoren niedrigere ESR-Werte und höhere Rippelstrombelastbarkeit als vergleichbare „nasse“ Al-Elkos.

Leitfähigkeitswerte einiger Elektrolytsysteme

Durch die zunehmende Digitalisierung elektronischer Schaltungen seit den 1970er Jahren wurde die Haupt-Zielsetzung bei den Entwicklungen aller Elektrolytkondensatoren neben der Verkleinerung der Baugrößen die Verringerung der internen ohmschen Verluste, des ESR und der Verringerung der parasitären internen Induktivität ESL, denn die Schaltfrequenzen der Schaltungen wurden immer höher, damit stiegen die Anforderungen an die Kondensatoren in den Stromversorgungen an.^[2] Die Verringerung von ESR und ESL durch Erhöhung der Leitfähigkeit der Elektrolyte wurde zur großen Herausforderung an die Industrie.

Diese deutliche Erhöhung der Elektrolyt-Leitfähigkeit schaffte ein organischer Leiter, das Ladungs-Transfer-Salz TCNQ, (Tetracyanochinodimethan). Es wurde 1973 von A. Heeger und F. Wudl erstmals hergestellt. Mit diesem TCNQ-Elektrolyten konnte eine Verbesserung der Leitfähigkeit um den Faktor 10 gegenüber dem Braunstein-Elektrolyten erreicht werden. Es dauerte allerdings 10 Jahre mit diesem Elektrolyten marktfähige Kondensatoren herzustellen, denn erst 1983 stellte Sanyo diese "OS-CON" genannten Aluminium-Kondensatoren dem Markt vor.^[35] Sie waren wie herkömmliche „nasse“ Aluminium-Elkos mit einem Wickel aus Anodenfolie, Kathodenfolie und einem Papierabstandshalter in einem Aluminiumbecher und einer entsprechenden Abdichtung aufgebaut.

OS-CON-Elkos mit TCNQ-Elektrolyten mit ihrer typischen lila-farbigen Isolierung

1977 berichteten Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid und Hideki Shirakawa von einem Polymer, das eine hohe Leitfähigkeit aufwies.^[36] Für die Entdeckung leitfähiger Polymere erhielten sie im Jahre 2000 den Chemie-Nobelpreis.^[37] Die Entwicklung dieser leitfähigen Polymere führte zu Materialien wie Polypyrrol oder PEDOT, die als Elektrolyt in Elektrolytkondensatoren eine um den Faktor 100 bis 500 besser Leitfähigkeit besitzen als TCNQ.

Die ersten Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit einem festen leitfähigen Polypyrrol-Polymer-Elektrolyten wurden 1988 vom japanischen Hersteller Nitsuko mit der Bezeichnung „APYCAP“ als bedrahtete radiale Aluminium-Elektrolytkondensatoren herausgebracht. Trotz der deutlich kleineren ESR-Werte hatte der überwiegend nur Lokal in Japan bekannte Hersteller keinen großen Erfolg. Erst als 1991 der Hersteller Panasonic mit seinen „SP-Cap“ ^[38]^[39] genannten Polymer-Elkos auf den Markt kam, gelang dieser neuen Technologie der Durchbruch. Tantal-Elektrolytkondensatoren mit Polymer-Elektrolyten folgten kurze Zeit später. 1993 brachte NEC-TOKIN mit seinen „NeoCap“ genannten Tantal-Elkos SMD-Chips mit Polypyrrol-Elektrolyt auf den Markt. 1997 folgte dann Sanyo mit den "POSCAP"-Tantal-Chips.

Die Entwicklung leitfähiger Polymere für Elektrolytkondensatoren wurde um 1990 vorangetrieben durch H.C. Starck, eine Tochterfirma der Bayer AG ^[40]. Das neu entwickelte Polymer PEDOT (Poly (3,4-ethylendioxythiophen), Handelsname Baytron®) besitzt mit einer Leitfähigkeit bis zu 600 S/cm eine deutlich höhere Leitfähigkeit als Polypyrrol. 1999 stellte Kemet Tantal-Chips mit PEDOT-Elektrolyten dem Markt vor.^[41] Zwei Jahre später wurden von Kemet auch Polymer-Aluminium-Elkos mit PEDOT angeboten. ^[42]

Eine Börsen-Spekulation im Jahre 2000 mit dem Metall Tantal und der darauf folgenden Preisexplosion führte zur Entwicklung von Niob-Elektrolytkondensatoren als preisgünstige Alternative zu Tantal-Elektrolytkondensatoren. Niob-Elektrolytkondensatoren mit einem Polymerelektrolyten wurden von NEC Tokin erstmals 2002 angeboten. Im Jahre 2005 wurde NEC Tokin dann von Kemet übernommen, die Polymer-Niob-Elkos wurden jedoch nicht weiter hergestellt^[43].

Parallel dazu in den Jahren zwischen 1970 und 2000 wurde durch verbesserte Ätzverfahren bei den Anodenfolien von Al-Elkos und durch kleinere Tantal-Pulverstrukturen bei Tantal-Elkos eine Verzehnfachung der spezifischen Kapazität bei diesen Kondensatoren erreicht.

