Der Stand der MLCC-Versorgung im Jahr 2021

Während 2021 sich hinzieht, zwingt eine neue MLCC-Spotknappheit einige Industrien dazu, agil zu sein und sich an die Volatilität der Lieferkette anzupassen.

 

Mehr als die Hälfte des Jahres 2021 ist vergangen, und die Automobilchipknappheit wütet immer noch. Selbst als Unternehmen wie Intel und TSMC in zusätzliche Fertigungskapazitäten investieren, erwarten viele in der Industrie und im Finanzsektor, dass die Knappheit bis 2021 anhalten wird. Auch die Kosten sind atemberaubend, mit Schätzungen, die jetzt über 100 Milliarden Dollar an verlorenen Einnahmen allein für die Automobilindustrie übersteigen.

 

Knappheiten bei elektronischen Komponenten sind in 2020 und 2021 nichts Neues. Im Jahr 2020 war dies aufgrund von Menschen, die zu Hause blieben, sei es wegen Beurlaubungen, Panikkäufen, übermäßiger Nachfrage nach Elektronik für das Homeoffice und/oder erzwungenen Lockdowns. In 2021 scheint es, dass die aufgestaute Verbrauchernachfrage, CAPEX und Investitionen in die Wiedereröffnung Knappheiten bei allem von Holz bis Kunststoffen verursachen.

 

Eine wiederkehrende Knappheit, die ihre Wurzeln im Jahr 2017 hat, ist die Knappheit bei Mehrschichtkeramikkondensatoren (MLCC). Die Knappheit dieser Komponenten begann im Jahr 2018 besorgniserregende Ausmaße zu erreichen, gefolgt von einer Atempause im Jahr 2019. Im Jahr 2020 entfachten offensichtliche Probleme mit der weltweiten Fertigungskapazität aufgrund von COVID-19 erneut Befürchtungen einer MLCC-Knappheit. Mitte 2021 hält die Angst vor einer MLCC-Knappheit aufgrund von Lieferkettenproblemen für industrielle, medizinische und militärische Systeme an, besonders jetzt, da mehr als ein Hersteller Alarm geschlagen hat. Nun stellt sich die Frage, ob eine vollständige Knappheit über diese speziellen Industrien hinausgehen und den breiteren Elektronikmarkt betreffen wird. Wenn Sie ein Design planen, das MLCCs benötigt, möchten Sie vielleicht Alternativen in Betracht ziehen, falls Ihre benötigten Komponenten nicht vorrätig sind und lange Lieferzeiten haben.

Wer könnte von einer MLCC-Knappheit in 2021 betroffen sein?

Die aktuelle Welle der MLCC-Knappheit betrifft mehrere Industrien über die Automobilindustrie hinaus. Sicherlich benötigen Automobile Kondensatoren zusätzlich zu einer riesigen Auswahl anderer Elektronik, aber die Industrien, die zuletzt Schlagzeilen machten, sind Verteidigungselektronik, medizinische Geräte und industrielle Automatisierung.

 

Ist dies also eine angebots- oder nachfragegetriebene Knappheit? Interessanterweise ist das Inventarproblem in diesen Industrien ein bisschen von beidem. Einige der Produkte, die den Verbrauch von MLCC-Beständen antreiben, umfassen:

 

• Niedrigleistungsradare, Funkgeräte und Drahtlosnetzwerkprodukte, die mit GHz-Frequenzen arbeiten

• 5G-fähige Ausrüstung, wie Handsets, IoT-Produkte, Basisstationsausrüstung und andere Telekommunikationsausrüstung

• Verbraucherelektronik (Laptops, Smartphones usw.), die heute viele mehr MLCCs benötigen als noch vor ein paar Jahren

 

Die MLCCs in diesen Produkten werden in hoher Menge verwendet und kommen in kleinen Gehäusekondensatoren vor (

 

Als Ergebnis spüren industrielle, medizinische und militärische Produkte, die Hochspannungs-MLCCs mit hoher Qualität benötigen, den Druck durch eine Reduzierung des MLCC-Bestands in größeren Gehäusegrößen. Zu den betroffenen Produkten gehören Stromversorgungen/-regler, MRT-Spulen, Verstärker, Laser und viele andere spezialisierte Produkte, die größere Gehäuse benötigen.

Wer schlägt Alarm?

Warnungen vor einer potenziell neuen Welle im MLCC-Mangel sind nicht neu. Im November 2020 veröffentlichte der passive Komponentendistributor TTI einen Brief an ihre Kunden, in dem sie ihre Erwartungen an längere als normale Lieferzeiten für MLCCs in großen Gehäusen (>0603-Pakete) darlegten, mit Lieferzeiten, die sich auf bis zu 20 Wochen oder länger erstrecken. Darüber hinaus führt das Wachstum in der Produktion von Unterhaltungselektronik über 2020 und der anhaltende Anstieg der Smartphone-Käufe in Q1-Q2 2021 zu einem größeren Nachfragedruck auf kleinere MLCC-Pakete in der gesamten Lieferkette.

