Ein aktuelles Smartphone enthält rund tausend Kondensatoren, ein Elektroauto mehrere Tausend – fast alle davon sind MLCCs, Multilayer Ceramic Capacitors. Die kleinen Quader mit verzinnten Enden sitzen neben jedem Versorgungspin, am Ein- und Ausgang jedes Schaltreglers und an jedem Quarz. Sie sind billig, robust gegen Verpolung und haben einen winzigen Innenwiderstand. Dass du sie trotzdem nicht einfach nach dem aufgedruckten Wert auswählen kannst – es gibt nämlich keinen –, liegt an ein paar Eigenheiten, die dieser Artikel erklärt. Die Werkstoffe C0G, X7R und Co. selbst sind unter Keramikkondensator beschrieben.
Aufbau und Funktionsweise
Ein MLCC entsteht aus hauchdünnen, ungebrannten Keramikfolien. Auf jede Folie wird eine Elektrode aus Metallpaste gedruckt, meist Nickel. Die Folien werden so gestapelt, dass die Elektroden abwechselnd zur linken und zur rechten Stirnseite reichen – wie zwei ineinandergeschobene Kämme. Danach wird der Block gepresst, in einzelne Chips gesägt und bei weit über 1000 °C gesintert. Zuletzt bekommen die Stirnseiten ihre Außenanschlüsse: eine eingebrannte Kupferschicht, darüber Nickel als Sperre und Zinn zum Löten.
Elektrisch sind damit viele Plattenkondensatoren parallelgeschaltet, und ihre Kapazitäten addieren sich (siehe Parallelschaltung von Kondensatoren). Mit n Elektroden gilt näherungsweise:
Dabei ist A die Fläche, auf der sich benachbarte Elektroden überlappen, und d die Dicke einer Keramikschicht.
Weil die Schichten so dünn sind, ist die Feldstärke im Dielektrikum enorm: 5 V an 1 µm sind 5 kV/mm. Genau das ist die Ursache des wichtigsten Effekts bei Klasse-2-MLCCs.
Schaltzeichen
Ein MLCC hat kein eigenes Symbol: Er wird als ungepolter Kondensator mit zwei parallelen Strichen gezeichnet, siehe Kondensator und Schaltzeichen. Im Schaltplan sollte neben dem Wert auch Dielektrikum, Spannung und Bauform stehen, denn das Symbol allein unterscheidet nicht zwischen C0G und Y5V.
Kapazität unter Gleichspannung (DC-Bias)
Bei ferroelektrischer Keramik (X7R, X5R, Y5V) sinkt εr, wenn ein starkes Gleichfeld anliegt. Die Kapazität eines Klasse-2-MLCCs hängt daher von der Spannung ab, an der er betrieben wird. Das Datenblatt nennt die Kapazität bei 0 V Gleichspannung; in der Schaltung liegen aber 3,3 V, 5 V oder 12 V an. Je höher die Feldstärke, desto stärker der Einbruch – also bei kleinen Gehäusen mit hoher Kapazität (dünne Schichten) besonders deutlich. Klasse 1 (C0G) zeigt den Effekt nicht.
Die genauen Kurven liefern die Hersteller in ihren Online-Werkzeugen und Datenblättern. Für die Auslegung zählt immer die effektive Kapazität im Arbeitspunkt, nicht der Nennwert.
Kennwerte im Datenblatt
Am Beispiel eines Allerweltstyps, eines 100-nF-Chips in 0603 mit X7R und 50 V (etwa Murata GRM188R71H104KA93):
| Kennwert | Wert |
|---|---|
| Kapazität, Toleranz | 100 nF ±10 % (K) |
| Nennspannung | 50 V |
| Dielektrikum, Temperaturbereich | X7R, −55 … +125 °C, ±15 % |
| Abmessungen | 1,6 × 0,8 × 0,8 mm |
| Verlustfaktor tan δ | höchstens 2,5 % |
| ESL (typisch für 0603) | etwa 0,5–1 nH |
| Eigenresonanz | im Bereich von 15–25 MHz |
| ESR an der Resonanz | einige 10 mΩ |
Weil die Innenelektroden kurz und breit sind, haben MLCCs einen viel kleineren ESR als Elkos und eine kleine ESL. Deshalb wirken sie bis in den zweistelligen MHz-Bereich (siehe kapazitiver Blindwiderstand). Ein Teil der Induktivität steckt allerdings nicht im Bauteil, sondern in Pads, Leiterbahnen und Vias.