Ende des Jahres 2010 wurde der Hersteller der OS-CON-TCNQ-Elkos, Sanyo, durch Panasonic übernommen.^[9] Diese OS-CON-TCNQ-Elkos wurden danach durch den neuen Eigentümer abgekündigt und unter derselben Bezeichnung als „Neue OS-CON-Polymer-Elkos“ angeboten. ^[10]

Ein Nachteil der Polymer-Al-Elkos ist der relativ hohe Reststrom. Weil der leitfähige Polymer-Elektrolyt keinen Sauerstoff für eine Nachformierung zur Verfügung stellt, können kleine Schädigungen im Dielektrikum nach dem Löten der Kondensatoren auftreten. Aus diesem Grunde wurden nach der Jahrtausendwende die Hybrid-Polymerkondensatoren entwickelt, die zusätzlich zum Polymer-Elektrolyten noch einen flüssigen Elektrolyten besitzen.^[26]^[44] Durch diese Konstruktion können Schädigungen im Dielektrikum, die nach dem Löten auftreten, ausgeheilt werden, weil der flüssige Elektrolyt Sauerstoff zur Verfügung stellt. Der Reststrom verringert sich. Außerdem wird weniger Polymer benötigt, wodurch die Hybrid-Polymer-Elkos preiswerter werden.

Elektrische Kennwerte

Ersatzschaltbild

Die elektrischen Eigenschaften wie Kapazität, Verluste und Induktivität von realen Kondensatoren werden nach der Fachgrundspezifikation IEC 60384-1, die in Deutschland als DIN EN 60384-1; VDE 0565-1 erschienen ist, mit Hilfe eines idealisierten Serien-Ersatzschaltbildes beschrieben.^[45]

Hierin sind:

$C$ , die Kapazität des Kondensators,
$R_{ESR}$ , der äquivalente Serienwiderstand oder Ersatz-Serien-Widerstand, in ihm sind alle ohmschen Verluste des Bauelementes zusammengefasst. Dieser Wirkwiderstand wird allgemein nur "ESR" (Equivalent Series Resistance) genannt
$L_{ESL}$ , die äquivalente Serieninduktivität oder auch Ersatz.Serien-Induktivität, in ihr sind alle induktiven Anteile des Bauelementes zusammengefasst, sie wird allgemein nur „ESL“ (Equivalent Series Inductivity L) genannt.
$R_{Leak}$ , der Parallelwiderstand zum idealen Kondensator, der den Reststrom (Leckstrom) des Elkos repräsentiert.

Kapazität und Kapazitätstoleranz

Die übliche Einheit der Kapazität für Polymer-Elektrolytkondensatoren ist "µF".

Die Kapazität von Polymer-Elektrolytkondensatoren ist frequenz- und temperaturabhängig. Sie wird mit einer Wechselspannung von 0,5 V und der Frequenz von 100/120 Hz bei Raumtemperatur 20 °C gemessen. Der so gemessene Kapazitätswert ist etwa 10 bis 15 % niedriger als der Wert, der der gespeicherten Ladung entspricht.

Um eine Umpolspannung zu vermeiden muss die Messung mit einer Gleich-Vorspannung erfolgen, bei

Polymer-Al-Elkos mit 0,5 bis 1,0 V,
Polymer-Ta-Elkos mit 1,1 bis 1,5 V für Kondensatoren mit einer Nennspannung von ≤2,5 V oder 2,1 bis 2,5 V für Kondensatoren mit einer Nennspannung von >2,5 V.

Mit der Messfrequenz unterscheiden sich Polymer-Elektrolytkondensatoren von Keramik- und Kunststoff-Folienkondensatoren, deren Kapazität bei 1 kHz gemessen wird.

Der in den Datenblättern der Hersteller angegebene Kapazitätswert für Polymer-Elektrolytkondensatoren ist die "Nennkapazität C_R" (Rated capacitance C_R), auch "Bemessungskapazität" genannt. Sie wird gemäß DIN EN/IEC 60063 in Werten entsprechend der E-Reihe angegeben. Dieser Nennwert ist gemäß DIN EN/IEC 60062 mit einer zulässigen Abweichung, der „Kapazitätstoleranz“, so spezifiziert, dass keine Überlappungen entstehen.

E3-Reihe	E6-Reihe	E12-Reihe
10-22-47	10-15-22-33-47-68	10-12-15-18-22-27 33-39-47-65-68-82
Kapazitätstoleranz ±20%	Kapazitätstoleranz ±20%	Kapazitätstoleranz ±10%
Kennbuchstabe „M“	Kennbuchstabe „M“	Kennbuchstabe „K“

Der tatsächliche gemessene Kapazitätswert muss sich innerhalb der Toleranzgrenzen befinden.

Nennspannung und Kategoriespannung

Zusammenhang zwischen Nennspannung *U_R* und Kategoriespannung *U_C* mit dem Nenntemperaturbereich *T_R*" und dem Kategorietemperaturbereich *T_C*

Die Spannungsfestigkeit von Polymer-Elektrolytkondensatoren kann über die anodische Oxidation (Formierung) des Dielektrikums gezielt für die gewünschte Nennspannung des Kondensators hergestellt werden. Deshalb können auch sehr kleine Nennspannungen wie z. B. 2,5 V, realisiert werden, was bei Folien- oder Keramik-Kondensatoren nicht möglich ist. Solch kleine Spannungen werden vermehrt bei modernen Integrierten Schaltungen benötigt.

Die Spannungsfestigkeit der jeweiligen Oxidschicht sinkt mit steigender Temperatur. Deshalb werden bei Polymer-Elektrolytkondensatoren häufig zwei Spannungen spezifiziert, die "Nennspannung U_R" (Rated voltage U_R), das ist die maximale Gleichspannung, die konstant bei einer beliebigen Temperatur innerhalb des Nenntemperaturbereiches T_R" (Rated temperature T_R) anliegen darf und die "Kategoriespannung U_C" (Category voltage U_C), das ist die maximale Gleichspannung, die konstant bei einer beliebigen Temperatur innerhalb des Kategorietemperaturbereiches T_C" (Category temperature T_C) anliegen darf. Das Bild rechts zeigt diesen Zusammenhang.