 

Ein Blick auf einige Lieferketten-Daten vom Beginn der Pandemie bis Ende Juni wirft mehr Licht auf die Geschichte. Das untenstehende Diagramm zeigt die Gesamtbestände an Keramikkondensatoren über die vorherigen 18 Monate. Beginnend im November 2020, zeitgleich mit der Veröffentlichung ihres Briefes durch TTI, sehen wir, dass die MLCC-Bestände stetig abnehmen, mit einem globalen Inventarrückgang von etwa 35% über die folgenden 8 Monate (summiert über alle Distributoren).

 

 

Gesamtbestand an Keramikkondensatoren bei allen Distributoren vom 3. März 2020 bis zum 30. Juni 2021.

 

Betrachtet man das obige Diagramm, fällt es schwer, dies als Mangel zu bezeichnen. Eine bemerkenswerte jüngste Behauptung eines MLCC-Mangels kam von Scott Horton bei Johanson Technology (zuerst berichtet in Embedded Computing am 27. Mai), einem MLCC-Hersteller für die Automobilindustrie. Dies ist die erste Instanz (meines Wissens), dass jemand den Begriff „Mangel“ verwendet hat, um den stetigen Rückgang der Kondensatorbestände zu beschreiben. Ein Blick auf die Bestandsdaten für Johansens Keramikkondensatoren deutet darauf hin, warum sie Alarm geschlagen haben. Ihr Bestand sah kürzlich einen etwa 16%igen Rückgang über denselben Zeitraum und ist aufgrund hoher Nachfrage niedrig geblieben.

 

Gesamtbestand an Keramikkondensatoren für Johanson Technologies bei allen Distributoren vom 3. März 2020 bis zum 30. Juni 2021.

 

Anpassung an die sich verändernde Versorgung

Um dem letztjährigen Wachstum der Nachfrage nach Verbraucherelektronik (hauptsächlich Smartphones, Tablets und andere Produkte) gerecht zu werden, hat sich ein Großteil der Produktionskapazitäten für MLCCs von Hoch-Q-/Hochspannungskondensatoren zu Kondensatoren in physisch kleineren Gehäusen und mit niedrigeren Q-Werten verschoben. Diese physisch kleineren Komponenten neigen dazu, niedrigere Spannungsbewertungen und höhere Eigenresonanzen zu haben; die niedrigen Spannungsbewertungen in kleineren Gehäusegrößen machen sie in den betroffenen Branchen weniger nützlich. Darüber hinaus begrenzen enge Platzbeschränkungen in kleineren Verbrauchergeräten die Verwendung größerer Gehäusegrößen, da diese möglicherweise nicht in die kleineren Gehäuse passen, die für Verbrauchergeräte verwendet werden. Angesichts der Nachfrage über verschiedene Gehäusegrößen hinweg und der Verlagerung der Kapazitäten hin zur Verbraucherelektronik, denke ich nicht, dass wir über diese Entwicklungen überrascht sein sollten. Im Gegensatz zur Situation im Jahr 2018 zeigt die Datenlage für das Gesamtinventar über die Distributoren hinweg, dass es schwierig ist, dies als eine vollständige MLCC-Knappheit zu bezeichnen, da, wie oben erwähnt, nicht alle Branchen oder Hersteller betroffen sind. Es gab jedoch eine stetige Verringerung des Inventars entlang der Lieferkette. Dies unterstreicht die Notwendigkeit für Designteams, vorauszuplanen und Ersatz für ihre Produkte in Betracht zu ziehen. Derzeit verlagern US-EMS-Anbieter ihre zurückgeführte Kapazität oder nehmen neue Kapazitäten in Betrieb, um Engpässe entlang der Lieferkette zu adressieren. Die Zeit wird zeigen, wie sich dieser spezifische Teil des Kondensatormarktes entwickeln wird und ob die Nachfrage die Kondensatorbestände langfristig weiter erschöpft. In der Zwischenzeit müssen PCB-Designer und Ingenieure überlegen, wie sie ihre Designs anpassen können, um einer MLCC-Knappheit standzuhalten und weiterhin Produkte auf den Markt zu bringen.

