Mikroelektronische Kondensatoren

3.2.4.1 Technologiebeschreibung

Kondensatoren dienen der Speicherung von elekt-rischer Ladung und werden u. a. zur Aufrechterhal-tung eines gleichmäßigen Stromes in Integrierten Schaltkreisen (ICs) verwendet. Der Trend zur Mini-aturisierung in der Mikroelektronik begünstigt kom-pakte Bauformen und damit indirekt Dielektrika in Kondensatoren mit einer hohen Dielektrizitätszahl.

Eine wichtige Unterscheidungslinie sind elektrolyt- und keramikbasierte Kondensatortechnologien. Es gibt Elektrolytkondensatoren mit Aluminium-, Tan-tal- oder Niob-Elektroden. TanTan-tal-Elektrolytkonden- Tantal-Elektrolytkonden-satoren erreichen die höchste Ladungsdichte pro Volumen, während keramikbasierte Kondensato-ren die günstigsten sind. ElektrolytkondensatoKondensato-ren mit Ta2O5 als Dielektrikum sind schon 50 bis 60 Jahre auf dem Markt. In den 1980ern wurden die ersten für die Oberflächenmontage (SMD) geeig-neten Bauteile eingeführt. Die extrem zyklischen Marktentwicklungen mit entsprechenden Preis- und Verfügbarkeitsthemen sowie ethische Beden-ken hinsichtlich des Konfliktmaterials Tantal haben seit ca. 2007 Substitutionsbemühungen hervorge-rufen (ZVEI 2019). So haben Multi-Layer-Ceramic-Capacitors (MLCCs) durch technische Verbesse-rungen sowie damit einhergehende ErweiteVerbesse-rungen des Anwendungsspektrums Tantalkondensatoren in vielen Anwendungen, vor allem in tragbaren IKT-Endgeräten, ersetzt (rosKill 2018; zedniceK 2019;

ZVEI 2019). Allerdings hat vermutlich die hohe Innovationsdynamik der Branche bereits zu einer hohen Ausschöpfung des Substitutionspotenzials geführt (dAMM 2018).

Abb. 3.32 zeigt Applikationsbeispiele verschiede-ner Kondensatortechnologien in Abhängigkeit von der Spannung und Kapazität.

Im Leistungsbereich von tantalbasierten Elektro-lytkondensatoren, also Niederspannung mit mitt-lerer Kapazität, gibt es insbesondere Überlappun-gen mit niobbasierten Elektrolytkondensatoren, aber auch mit aluminiumbasierten Elektrolytkon-densatoren und KeramikkonElektrolytkon-densatoren.

Im Folgenden sind Aufbau und Funktionsweise der beiden Haupttypen tantal-/niobbasierte Elek-trolytkondensatoren (Abb. 3.33) und MLCC (Abb.

3.34) beschrieben.

Die relative Dielektrizitätskonstante von Ta2O5

liegt bei 27, die von Nb2O5 bei 41. Die größere Dielektrizitätskonstante von Nb2O5 wird aller-dings durch die größere Dicke der Oxidschicht mehr als kompensiert, so dass die Bauformen mit Tantal kompakter ausgelegt werden können.

Beim Tantal-Elektrolytkondensator (Ta-Kondensa-tor) besteht die Anode aus Tantal, auf dem durch anodische Oxidation eine gleichmäßige, dielektri-sche Schicht aus Tantalpentoxid erzeugt wurde.

Ein flüssiger bzw. fester Elektrolyt wie Braunstein

(Mangandioxid) bildet die Kathode. Bei Polymer-kondensatoren ersetzt ein leitendes Polymer (Polypyrrole (PPy) oder Polythiophene (PEDOT)) das Elektrolyt (AVnet AbAcus 2020).