Die Summe aus einer dauerhaft am Kondensator anliegenden Gleichspannung und dem Scheitelwert einer überlagerten Wechselspannung darf die für den Kondensator spezifizierte Spannung nicht überschreiten. Ein Überschreiten der spezifizierten Spannung kann zur Zerstörung des Kondensators führen.^[46]^[8]^[47]

Der Betrieb von Polymer-Elektrolytkondensatoren mit einer Spannung niedriger als die spezifizierte Nennspannung hat positiven Einfluss auf die zu erwartende Ausfallrate^[48].

Nenntemperatur und Kategorietemperatur

Der Zusammenhang zwischen dem Nenntemperaturbereich T_R und der Nennspannung U_R sowie dem erweiterten Kategorietemperaturbereich T_C und der reduzierten Kategoriespannung U_C ist im Bild oben erklärt.

Spitzenspannung

Polymer-Elektrolytkondensatoren werden aus Sicherheitsgründen mit einer höheren Spannung formiert als nur mit der Nennspannung. Deshalb können sie während des Betriebs kurzzeitig für eine begrenzte Anzahl von Zyklen einer sogenannte "Spitzenspannung U_S" (surge voltage U_S) ausgesetzt werden. Die Spitzenspannung ist der maximale Spannungswert, der während des gesamtem Betriebes der Kondensatoren über einen Schutzwiderstand von 1 kΩ oder RC= 0,1 s mit einer Häufigkeit von 1000 Zyklen bei einer Verweildauer von 30 Sekunden und einer Pause von fünf Minuten und 30 Sekunden angelegt werden darf, ohne dass es zu sichtbaren Schäden oder einer Kapazitätsänderung von mehr als 15 % kommt.

Die zulässige Spitzenspannung ist in der DIN/EN IEC 60384-1 festgelegt. Für Polymer-Aluminium-Elkos beträgt sie das 1,15fache der Nennspannung. Für Polymer-Ta-Elkos ist die Spitzenspannung mit dem 1,3fachen der Nennspannung spezifiziert. Jedoch kann für Elkos mit festem Elektrolyten die Spitzenspannung zu einer erhöhten Ausfallrate führen.^[49]^[50]^[51].

Transienten

Transienten sind schnelle Überspannungsspitzen. Sie können bei Polymer-Elektrolytkondensatoren Veränderungen im Oxid des Dielektrikums bewirken. Insbesondere Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren sind gefährdet. Die Veränderungen im Oxid können unter Umständen direkt zu einem Kurzschluss führen. ^[49]^[50]

Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind gegenüber Transienten deutlich geringer empfindlich^[26]^[27]. Der flüssige Elektrolyt zwischen den beiden Polymerschichten als Ionenleiter begrenzt die Spannungsspitzen, sofern die Impulse wenig Energie enthalten.

Umpolspannung (Falschpolung)

Polymer-Elektrolytkondensatoren, sowohl mit Aluminium- als auch mit Tantal-Anode, sind generell polarisierte Kondensatoren deren Anode mit positiver Spannung gegenüber der Kathode betrieben werden muss. Wird eine Umpolspannung an einem Polymer-Elektrolytkondensator angelegt, so beginnt, von einem typabhängigen Schwellenwert an ein Strom zu fließen. Dieser Strom fließt zunächst in lokalen Bereichen, in denen Verunreinigungen, Oxidbrüche oder Fehlstellen vorliegen. Obwohl es sich um sehr kleine Ströme handelt, entsteht dadurch lokal eine thermische Belastung, die zur Zerstörung der Oxidschicht führen kann. Eine längere Zeit am Polymer-Elektrolytkondensator anliegende Umpol- oder Falschpolspannung über den typabhängigen Schwellenwert hinaus führt unweigerlich zum Kurzschluss und somit zur Zerstörung des Kondensators.^[52]^[53].

Scheinwiderstand Z und Ersatzserienwiderstand ESR

Die mathematische Beschreibung dieser Begriffe unter Berücksichtigung der für Elektrolytkondensatoren geltenden Besonderheiten bei der Spezifikation in den jeweiligen Datenblättern siehe Elektrolytkondensator#Scheinwiderstand Z und Ersatzserienwiderstand ESR

Die Impedanz Z ist der Wechselstromwiderstand in einem Wechselstromkreis. In den Datenblättern von Polymer-Elektrolytkondensatoren wird die Impedanz nur als Scheinwiderstand, also nur dem Betrag der Impedanz angegeben. Für Polymer-Elektrolytkondensatoren ist die Messfrequenz der Impedanz 100 kHz. Der bei 100 kHz gemessene Impedanzwert entspricht meist dem 100 kHz ESR-Wert (Equivalent Series Resistance), dem Wert, in dem alle ohmschen Verluste des Kondensators zusammengefasst werden.

Typische Impedanzverläufe über die Frequenz von 100 µF-Elektrolytkondensatoren mit unterschiedlichen Elektrolyten im Vergleich mit einem 100 µF keramischen Klasse 2-MLCC-Kondensator.

Die Impedanz, bzw. der ESR von Polymer-Elektrolytkondensatoren ist, wie im obigen Bild gezeigt wird, stark abhängig vom verwendeten Elektrolyten. Im Bild gezeigt ist die Entwicklung der Impedanz und des ESR von den sog. „nassen“ Al-Elkos über Tantal-Elkos mit MnO₂-Elektrolyten, Al-Elkos mit TCNQ-Elektrolyten bis hin zu Tantal-Polymer-Elkos hin zu immer kleineren Werten. Dazu die Kurve eines keramischen Klasse 2-MLCC-Kondensators, zwar noch niedrigere Z und ESR Werte hat, dessen Kapazität jedoch stark spannungsabhängig ist.