Es ist noch keine Knappheit, aber planen Sie Ersatzkomponenten ein

So sehr wir uns auch wünschen, dass die Kapazitätserhöhung in den USA und Südostasien sofort und dauerhaft wäre, kann niemand die Zukunft vorhersagen. Sollten sich die Bestände für MLCCs stabilisieren, sobald die globale Wirtschaft in der Nach-Erholungsphase abkühlt, könnte diese Kapazität auf andere Produkte umgeschichtet werden. Es ist verlockend anzunehmen, dass wir wieder in den relativen Überschussmodus von 2019 zurückkehren werden. Die jüngste Initiative der Biden-Administration, die Produktionskapazitäten für Halbleiter in die USA zu verlagern, könnte sich jedoch auch auf MLCCs und andere Komponenten erstrecken, also erwarten Sie nicht, dass die amerikanische Kapazität offline geht oder umgeleitet wird, sobald der Mangel nachlässt. Während der Mangel noch besteht, ist es wichtig für Designer, zu überlegen, wie sie alternative Komponenten in ihren Designs unterbringen können. Im Vergleich zu Halbleiterknappheiten, insbesondere Knappheiten bei für die Automobilindustrie qualifizierten ICs, ist eine MLCC-Knappheit in einigen Fällen etwas einfacher zu bewältigen. Es gibt eine Reihe von Gründen, warum Unternehmen sich leichter an die Volatilität in der MLCC-Lieferkette im Vergleich zu einer IC-Knappheit anpassen können:

• Kombinieren von Kondensatoren: Kondensatoren können parallel oder in Serie geschaltet werden, um die gewünschte Kapazität zu erreichen, was bei ICs nicht möglich ist. Dies stellt jedoch ein Problem dar, wenn Sie bei Frequenzen arbeiten, bei denen Parasitäre in der Konstruktion dominieren, wie im PDN für digitale Komponenten.

• Finden von Ersatz: Nicht alle ICs sind direkte Ersatzteile, selbst vom gleichen Hersteller. Das bedeutet, dass in der Regel eine Designvariante erstellt werden muss, wenn ein IC nicht verfügbar ist. Im Gegensatz dazu kommen SMD MLCCs in standardisierten Gehäusegrößen, sodass Sie typischerweise eine alternative Komponente finden können, ohne das Design ändern zu müssen.

 

In beiden Fällen sind einige kleinere Modifikationen im Design erforderlich, falls Ihre gewünschte MPN nicht verfügbar ist. Mit Ersatzteilen zu arbeiten ist die ideale Lösung, obwohl es üblich ist, mehrere Kondensatoren in Serie oder parallel zu schalten, um die gewünschte Kapazität zu erzeugen.

Kombinieren von Kondensatoren

Mehrere Kondensatoren in Serie und parallel zu schalten, um die gewünschte äquivalente Kapazität zu erzeugen, mag einfach genug klingen. Bei ausreichend niedrigen Frequenzen müssen Sie sich keine Sorgen um parasitäre Effekte in Kondensatoren machen. Jedoch sind MLCCs für den Betrieb bei sehr hohen Frequenzen vorgesehen, insbesondere für die Entkopplung im PDN auf einer PCB und für den Einsatz im Aufbau von Filterkreisen für RF-Designs. Beim Kombinieren von Ersatz-MLCCs oder alternativen Kondensatoren ist das Ziel, einen gewünschten Kapazitätswert zu erreichen, ohne die äquivalente selbstresonante Frequenz des Kondensators auf eine niedrigere, unerwünschte Frequenz zu verschieben.

 

Bei niedrigen Frequenzen wird dies oft nicht berücksichtigt, obwohl es sehr üblich ist, Bänke von Kondensatoren parallel zu schalten, um die gewünschte Kapazität zu erreichen. Bei den hohen Frequenzen, die bei MLCCs verwendet werden, gibt es nur zwei Spezifikationen, die Beachtung finden sollten, wenn alternative Komponenten ausgewählt und kombiniert werden:

 

• Spannungsbewertung: MLCCs können hohe Spannungsbewertungen haben, aber die tatsächliche Spannung über einem einzelnen Kondensator in einer Bank von Kondensatoren hängt davon ab, wie der äquivalente Schaltkreis entworfen ist.

• Äquivalente Serieninduktivität (ESL): Der ESL-Wert ist in Serie mit der Kapazität, wenn wir einen Kondensator aus der Perspektive des Schaltungsmodells betrachten. Der ESL-Wert ist es, der die Selbstresonanz in einem realen Kondensator erzeugt, und Serien- oder Parallelschaltungen könnten eine verschobene selbstresonante Frequenz im Vergleich zum Wert eines einzelnen Kondensators haben.