Im Vergleich von Tantal- mit Niobkondensatoren zeigen sich folgende Eignungspräferenzen (zed

-niceK 2006):

– Tantalkondensatoren mit MnO2-Elektrode sind für Anwendungen bei hohen Temperaturen (bis 200 °C), hohen Spannungen (bis 50 V) und Zuverlässigkeitsanforderungen geeignet.

Deshalb wird man sie insbesondere in Seg-menten mit hohem Qualifizierungsaufwand beispielsweise in der kommerziellen und militärischen Luft- und Raumfahrt, in Medi-zinanwendungen sowie in Teilbereichen der Industrieelektronik finden (ZVEI 2019).

100 kV

10 kV

1 kV

100 V

Spannung

Kapazität 10 V

1 V1 pF 1 nF 1 μF 1 mF 1 F 1 kF 1 MF

Keramik-Kondensatoren Kunststoff-Folien-Kondensatoren Leistungs-Kondensatoren

Tantal-Kondensatoren mit festem Elektrolyten Al-Elektrolyt-Kondensatoren

Doppelschicht-Kondensatoren

Abb. 3.32: Applikationsbeispiele verschiedener Kondensatortechnologien (Quelle: Elcap, Cepheiden, Wikimedia)

Lötung Gesinterte und

oxidierte Tantalanode Schweißung

Tantal-draht Isolier-scheibe

Anoden-anschluss

Umpresstes Gehäuse

Kathoden-anschluss Mangandioxid

Graphit Silber

Abb. 3.33: Aufbau eines tantal-/niobbasierten Elektrolytkondensators

(Quelle: Elcap, Wikimedia)

– In den Jahren vor 2000 wurden von verschie-denen Herstellern Kondensatoren mit einem leitfähigen Polymer als Kathodenmaterial entwickelt (Polymerkondensatoren). Hierbei wurde das bislang verwendete Mangandioxid (MnO2) durch ein leitfähiges Kunststoffmate-rial substituiert (ZVEI 2019). Tantalkonden-satoren mit Polymerelektrode eignen sich für Anwendungen mit geringeren elektrischen Anforderungen wie DC/DC-Konvertern in Notebooks, PDA, Telekommunikation und anderen Anwendungen (ZVEI 2019).

– Nioboxidkondensatoren sind eine Alternative zu Tantalkondensatoren mit gutem Preis-Leis-tungsverhältnis. Wegen ihrer Zuverlässigkeit werden sie nicht nur im Consumer-, sondern auch im High-End-Segment benutzt. Niob-kondensatoren sind derzeit allerdings noch in ihrer Spannungsfestigkeit beschränkt (stenzel 2021). stenzel (2021) geht daher davon aus, dass Niob Tantal nicht großflächig verdrängen wird, u. a. aufgrund der limitierten Anzahl an Herstellern.

Ein MLCC-Kondensator besteht aus einer Viel-zahl von einzelnen Keramikkondensatoren, die übereinandergeschichtet und über die Anschluss-flächen kontaktiert werden. Ausgangsmaterial aller MLCCs ist ein feingemahlenes Gemisch ferroelektrischer Grundstoffe wie Bariumtitanat

(BaTiO3), modifiziert durch Beimengungen von Zirkonium, Niob, Magnesium, Kobalt und Stron-tium, aus denen Folien hergestellt werden. Diese werden dann durch Elektrodendruck, Laminieren, Sintern usw. weiterverarbeitet. Dabei stellen die Zusammensetzung und Größe der Pulverpartikel ein wichtiges Know-how der Hersteller von Kera-mikkondensatoren dar.

Hinsichtlich des Elektrodenmaterials von MLCCs haben Silber-Palladium-Elektroden gegenüber Nickelelektroden und Kupferelektroden an Markt-anteilen eingebüßt. Der Marktanteil von Pd-basierten MLCCs hat von ca. 85 % in der Mitte der 1990er Jahre bis zu 10 – 15 % in den späten 2000er-Jahren abgenommen (nAssAr 2015).