Typische Impedanzverläufe über die Temperatur von Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten verglichen mit der Impedanz eines Al-Polymer-Elkos (rot)

Besonderheit der Polymer-Elektrolytkondensatoren gegenüber Al-Elkos mit flüssigem Elektrolyten ist die geringe Temperaturabhängigkeit und der nahezu lineare Verlauf des ESR über den gesamten spezifizierten Temperaturbereich. Dies gilt sowohl für Tantal-, Aluminium- als auch für Hybrid-Aluminium-Polymer-Elektrolytkondensatoren.

Die Impedanz, bzw. der ESR von Polymer-Elkos ist außerdem noch abhängig vom Aufbau und den Materialien des Kondensators. Gewickelte Kondensatoren weisen aufgrund ihres Aufbaus eine höhere Induktivität auf als Kondensatoren mit geschichteten Elektroden. Die quaderförmigen Al- und Ta-Polymerkondensatoren haben deshalb gegenüber zylindrischen Bauformen mit gleicher Kapazität einen Resonanzpunkt bei einer höheren Frequenz. Dieser Effekt wird noch verstärkt durch die Multi-Anodentechnik, bei der die Einzel-Induktivitäten durch Parallelschaltung verringert werden^[30]^[31] und die „face-down“-Bauform bei Ta-Polymerkondensatoren^[32], bei der konstruktiv die Leitungswege des Kondensators verkürzt werden, um die Induktivität ESL noch weiter herabzusetzen.

Strombelastbarkeit

Rippelstrom

Eine der Gleichspannung überlagerte Wechselspannung, die an einem Kondensator liegt, bewirkt in ihm Lade- und Entladevorgänge. Daraus resultiert ein Wechselstrom, der Rippelstrom I_R (Ripple current) genannt wird. Er fließt als Effektivwert über den ESR des Kondensators und hat frequenzabhängige elektrische Verluste P_{V el} zur Folge

P_{Vel}=I_{R}^{2}\cdot \ ESR

die ihn von innen heraus erwärmen und zu einer Temperaturerhöhung führen. Diese intern erzeugte Temperatur addiert sich mit eventuellen anderen Wärmequellen zur Betriebstemperatur des Kondensators, die sich dann um den Wert ΔT von der Umgebungstemperatur unterscheidet.

Diese Temperaturdifferenz ΔT wird als thermische Verlustleistung P_{V th} durch Wärmeleitung, -strahlung und -konvektion über die Oberfläche A und dem Wärme-Übergangswiderstand ß des Kondensators an die Umgebung abgeführt^[54]

P_{Vth}=\Delta T\cdot A\cdot \beta

Sind die elektrischen Verluste P_{V el} und die thermische Verlustleistung P_{V th} im Wärme-Gleichgewicht, dann errechnet sich die Temperaturdifferenz des Kondensators zur Umgebung aus:

ΔT = I_R² • ESR / A • β

Der Rippelstrom für Polymer-Elektrolytkondensatoren wird als 100 kHz-Effektivwert meist für eine Temperaturerhöhung des Kondensators von 2 bis 6 °C gegenüber der Umgebung bei der oberen Nenntemperatur angegeben.^[55] Für den Betrieb von Polymer-Elektrolytkondensatoren bei tieferen Temperaturen wird häufig ein höherer Effektivwert spezifiziert, bei Anwendungen im erweiterten Bereich der Kategorietemperatur reduziert sich der spezifizierte Rippelstrom. Da der ESR von Polymerkondensatoren frequenzabhängig ist und bei kleineren Frequenzen ansteigt, verringert sich der zulässige 100 kHz-Rippelstrom bei kleineren Frequenzen.

Da ein über den Kondensator fließender Rippelstrom zur Erwärmung des Bauelementes führt und die Temperatur des Kondensators die Ausfallrate beeinflusst, hat der Rippelstrom Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Kondensatoren. Für Hybrid-Polymer-Elektrolytkondensatoren beeinflusst der Rippelstrom außerdem die zu erwartende Lebensdauer der Kondensatoren.^[1]

Laden, Entladen, Einschaltstrom

Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren reagieren grundsätzlich empfindlich gegenüber hohen Stromspitzen (Current surge) bei Lade- oder Entladevorgängen oder hohen Einschaltströmen (Inrush current).^[49]^[50] Fehlstellen, winzigste mechanische Beschädigungen oder Verunreinigungen im Dielektrikum erwärmen sich bei sehr schnellen Änderungen des elektrischen Feldes stärker als das übrige Dielektrikum. Dadurch kann sich die Oxidstruktur punktuell von einer amorphen in eine kristalline Struktur verändern. Dieser Vorgang ist als "Feldkristallisation" bekannt, die unter Umständen direkt zu einem Kurzschluss führen kann. Aus diesem Grunde müssen bei Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren besondere Anwendungsregeln beachtet werden.^[56]^[8]^[57]

Für Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren und Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren müssen keine besonderen Anwendungsregeln beachtet werden. Durch eine Belastung mit Lade- und Entladeströmen oder häufigen Einschaltströmen darf allerdings der spezifizierte maximale Rippelstrom nicht überschritten werden.

