Richi´s Lab

Murata ATSC Silizium-Kondensator

ATSC Si-Cap

ATSC Si-Cap

Murata hat eine Reihe von Silizium-Kondensatoren im Programm. Im Vergleich zu konventionellen MLCCs sind Silizium-Kondensatoren sehr viel teurer. Der hier vorliegende 935174732547 stammt aus der Modellreihe ATSC und bietet 47nF/30V in einem 0505-Gehäuse (1,32mm x 1,32mm) mit einer Höhe von nur 0,25mm. Mouser berechnet im Moment 4,16€/Stück exkl. MwSt. bei einer Abnahme von 1000 Stück (Januar 2022).

Silizium-Kondensatoren bieten einige Vorteile gegenüber konventionellen MLCCs. Ein wichtiger Punkt ist die hohe Temperaturfestigkeit. Die ATSC-Reihe ist bis 200°C freigegeben. Möglich sind bis zu 250°C (XTSC-Modellreihe). Über den Betriebstemperaturbereich und den Betriebsspannungsbereich ändern sich die Eigenschaften der Kondensatoren kaum. Alterungseffekte sind ebenfalls vernachlässigbar. Die spezielle Struktur bietet hohe Kapazitäten auf kleinstem Raum. Das größte Modell der ATSC-Reihe befindet sich in einem 1616-Gehäuse (4,07mm x 4,07mm x 0,25mm) und wird mit 1µF/30V spezifiziert. Silizium-Kondensatoren besitzen außerdem sehr niedrige ESL- und ESR-Werte und eigenen sich entsprechend gut für Hochfrequenzanwendungen. Die XBSC-Modellreihe garantiert 100pH/300mΩ und ist spezifiziert bis 100GHz. Der Isolationswiderstand bewegt sich im GΩ-Bereich.

Beim hier vorliegenden Modell ist gut zu erkennen, dass die oberen zwei Bondpads mit der oberen Metalllage und die unteren beiden Bondpads mit der unteren Metalllage verbunden sind. Die restliche Fläche ist ausgefüllt mit den speziellen Kondensatorstrukturen.

 

ATSC Si-Cap Detail

Die Zeichen EJ05055473 sind laut der Murata Assembly Note der "die name". Wie das zu verstehen ist wird nicht weiter beschrieben. Die Zahlen 547 finden sich in der Modellbezeichnung wieder.

 

Murate Assembly Note

Die Murata Assembly Note zeigt außerdem, wie der Kondensator in eine Schaltung eingebunden werden kann. Die ATSC-Modellreihe ist dafür ausgelegt mit Bonddrähten kontaktiert zu werden. Es sind ebenso SMD-Kondensatoren verfügbar. Auch die Integration in eine Platine ist ein mögliches Anwendungsgebiet.

 

Si-Cap Paper

Auf der Murata-Seite findet sich das Dokument "Silicon Capacitors with extremely high stability and reliability ideal for high temperature applications", das den Aufbau und die Eigenschaften der Silizium-Kondensatoren genauer beschreibt. Genutzt wird die Technik mit der Deep Trench MOSFETs hergestellt werden. Die Grundlage bildet ein Feld aus zylindrischen Löchern, die im Verhältnis zu ihrem Durchmesser sehr tief sind. Eine über die gesamte Fläche aufgetragene stark n-dotierte Schicht bildet die unter Elektrode (blau). Es folgt das Dielektrikum (grün) und eine weitere stark n-dotierte Schicht, die die obere Elektrode darstellt (rot). Die Löcher erhöhen die wirksame Fläche sehr stark. In Kombination mit dem geringen Abstand zwischen den Löchern ergeben sich sehr hohe Kapazitäten.

Nutzt man ein Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, so lassen sich laut dem obigen Dokument Kapazitätsdichten von bis zu 550nF/mm² erreichen (Vmax=11V). Murata gibt an, dass Silizium-Kondensatoren mit Spannungsfestigkeiten bis zu 450V verfügbar sind. Die Kapazitätsdichte sinkt dann entsprechend. Für 150V sind 6nF/mm² dokumentiert.

 

Murata Si-Cap 3D structure

Murata zeigt auf seiner Webseite, dass mittlerweile nicht nur mit den klassischen Trenches gearbeitet wird, sondern 3D-Strukturen zum Einsatz kommen. Die vergrößerte Oberfläche macht es möglich die Kapazitätsdichte weiter zu erhöhen.

 

ATSC Si-Cap Detail

ATSC Si-Cap Detail Analyse

Der Kondensator besteht aus 210 Teilbereichen. Dem Anschein nach kontaktiert die obere Metalllage über kurze vertikale Streifen der unteren Metalllage die unteren Elektroden der einzelnen Kondensatorbereiche. Die untere Metalllage kontaktiert großflächig die obere Elektrode. Das Muster in dieser Fläche entsteht durch die Vertiefungen, die die wirksame Oberfläche erhöhen.

Seitlich befindet sich ein Substrat-Kontakt. Man kann Silizium-Kondensatoren auch mit drei Elektroden aufbauen, was die Kapazitätsdichte weiter erhöht. In diesem Fall stellt der oberste Bereich des Substrats die dritte Elektrode dar. Es scheint aber unwahrscheinlich, dass das hier der Fall ist. Die Aufteilung der Kapazität auf 210 Teilbereiche reduziert die Kapazitätsdichte, sie reduziert aber auch ESL und ESR. Es wäre nicht sinnvoll eine dritte Elektrode dann nur über einen einfachen seitlichen Kontakt anzubinden, was ESL und ESR wieder verschlechtern würde. Wahrscheinlich sorgt der seitliche Kontakt lediglich dafür, dass sich das Substrat auf einem definierten Potential befindet.

 

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