Palladium in MLCCs wird heutzutage nur noch in high-end-Produkten im Automobil-, Medizin- und Militäranwendungen verwendet, so dass hier sogar ein schmaler Rückgang der Nach-frage aus dem Elektroniksektor zu beobachten war (JM 2019). Im Vorgängerbericht „Rohstoffe für Zukunftstechnologien“ (MArscheider-Wei

-deMAnn et al. 2016) wurde noch angenommen, dass 50 % der MLCC-Kondensatoren AgPd-Elek-troden besitzen. Somit war in der Prognose von 2016 von allen für MLCC benutzten Materialien nur die prognostizierte Palladiummenge im Jahr 2035 signifikant im Vergleich zur Weltproduktion im Jahr 2013. Da heutzutage MLCC mit AgPd-Elektrode nur in Spezialanwendungen verwen-det werden, werden in diesem Update für MLCC keine Bedarfsszenarien erstellt. Zudem fielen in den Prognosen auch Silber und Mangan aus Ta-Kondensatoren bzw. Niob aus Nb-Ta-Kondensatoren nicht ins Gewicht, so dass in diesem Bericht nur Tantal in Tantalkondensatoren betrachtet wird.

3.2.4.2 Rohstoffinhalt

Nach Untersuchungen der Deutschen Rohstoff-agentur (DERA) wurde für einen Tantalkondensa-tor mit den Abmessungen 3,9 mm x 3,1 mm x 2,3 mm (L x B x H) ein Tantalgehalt von 53 Gew.-%

ermittelt. Es wurden jedoch nur zwei Messungen vorgenommen, demzufolge ist der Wert nicht als stellvertretend anzusehen (booKhAgen et al.

2018). Weitere Analysen von Tantalkondensa-toren aus Smartphones mit den Abmessungen 2 mm x 1,25 mm x 1 mm (L x B x H) ergaben einen Tantalgehalt von maximal 40 Gew.-% pro Kondensator (reinhold 2020). Dieser Wert vali-MLCC-Elektroden-Versionen

Anschluss-fläche

Elektrode NME = AgPd BME = NiCu Keramik

Anschluss-Metallisierung NME BME 1) Elektrodenkontaktierung Ag Cu

2) Sperrschicht Ni Ni

3) Äußere Anschlussfläche Sn Sn NME = Noble Metal Electrode

BME = Base Metal Electrode

2. 3.

1.

Abb. 3.34: Aufbau eines keramischen Vielschichtkondensators MLCC (Quelle: Elcap, J. Both, Wikimedia)

diert den Maximalgehalt von 42,6 Gew.-% Tantal pro Kondensator (ZVEI 2003).

Da es keine öffentlich verfügbaren Marktzahlen zu den Umsätzen des Kondensatormarktes gibt (gemessen in verkauften Kondensatoren) und die Schwankungsbreite von Tantalmenge pro Kon-densator auch aufgrund der unterschiedlichen Größen bzw. Kapazitäten sehr hoch ist, wird die Menge über das verkaufte „Cap-grade Ta powder“

abgeschätzt, wobei nicht alle Hersteller in der Sta-tistik vom „Tantalum-Niobium International Study Centre“ (TIC) vertreten sind. TIC (2020b) gibt an, dass 2018 573 t „Cap-grade Ta powder“ verkauft worden sind. Allerdings gab es im Jahr 2018 eine Verknappung von MLCC Kondensatoren (stenzel

2021) und somit eine höhere Nachfrage nach Ta-Kondensatoren, so dass die verkaufte Menge in 2018 eher hoch ist. Die Zahlen schwanken sehr.