Reststrom

Eine Besonderheit bei allen Elektrolytkondensatoren ist der sogenannte Reststrom I_leak (Leakage current), früher auch Leckstrom genannt. Der Reststrom eines Elektrolytkondensators ist der Gleichstrom, der ihn durchfließt, wenn eine Gleichspannung richtiger Polarität angelegt wird. Der Reststrom bei Polymer-Elkos wird verursacht sowohl durch Schwächungen des Dielektrikums, die durch chemische Lösungsprozesse während der Polymerisation des Polymers auftreten, als auch durch Fehlstellen durch Verunreinigungen und kleinste Brüche im Oxid des Dielektrikums verursacht durch vorangegangener Temperaturbelastung beim Löten. Der Reststrom ist kapazitäts-, spannungs- und temperaturabhängig.

Spezifiziert wird der Reststrom meist durch Multiplikation des Nenn-Kapazitätswertes C_R und der Nennspannung U_R, zu dem oft noch ein kleiner Festwert addiert wird. Hier zum Beispiel eine typische Reststromformel für Polymer-Al-Elkos:

I_{\text{Leak}}=0{,}04\,\mathrm {\frac {A}{V\cdot F}} \cdot C_{\mathrm {R} }\cdot U_{\mathrm {R} }+3\,\mathrm {\mu A}

Dieser Wert ist innerhalb einer vorgeschriebenen Messzeit von beispielsweise 2 Minuten zu erreichen bzw. zu unterschreiten.

Polymer-Elektrolytkondensatoren haben gegenüber Standard-Elkos relativ hohe Reststromwerte. Das liegt daran, das ein Polymer-Elektrolyt nach dem Polymerisieren keinen Sauerstoff für Ausheilvorgänge von Fehlstellen oder Oxidschwächungen mehr zur Verfügung stellen kann. Ausheilung von Fehlstellen kann lediglich über lokale Überhitzung und Verdampfen des Polymers erfolgen. Die Reststromwerte für Polymer-Elektrolytkondensatoren liegen zwischen 0,2 C_RU_R bis 0,04 C_RU_R, je nach Hersteller und Baureihe. Damit ist der Wert des Reststromes für Polymer-Elkos höher als bei den „nassen“ Elkos und auch höher als bei Tantal-Elkos mit MnO₂-Elektrolyten.

Der Nachteil des höheren Reststromes von Polymer-Elkos gegenüber anderen Elko-Familien wird bei den Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren konstruktionsbedingt verhindert. Bei diesen Hybrid-Elkos liefert der flüssige Elektrolyt den erforderlichen Sauerstoff zur Ausheilung von Fehlstellen im Oxid, so dass der Reststrom der Hybrid-Polymer-Elkos damit per Spezifikation die gleichen Werte erreicht wie bei nassen Al-Elkos oder bei Tantal-Elkos^[26]^[1].

Nachladeeffekt (dielektrische Absorption)

Die dielektrischen Absorption (lateinisch absorbere „absaugen, aufsaugen“) beschreibt die dielektrischen Eigenschaften eines Nichtleiters als Funktion der Frequenz.^[58] Bei Polymer-Elektrolytkondensatoren ist der Effekt einerseits für die dielektrischen Verluste bei Wechselspannungsbetrieb und andererseits für das Auftreten einer Spannung am Kondensator nach dem Abschalten und Entladen verantwortlich. Dieser Effekt wird auch Nachladeeffekt genannt.

Polymer-Tantal- und auch Aluminium-Elektrolytkondensatoren haben unterschiedlich große Werte für die Spannung, die nach dem Abschalten und Entladen durch die dielektrische Relaxation entstehen kann.

Kondensatortyp	Dielektrische Absorption
Tantal-Elektrolytkondensatoren	2 bis 3 %^[59], 10 %^[60]
Aluminium-Elektrolytkondensatoren	etwa 10 bis 15 %

Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Zuverlässigkeit (Ausfallrate)

Siehe auch: Aluminium-Elektrolytkondensator#Ausfallrate

Die Ausfallrate ist eine Kenngröße für die Zuverlässigkeit eines Bauelementes. Sie gibt an, wie viele dieser Bauelemente in einer Zeiteinheit durchschnittlich ausfallen und wird angegeben in Ausfall pro Zeiteinheit (1/Zeit) in der Einheit FIT (Failure In Time). Als Ausfälle gewertet werden sowohl Totalausfälle (Kurzschluss, Unterbrechung) als auch Änderungsausfälle (Überschreiten von Kennwerten). Die Ausfallrate ist abhängig von der Temperatur, der anliegenden Spannung, verschiedenen Umwelteinflüssen wie Feuchte, Stöße oder Vibrationen und von der Kapazität des Kondensators. Bei Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren wird die Ausfallrate auch noch vom Vorschaltwiderstand in der Schaltung beeinflusst. Ist die Ausfallrate konstant, dann ist der Kehrwert der Ausfallrate die mittlere Lebensdauer MTTF.

Die Ausfallraten von Polymer-Tantal- und Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden aus historisch gewachsenen Gründen in unterschiedlicher Schreibweise und mit unterschiedlichen Randbedingungen spezifiziert. Bei Tantal-Elkos wird die Ausfallrate "F_B" in "n % Ausfälle pro 1000 h" bei 85 °C, U = U_R bei einem Vorschaltwiderstand von 0,1 Ω/V angegeben. Bei Aluminium-Elkos wird die Ausfallrate λ in "n Ausfälle pro 10⁹ h" bei 40 °C und U = 0,5 U_R angegeben. Die Umrechnung dieser beiden unterschiedlich spezifizierten Ausfallraten, sofern die Hersteller nicht eigene Korrekturfaktoren spezifiziert^[48], könnte über Beschleunigungsfaktoren aus der IEC/EN 61709^[61] oder aus dem international weit mehr gebräuchlichen MIL HDKB 217F ^[62] erfolgen.