 

Nur als Beispiel, wenn Sie mehrere MLCCs mit unterschiedlichen Spezifikationen in Serie kombinieren, um die äquivalente Kapazität eines kleineren MLCCs zu geben, werden sich die ESL-Werte addieren. Die äquivalente selbstresonante Frequenz wird ein komplexer Durchschnitt der beiden Selbstresonanzen sein. Wenn die selbstresonante Frequenz zu niedrig wird, indem Sie mehr Kondensatoren in Serie hinzufügen, wird der äquivalente Schaltkreis letztendlich aufhören, wie ein Kondensator zu wirken, da die gesamte ESL zu hoch wird und die äquivalente selbstresonante Frequenz zu niedrig wird, was den Zweck des Einsatzes von MLCCs von vornherein zunichte macht. In diesem Beispiel, in dem mehrere MLCCs in Serie kombiniert werden, könnten Sie in Betracht ziehen, alternative MLCCs mit höheren selbstresonanten Frequenzen zu verwenden und diese in einer Serienschaltung als Ersatz für einen kleineren Kondensator zu verwenden.

 

Arbeiten mit Ersatzkomponenten gleicher Kapazität in Ihrem Design

Obwohl die Bestände an MLCCs schwanken, könnten Sie in der Lage sein, eine alternative Komponente in einer anderen Gehäusegröße, aber mit der gleichen Kapazität zu finden. Achten Sie darauf, die zwei oben aufgeführten Hauptspezifikationen zu beachten. Idealerweise möchten Sie, wenn Sie eine alternative Komponente auswählen, dass die Spannungsbewertung und die Eigenresonanzfrequenz höher sind, während Sie die gleiche Kapazität für Sicherheits- und Leistungszwecke beibehalten. Leider ist dies im Allgemeinen meist nicht möglich.

 

Da Sie nicht immer die gleiche Kapazität in der gleichen Gehäusegröße finden werden, ist es wichtig zu berücksichtigen, wie unterschiedliche Gehäusegrößen unterschiedliche Spannungs- und ESL-Bewertungen haben können. Wenn Sie einen physisch kleineren MLCC als Ersatz für Ihre nicht verfügbare Komponente wählen, neigen Sie dazu, den Vorteil der gleichen oder größeren Selbstresonanz zu erhalten, da physisch größere SMD-Komponenten dazu neigen, eine kleinere ESL zu haben. Allerdings kann die Komponente eine niedrigere Spannungsbewertung für eine gegebene Kapazität haben, was nur durch das Schalten der Kondensatoren in Serie kompensiert werden kann. Beide Faktoren sollten berücksichtigt werden, da sie Anwendungen der RF-Leistungsintegrität und RF-Filteranwendungen beeinflussen.

 

Es ist viel einfacher, diese MLCCs gegen etwas größere Kondensator-Fußabdrücke auszutauschen, wenn sie nicht auf Lager sind.

 

Obwohl ein größeres Gehäuse unterschiedliche Spezifikationen haben wird, ist es viel einfacher, ein PCB-Layout für eine leicht unterschiedliche Gehäusegröße zu ändern, als ein Design mit mehreren parallel geschalteten Kondensatoren zu modifizieren. Wie Sie das Board layouten, ist ebenfalls wichtig, da parasitäre Effekte auf Board-Ebene die Signalintegrität im Design beeinflussen.

Sichtbarkeit der Lieferkette hilft Unternehmen, agil zu bleiben

Das Wachstum in der Unterhaltungselektronik und wiederkehrende Geschäftszyklen in der Elektronikindustrie werden weiterhin Druck auf die MLCC-Lieferkette ausüben. Selbst nachdem zusätzliche Kapazitäten die aktuelle Knappheit lindern, erwarte ich, dass wir beim nächsten Geschäftszyklus wieder hier sein werden. Große und kleine Unternehmen, die MLCCs für ihre Designs verwenden, müssen agil bleiben, da die Bestände von Distributoren und Herstellern schwanken. Stellen Sie sicher, dass Sie die besten Werkzeuge und Suchmaschinen für die Elektronik-Lieferkette verwenden, um Bestände von Distributoren zu durchsuchen und alternative Teile zu finden. Wenn Sie Einblick in die Lieferkette haben, während Sie planen, in die Produktion zu gehen, können Sie sicherstellen, dass Ihr Produkt rechtzeitig und in Menge herstellbar ist.

 

Wenn Sie agil bleiben müssen, während Sie die aktuelle MLCC-Knappheit managen, können die fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen von Octopart Ihnen helfen, Ersatzkomponenten und Lieferanten für Ihre Designs zu finden. Die Suchmaschinenfunktionen für Elektronik in Octopart können Ihnen helfen, Engpässe bei integrierten Schaltkreisen zu navigieren, indem Sie Zugang zu aggregierten Daten durch die gesamte Lieferkette erhalten. Sie können auf Daten zu Distributorenpreisen, Teilebeständen, Teilespezifikationen und CAD-Daten zugreifen, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

 

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