Baugrößen
Die Bezeichnung nennt Länge und Breite – in Europa und den USA meist in Hundertstel Zoll, bei japanischen Herstellern oft in Zehntelmillimetern. Diese Doppelung ist eine klassische Fehlerquelle: „0603“ metrisch ist das winzige 0201 in Zoll.
| Zoll-Code | metrischer Code | Maße (mm) | typische Kapazität X7R/X5R bis etwa |
|---|---|---|---|
| 0201 | 0603 | 0,6 × 0,3 | 1 µF |
| 0402 | 1005 | 1,0 × 0,5 | 10 µF |
| 0603 | 1608 | 1,6 × 0,8 | 22 µF |
| 0805 | 2012 | 2,0 × 1,25 | 47 µF |
| 1206 | 3216 | 3,2 × 1,6 | 100 µF |
| 1210 | 3225 | 3,2 × 2,5 | 100 µF und mehr |
Die Höchstwerte gelten für niedrige Nennspannungen (4 bis 10 V) und schmelzen unter DC-Bias stark zusammen. Daneben gibt es Sonderbauformen: Reverse-Geometry-Chips wie 0306 mit den Anschlüssen an den Längsseiten (kleinere ESL), Dreipol-Kondensatoren zur Entstörung, Soft-Termination-Typen mit nachgiebiger Zwischenschicht gegen Biegerisse und Typen nach AEC-Q200 für Fahrzeuge. Bedrahtete Vielschichtkondensatoren enthalten innen ebenfalls einen MLCC-Chip.
Typische Anwendungen
- Abblocken an ICs: 100 nF in 0402 oder 0603 direkt am Pin, ergänzt durch 1–10 µF pro Versorgungsschiene.
- Ein- und Ausgang von Schaltreglern: Mehrere 10–22 µF fangen den Rippelstrom ab. Ihr winziger ESR ergibt kleine Restwelligkeit; manche älteren Linearregler werden mit so wenig ESR allerdings instabil (siehe LDO-Regler). Die Grundgrößen eines Schaltreglers rechnest du mit dem Schaltregler-Rechner aus.
- HF und Filter: C0G-MLCCs in Anpassnetzwerken, Filtern und als Lastkondensatoren am Quarz.
- Entstörung von Leitungen: kleine Werte an Steckverbindern, um hochfrequente Störungen nach Masse abzuleiten (siehe EMV).
Auswahl und Praxistipps
Wähle zuerst das Dielektrikum (C0G für genaue Werte, sonst X7R), dann die Nennspannung mit Reserve, prüfe die effektive Kapazität im Arbeitspunkt und entscheide zuletzt die Baugröße. 0402 und 0603 sind heute Standard; 0201 und kleiner lohnt sich nur bei echtem Platzmangel, weil Handlöten und Inspektion schwierig werden.
Häufige Fehler:
- Nennwert statt effektiver Kapazität: Der Regler schwingt oder die Restwelligkeit ist zu hoch, weil vom 10-µF-Chip unter Spannung nur 3 µF übrig sind.
- Biegerisse: Keramik ist spröde. Biegt sich die Platine beim Nutzentrennen, Einschrauben oder beim Stecken eines Steckers, reißt der Chip unter einem Anschluss schräg ein. Der Riss kann später einen Kurzschluss bilden – bei einem MLCC direkt an der Batterie ein Brandrisiko.
- Zu nah an der Kante: Halte Abstand zu Bruchkanten, Schraublöchern und Steckern und richte den Chip parallel zur Bruchlinie aus.
- Lange Anbindung: Eine dünne Leiterbahn zum Via und weiter zur Massefläche macht aus dem 100-nF-Chip eine Spule. Pads direkt per Via an die Fläche anbinden.
- Thermoschock beim Handlöten: Große Chips (1206 und größer) mit dem Lötkolben einseitig schnell zu erhitzen, kann Mikrorisse erzeugen. Langsam vorwärmen.
Selbsttest
Warum steigt die Kapazität eines MLCC mit der Zahl der Schichten?
Die Schichten sind über die kammartigen Innenelektroden parallelgeschaltet; ihre Kapazitäten addieren sich.
Was beschreibt der DC-Bias-Effekt?
Bei Klasse-2-Keramik sinkt die Kapazität, wenn eine Gleichspannung anliegt – umso stärker, je dünner die Schichten, also je kleiner das Gehäuse bei gleicher Kapazität.
Welche Maße hat ein Chip mit dem Zoll-Code 0805?
Etwa 2,0 × 1,25 mm, metrisch 2012.
Ein MLCC hat ESL 0,6 nH und 1 µF. Wo liegt seine Eigenresonanz?
f = 1 / (2π · √(0,6 nH · 1 µF)) ≈ 6,5 MHz.
Warum solltest du MLCCs nicht dicht an die Bruchkante eines Nutzens setzen?
Beim Trennen biegt sich die Platine, die spröde Keramik reißt unter dem Anschluss und kann später einen Kurzschluss bilden.