Beispiel einer Umrechnung für Tantal-Kondensatoren mit einer Basis-Ausfallrate von F_B = 0,1 %/1000 h (85 °C, U= U_R) in eine Ausfallrate λ bei 40 °C und U = 0,5 U_R.

Die Umrechnung von F_B auf λ erfolgt mit Korrekturfaktoren:

λ = F_V x F_T x F_R x F_B mit

F_U = Spannungs-Korrekturfaktor, für U = 0,5 U_R ist F_U = 0,1

F_T = Temperatur-Korrekturfaktor, für T = 40 °C ist F_T = 0,1

F_R = Korrekturfaktor für den Vorschaltwiderstand R_V, bei gleichem Wert = 1

F_B = spezifizierte Ausfallrate bei U = U_R, T = T_max, R_V = 0,1 Ω/V

Aus der spezifizierten Ausfallrate von F_B = 0,1 %/1000 h (85 °C, U = U_R) wird

F = 0,1 x 0,1 x 1 x 0,001/1000 h = 0,00001/1000 h = 1•10^-9/h = 1 FIT

Leider sind bislang für Polymer-Elektrolytkondensatoren die entsprechenden Beschleunigungsfaktoren noch nicht in den o. g. Normen enthalten, so dass aushilfsweise die Korrekturfaktoren von Ta- und Al-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten zur Umrechnung benutzt werden können.

Die von Herstellern genannten Ausfallraten für Polymer-Ta- und auch Polymer-Al-Elektrolytkondensatoren liegen im Bereich zwischen 0,5 bis 20 FIT. Damit liegt die Ausfallrate diese Bauelemente im Rahmen der üblicher Größenordnungen für elektronische Bauelemente.

Lebensdauer

Der Begriff „Lebensdauer“ im Zusammenhang mit Elektrolytkondensatoren wird im Allgemeinen nur mit „Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten“, den sog. „nassen“ Elkos, in Zusammenhang gebracht. Aus Gründen der völlig anderen Konstruktionsmerkmale wird der Begriff „Lebensdauer“ bei Tantal-Elektrolytkondensatoren nicht verwendet, auch nicht bei den Tantal-Elkos mir flüssigem Elektrolyten, da sie einen hermetisch dichten Verschluss besitzen. Deshalb finden sich Angaben zur Berechnung der Lebensdauer bei Betriebsbedingungen für Polymerkondensatoren nur für Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Für Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren spezifizieren die Hersteller keine spezielle Formel zur Berechnung der Betriebslebensdauer.

Die Lebensdauer (useful life, load life, service life) von Polymer-(Al)-Elektrolytkondensatoren wird von den Herstellern mit Hilfe von Dauerspannungsprüfungen (Endurance test) bei anliegender Nennspannung U_R und bei der oberen Nenntemperatur T_R ermittelt. Sie wird in Form einer Zeit/Temperatur-Angabe spezifiziert, beispielsweise: 2000 h/105 °C, 5000 h/105 °C oder 1000 h/125 °C und ist die mindest-Lebensdauer bei den maximalen Betriebsbedingungen. Nach Abschluss der Dauerspannungsprüfung darf sich der Kapazitätswert der getesteten Kondensatoren um maximal 20 % vom Anfangswert geändert haben und der ESR darf höchsten den doppelten Datenblattwert erreicht haben.

Die Lebensdauer der Polymer-Elkos ist nicht, wie bei den „nassen“Al-Elkos durch eine Verdunstung des Elektrolyten begrenzt. Bei Polymer-Elektrolytkondensatoren mit dem festem Polymer-Elektrolyten können sich die Eigenschaften der Kondensatoren durch Umgebungseinflüsse wie Luftfeuchte und durch thermische Degradation des Polymers mit Verminderung der Leitfähigkeit ändern.^[63]^[24] Durch diese Veränderungen können Änderungen der elektrischen Werte der Kondensatoren innerhalb der oben beschriebenen Grenzen erfolgen. Diese spezifizierten Änderungsgrenzen, deren Überschreitung zu einem Änderungsausfall führt, sind deutlich enger gesetzt als bei den „nassen“ Al-Elkos.

Ähnlich wie bei den „nassen“ Elkos gibt es für Polymer-(Al)-Elektrolytkondensatoren eine Formel zur überschlägigen Berechnung der zu erwartenden Lebensdauer bei anderen Betriebsbedingungen. Die Umrechnung der spezifizierten Lebensdauer auf andere Temperaturen im Betrieb erfolgt jedoch nicht nach der bei den nassen Elkos gebräuchlichen 10-Grad-Regel (Arrhenius-Regel, RGT-Regel), die eine Verdoppelung der Lebensdauer pro 10 °C Temperaturminderung ergibt, sondern üblicherweise durch eine 20-Grad-Regel^[10]^[64]^[65]^[66] :

L_{x}=L_{\text{Spec}}\cdot 10^{\frac {T_{0}-T_{A}}{20}}

L_x = zu berechnende Lebensdauer
L_Spec = Spezifizierte Lebensdauer (useful life, load life, service life)
T₀ = obere Grenztemperatur (°C)
T_A = Umgebungstemperatur (°C), besser Temperatur des Elko-Bechers

Nach dieser Formel errechnet sich die theoretisch zu erwartende Lebensdauer eines 2000 h/105 °C-Polymer-Elkos, der bei 65 °C betrieben wird mit etwa 640.000 h oder etwa 75 Jahre.