Deswegen wird im Rahmen dieser Studie davon ausgegangen, dass auf Basis der Zahlen des (TIC 2020b) die Nachfrage im Schnitt um 3,1 % seit 2009 gewachsen ist. Wenn man die 475 t „cap-grade Ta powder“ im Jahr 2009 als Bezugsjahr nimmt (TIC 2020b), wurden im Jahr 2018 ca. 630 t

„Cap-grade“ Tantal verkauft. Dazu kommt noch der Bedarf für den Tantaldraht, der laut reinhold

(2020) etwa 9 % des Gesamtinhalts des Konden-sators ausmacht. stenzel (2021) geht eher davon aus, dass der Draht aufgrund der immer kleine-ren Baugröße 15 – 20 % Massenanteil hat. Somit kommt man rechnerisch auf einen Gesamtbedarf von ca. 725 – 760 t in 2018. In dieser Studie wird von einem Mittel von 740 t ausgegangen, wobei, wie schon erwähnt, die Nachfrage im Jahr 2018 besonders hoch war. Somit ergibt sich eine rech-nerische Lücke von ca. 130 t im Vergleich zu den 815 t Tantalbedarf für Kondensatoren in 2018, die von rosKill (2018) angegeben werden.

3.2.4.3 Foresight Industrielle Nutzung

Kondensatoren sind laut rosKill der Haupt-anwendungsmarkt für Tantal (rosKill 2020c).

Wegen der angehenden Elektrifizierung von Fahrzeugen und Haushalten werden Tantalkon-densatoren wegen ihrer hohen Zuverlässigkeit in harschen Umgebungen auch in Zukunft trotz der höheren Kosten eine wachsende Bedeu-tung haben. Die Hauptanwendungsmärkte sind medizinische Anwendungen wie Hörgeräte und

Herzschrittmacher, automobile Anwendungen, und IKT-Endgeräte sowie Mobilfunkmasten (TIC 2020a). So werden u. a. durch 5G die Anforderun-gen an die Elektronik von Smartphones erhöht, die schnellere Downloads und Reaktionszeiten erfordern (rosKill 2020b; rosKill 2020c).

Die fehlenden Angaben zum Gesamtmarkt und zur Zukunft des Kondensatormarktes lassen lediglich eine grobe Quantifizierung der Stoff-ströme zu (dAMM 2018). Der Verband „Tantalum-Niobium International Study Centre“ bringt jähr-liche Zahlen zum Verkauf von unterschiedjähr-lichen Tantal-Materialien heraus, u. a. „Cap-grade Ta powder“, welches als Sinterprodukt für die Kon-densatoren benötigt wird (TIC 2020b). Die Zah-len schwanken sehr. Nimmt man aber an, dass sie den Nachfragemarkt reflektieren, ist dieser in dem Zeitraum von 2010 – 2018 im Schnitt um 3,1 % jährlich gewachsen. Diese Zahl entspricht fast dem weltweiten BIP-Wachstum von 3 % im gleichen Zeitraum, woraus sich folgern lässt, dass der Ta-Kondensatormarkt abhängig vom weltwei-ten Marktwachstum ist. Allerdings gab es 2018 aufgrund der MLCC Knappheit ein Nachfrage-hoch. stenzel (2021) geht daher eher von einem zweiprozentigen jährlichem Wachstum aus. Trotz der „Covid-19-Krise“ wird für 2020 kein Einbruch des Marktes erwartet, sondern eher eine stärkere Nachfrage aufgrund des Digitalisierungstrends (Endgeräte und Infrastruktur) (dAMM 2020; sten

-zel 2021).

3.2.4.4 Foresight Rohstoffbedarf

Es wird angenommen, dass das Wachstum im Jahr 2020 nicht einbricht, sondern wegen des starken Digitalisierungstrends während der Covid-19-Krise weiterhin um 2 % steigt. Ab dem Jahr 2020 wird sich auf die den SSP zugrunde-liegenden Wachstumszahlen für das globale BIP bezogen (riAhi et al. 2017), die je nach Szenario und Zeitabschnitt zwischen 2,5 und 5,1 % liegen.

Damit passen insbesondere SSP1 und SSP5 zum Korridor von 4 – 5 % jährlichem Nachfragewachs-tum des Gesamttantalbedarfs aus allen Anwen-dungen bis 2026 laut DERA (dAMM 2018; TIC 2020c), wobei bei SSP2 mit im Schnitt 3,1 % das geringste Markwachstum zu erwarten ist.