Für Hybrid-Polymer-Al-Elkos, die auch einen flüssigen Elektrolyten enthalten, gilt die 20-Grad-Regel nicht. Die zu erwartende Lebensdauer dieser Hybrid-Elektrolytkondensatoren kann nach der bekannten 10-Grad-Regel berechnet werden, siehe Aluminium-Elektrolytkondensator#Lebensdauer.

Ausfallursachen, Selbstheilung und Anwendungsregeln

Polymer-Tantal-Kondensatoren sind zuverlässige Bauelemente deren Ausfallrate auf dem gleichen niedrigen Niveau wie die anderer elektronischer Bauelemente liegt. Allerdings haben Tantal-Elektrolytkondensatoren, auch Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren, einen inhärenten Fehlermechanismus, die "Feldkristallisation"^[67]^[68]. Mehr als 90% der heute sehr selten gewordenen Ausfälle bei Tantal-Elektrolytkondensatoren werden durch die Feldkristallisation, die mit erhöhtem Reststrom oder Kurzschluss einhergeht, verursacht^[69].

Die extrem dünne dielektrische Oxidschicht bei Tantal-Elektrolytkondensatoren muss in einer amorphen Struktur ausgebildet werden. Ändert sich die amorphen Struktur des Oxids in eine kristalline Struktur so erhöht sich die Leitfähigkeit des Oxids um den Faktor 1000 und das Volumen des Oxids vergrößert sich^[70]^[71].

Diese Kristallisation des amorphen Oxids bewirkt in niederohmigen Schaltungen punktuell einen plötzlichen Anstieg des Reststromes von der Größenordnung Nanoampere in den Amperebereich innerhalb von wenigen Millisekunden. Es kommt zu einem punktuellen Durchschlag, der unterschiedliche Auswirkungen hat. Bei Tantal-Elektrolytkondensatoren mit Mangandioxid-Elektrolyten wird, wenn der Strom begrenzt ist, ein Selbstheileffekt durch Oxidation des leitfähigen Elektrolyten MnO₂ in das isolierende Mn₂O₃ auftreten. Dadurch wird der kristallisierte Bereich isoliert und abgeschaltet^[8]. Ist der Strom nicht begrenzt, wird durch die punktuelle Wärme am Durchschlagspunkt das MnO₂ zersetzt und liefert den Sauerstoff für eine Oxidation des Tantals der Anode, was sich als "Lawineneffekt" schnell über größere Flächen ausweiten und verschiedene Grade der Zerstörung erreichen kann. Es kann unter Umständen sogar zum Brand mit der vollständigen Oxidation des Tantal-Anodenmetalls kommen^[72]^[72]^[8].

An geschwächten Stellen im Oxid des Kondensators wird sich nach dem Anlegen einer Spannung ein örtlich begrenzter höherer Reststrom bilden, der zu einer lokalen Erhitzung des Polymers führt, wodurch das Polymer je nach Typ entweder oxidiert und hochohmig wird oder aber verdampft.

Bei Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren besteht die Gefahr des Brandes nicht. Zwar kann auch bei den Polymer-Tantal-Elkos Feldkristallisation auftreten, jedoch wird in diesem Fall die Polymerschicht punktuell erwärmt und weggebrannt. Die Fehlstelle wird isoliert. Da das Polymermaterial keinen Sauerstoff liefern kann, wird lediglich der Bereich um die Fehlstelle freigestellt und trägt nicht mehr zur Kapazität des Kondensators bei.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren kennen keinen inhärenten Ausfallmechanismus. Ausfälle bei den „nassen“ Elkos mit einem Bersten des Gehäuses im Falle eines massiven Kurzschlusses beruhen auf der Bildung von Wasserstoffgas im flüssigen Elektrolyten. Bei Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird wie bei den Polymer-Tantal-Elkos eine Fehlstelle im Oxid des Dielektrikums punktuell erwärmt, weggebrannt und isoliert.

Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren besitzen sowohl auf dem Oxid des Dielektrikums als auch auf der dünnen Oxidschicht auf der Kathodenfolie jeweils eine Schicht des leitfähigen Polymers, die mit einem flüssigen Elektrolyten leitend miteinander verbunden sind. Im Falle einer Fehlstelle im Dielektrikum wird auch hier punktuell das Polymer weggebrannt. Durch diese Öffnung in der Polymerschicht kann dann aber der flüssige Elektrolyt an die Fehlstelle gelangen und durch Lieferung von Sauerstoff mit Nachformierung des Oxids eine Selbstheilung bewirken.

Für Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren und Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren müssen keine besonderen Anwendungsregeln beachtet werden. Durch eine Belastung mit Spitzenströmen oder Impulsströmen darf allerdings der spezifizierte maximale Rippelstrom nicht überschritten werden.

Die unterschiedlichen Auswirkungen von Fehlstellen in den Dielektrika der unterschiedlichen Kondensatorarten führen zu unterschiedlichen Anwendungsregeln für diese Kondensatoren. Die folgende Tabelle zeigt die Zusammenhänge bei diesen unterschiedlichen Kondensatorarten. Zum Vergleich sind die Anwendungsregeln für Tantal-Elkos mit MnO2-Elektrolyten mit aufgeführt.