Der Tantalbedarf für Kondensatoren im Jahr 2040 kann laut den Szenarien auf 94 – 110 % der

heuti-gen Weltproduktion steiheuti-gen. Allerdings sind diese Prognosen mit hohen Unsicherheiten behaftet, da schwierig abzusehen ist, welche Kondensator-Technologien bzw. Materialien (z. B. Niob) sich auf Dauer in welchen Anwendungen durchsetzen werden. Außerdem gibt es noch Unsicherheiten bezüglich der Entwicklung der Speicherdiche (Farad/Gewicht Tantal), welche grob geschätzt um 6 % pro Jahr in den letzten 7 Jahren gesteigert wurde (von 100 µF pro Kondensator im Jahr 2013 (zogbi 2013) auf 150 µF bei ca. gleicher Bau-größe (AVX 2021). Das heißt, gemessen an der Stückzahl der verkauften Kondensatoren, ist der Markt deutlich schneller gewachsen als die Nach-frage nach dem Rohstoff Tantal. Diese Materialef-fizienzgewinne werden sich auch auf den zukünf-tigen Rohstoffbedarf auswirken. Im Vergleich zu den Projektionen laut MArscheider-WeideMAnn et al. (2016) fällt der projizierte Tantalbedarf deut-lich höher aus – u. a., weil der Bedarf für 2013 mit 130 t deutlich unterschätzt wurde (der Bedarf für allein „Cap-grade Ta powder“ Betrug im Jahr 2013 540 t laut TIC (2020b)).

3.2.4.5 Recycling, Ressourcen­

effizienz und Substitution

Ein Recycling von Tantal aus Endverbraucherab-fällen findet kaum statt und liegt weltweit bei unter 1 %. Das Recycling von Produktionsabfällen hin-gegen gehört zu den gängigen Verfahren, womit etwa 10 bis 25 % des Primärrohstoffes ersetzt werden können (Wilts et al. 2014). Das Recyc-ling von Tantal aus Altschrotten konzentriert sich hauptsächlich auf post-industriellen und post-con-sumer-Schrott, dort wo Tantal in größeren Men-gen anfällt, beispielsweise als Superlegierung in Turbinenschaufeln, Sputtertargets aus der Halb-leiterindustrie, Komponenten für den Anlagen-bau, Prozessschrotte wie Produktionsabfälle und Tantalcarbide aus der Hartmetallindustrie (gille &

Meier 2012; dAMM 2018). Post-industrielle Abfälle entstehen bereits während der Produktion oder Herstellung, während Post-consumer-Abfälle bei den Endverbrauchern anfallen. Im Jahr 2016 wur-den laut BGR (2018) 275 t Tantal aus der Sekun-därproduktion gewonnen. Die Rückgewinnung von Tantal aus Elektrogeräten wie Mobiltelefonen ist aufgrund einer hohen Verdünnung des Wert-metalls, mangelnder Prozessentwicklungen und niedriger Sammelraten aktuell nicht ökonomisch umsetzbar (dAMM 2018). Die geringe Konzentra-tion von Tantal in IKT-Endgeräten, d. h., die hohe Dissipation, stellt nach gille & Meier (2012) eine große Herausforderung für eine effiziente Materi-alrückgewinnung dar. Es existieren keine Anlagen im industriellen Maßstab, da hohe Konzentratio-nen und Reinheiten für das Recycling von Tan-talkondensatoren sowie die Separation der Bau-teile von der Leiterplatte erforderlich sind (sAnder et al. 2018). Lösungen für die automatisierte Ent-stückung, Erkennung und Sortierung von Bautei-len hat das europäische Forschungsprojekt ADIR entwickelt (noll et al. 2020).

Im Dokument Rohstoffe für (Seite 130-134)