Ausfallmechanismen, Selbstheilmechanismen und Anwendungsregeln für die unterschiedlichen Elektrolytkondensatorarten.
Elektrolyt- kondensator- art	Ausfall- mechanismus	Selbstheil- mechanismus	Anwendungsregel
MnO₂- Tantal-Elektrolytkondensator	Feldkristallisation ^[72]^[70]	Isolierung von Fehlstellen durch Oxidation von MnO₂ in isolierendes Mn₂O₃ bei Strombegrenzung	Spannungsminderung 50 %, Vorschaltwiderstand 3 Ω/V ^[48]^[73]
Polymer- Tantal-Elektrolytkondensator	Feldkristallisation ^[72]^[70]	Isolierung von Fehlstellen durch Oxidation oder Verdampfen des Polymer-Elektrolyten	Spannungsminderung 20 % ^[48]^[73]
Polymer- Aluminum-Elektrolytkondensator	Nicht bekannt	Isolierung von Fehlstellen durch Oxidation oder Verdampfen des Polymer-Elektrolyten	Lebensdauer-Berechnung 20-Grad-Regel^[10]^[65]
Hybrid-Polymer- Aluminium- Elektrolytkondensator	Nicht bekannt	Isolierung von Fehlstellen durch Oxidation oder Verdampfen des Polymer-Elektrolyten sowie Selbstheilung durch Neubildung von Anodenoxid	Lebensdauer-Berechnung 10-Grad-Regel^[74]^[75]

Zusätzliche Informationen

Normung

Die Bedingungen für die Prüfungen und Messungen der elektrischen Parameter der Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind festgelegt in der Fachgrundspezifikation:

DIN EN/IEC 60384-1 (VDE 0565-1), Festkondensatoren zur Verwendung in Geräten der Elektronik

sowie in den Rahmenspezifikationen:

IEC/DIN EN 60384-24 - Oberflächenmontierbare Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren mit leitfähigem Polymerfestkörper-Elektrolyten
IEC/DIN EN 60384-25 - Oberflächenmontierbare Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit leitfähigem Polymerfestkörper-Elektrolyten
IEC/DIN EN 60384-26 - Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit leitfähigem Polymerfestkörper-Elektrolyten

Schaltzeichen

Die elektrischen Schaltzeichen von Elektrolytkondensatoren sind genormt nach IEC/DIN/EN 60617-4.

Schaltzeichen - geltende Versionen


Elektrolyt- kondensator IEC-Version	Elektrolyt- kondensator US-Version

Schaltzeichen - ältere DIN-Versionen

In älteren Veröffentlichungen wurde im Schaltzeichen des gepolten Elektrolytkondensators der Pluspol (Anode) durch ein hohles Rechteck gekennzeichnet, der Minuspol (Kathode) durch ein ausgefülltes Rechteck.

Kennzeichnung der Polarität

Kennzeichnung der Polarität an Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren
Bei der V-Chip-Bauform und bei der radialen Bauform ist der Minus-Anschluss durch eine Farb-Markierung gekennzeichnet.
Bei der quaderförmigen SMD-Bauform ist der Plus-Anschluss durch eine Farb-Markierung gekennzeichnet.

Die Polaritätskennzeichnung bei Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist uneinheitlich und kann zu Verwechslungen führen.

Vor- und Nachteile

Vorteile von Polymer-Elkos gegenüber „nassen“ Elkos:

deutlich geringere ESR-Werte.
deutlich höhere Rippelstrombelastbarkeit
deutlich besseres Tieftemperaturverhalten, der Scheinwiderstand und der ESR sind bei −40 °C nur etwa 2fach höher als bei Raumtemperatur.
keine durch Verdunstung begrenzte Lebensdauer.
Polymer-Al-Elkos können nicht explodieren oder brennen.

Nachteile von Polymer-Elkos gegenüber „nassen“ Elkos:

teurer als „nasse“ Al-Elkos.
höherer Reststrom
empfindlich gegenüber Transienten und Überspannungsspitzen.

Vorteile von Hybrid-Polymer-Elkos

Hybrid-Polymer-Elkos sind preiswerter als Polymer-Elkos.
Der Reststrom von Hybrid-Polymer-Elkos ist niedriger als von Polymer-Elkos.
Hybrid-Polymer-Elkos sind unempfindlich gegenüber Transienten und Überspannungsspitzen

Nachteil von Hybrid-Polymer-Elkos

Hybrid-Polymer-Al-Elkos haben eine durch Verdunstung begrenzte Lebensdauer

Vorteile von Polymer-Elkos gegenüber MLCC

keine Abhängigkeit der Kapazität von der anliegenden Spannung
kein Mikrophonie-Effekt
höhere Kapazitätswerte möglich

Weblinks von Herstellern von Polymer-Al-Elkos

*Weltweit operierende Hersteller von Polymer-Elektrolytkondensatoren und deren Produktprogramm*
Hersteller	Polymer Tantal- Elektrolyt- kondensatoren	Polymer Aluminium- Elektrolytkondensatoren
Hersteller	SMD Quaderförmig	SMD Quaderförmig	zylindrisch bedrahtet	zylindrisch V-Chip	Hybrid zylindrisch
AVX	X	-	-	-	-
CapXon	-	-	X	X	-
CDE Cornell Dubilier	X	-	-	-	X
Elite	-	-	X	X	-
Elna	-	-	-	X	-
Illinois	-	X	X	-	-
Jianghai	-	-	X	X	-
KEMET	X	X	-	-	-
Lelon	-	-	X	X	-
Matsuo	X	X	-	-	-
Murata	-	X	-	-	-
Nippon Chemi-Con	-	-	X	X	X
NIC	X	-	X	X	X
Nichicon	-	X	X	X	-
Panasonic	X	X	X	X	X
ROHM	X	-	-	-	-
Rubycon	-	X	-	-	-
Samsung	X	-	-	-	-
Samwha	-	-	-	-	X
Sun Electronic (Suncon)	-	-	-	-	X
Teapo/Luxon	-	-	X	X	-
Vishay	X	-	-	-	-
Yageo	-	-	X	-	-

Datum der Tabelle: Juli 2015

Siehe auch

Literatur

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