A tantálkondenzátorok kialakítása, felépítése és alkalmazásai

A TME katalógusában több mint 1300 KYOCERA AVX tantál- és tantálpolimer-kondenzátor található, köztük 434 SMD tantálpolimer-kondenzátor és 874 tantálkondenzátor (150 THT és 724 SMD alkatrész). Működési feszültségük 2 V DC és 125 V DC között változik, míg kapacitásuk 0,1 µF és 1500 µF között lehet. Egyedi tulajdonságaiknak köszönhetően a tantálkondenzátorok számos alkalmazásban használhatók és bizonyos esetekben alumíniumelektrolit vagy MLCC helyettesítésére is szolgálnak.

Az alábbi cikkben kialakításukat, felépítésüket, előnyeiket és hátrányaikat mutatjuk be, valamint rávilágítunk azokra a kérdéskörökre, amelyekre figyelni kell, amikor a használatuk mellett döntünk.

• A kondenzátorok kialakítása, felépítése és gyártási folyamata
• SMD kondenzátorok – méretek és specifikáció
• THT kondenzátorok – méretek és specifikáció
• Előnyök és hátrányok

A tantálkondenzátorok kialakítása és szerkezete

A kondenzátorok gyártása bonyolult folyamat, amelynek során az egyes gyártási szakaszok paramétereit a legnagyobb pontossággal kell kiválasztani és beállítani. Ebben a cikkben egy ilyen folyamatot mutatunk be a Kyocera-AVX specifikációi alapján.

Anód

A tantálkondenzátorok kialakítása a tantál szerkezetén alapul, amely nagyon hasonlít egy szivacsra. Egy ilyen szerkezet tartalmaz egy anódot, egy katódot és egy dielektrikumot. Az ilyen típusú kondenzátor gyártási folyamata azzal kezdődik, hogy tantálport tömörítenek egy tantálhuzal köré, majd magas hőmérsékleten szinterezik, így jön létre az anód. A magas hőmérséklet alkalmazása azt eredményezi, hogy a porszemcsék összekapcsolódnak egymással (a továbbiakban ez a szerkezet), de a meghatározott paraméterek elérése érdekében gondosan meg kell határozni a megfelelő hőmérsékletet és a szinterezési időt. Ha a szinterezési idő túl hosszú vagy a hőmérséklete túl magas, a kondenzátor kapacitása kisebb lesz. Ezzel szemben, ha a szinterezési idő túl rövid vagy a hőmérséklet túl alacsony, a kapott kapacitás nagyobb lesz. Ez valójában azt jelenti, hogy a kondenzátor paramétereit (kapacitás és üzemi feszültség) már a por kiválasztása meghatározza. Azt is fontos megjegyezni, hogy a porszemcsék mérete (mikrométeres nagyságrend) és alakja számos gyártási fázisra hatással van.

1. ábra A tantálkondenzátor felépítése

A tantálkondenzátorok kapacitását a következő képlet írja le:

ε – dielektromos permittivitás
ε0 – a vákuum permittivitása
A – dielektromos felület
d – dielektromos réteg vastagsága

Dielektrikum

A dielektrikum alkotja minden kondenzátor középpontját, mivel elektromos mezejében „csapdába ejti” az energiát. A tantál­kon­denzátorokban tantál-oxidot (Ta₂O₅) használnak dielektrikumként. Mint fentebb említettük, a szinterezés után kezdődik a dielektromos réteg kialakításának szakasza. A tantál maga is vezető, ezért nem használható dielektrikumként. Éppen ezért az alkatrészeket anodizálási eljárásnak vetik alá, azaz 85 °C-ra felmelegített savas oldatba merítik, és az elektromos áram hatása egy olyan kémiai reakciót eredményez, amelynek során az anód felületén Ta₂O₅ tantál-pentoxid képződik. A dielektromos réteg vastagságát a feszültség határozza meg, ezért az áramot kezdetben állandó szinten tartják, amíg a kívánt feszültséget el nem érik. A feszültséget ezután ezen a szinten tartják, amíg az egyenletes vastagságú dielektromos réteg ki nem alakul az alkatrész teljes felületén. A tantálkondenzáto­rok a dielektromos réteg létrejötte során lejátszódó reakciók miatt polarizálódnak, vagyis a tantál-oxid és a tiszta tantál között félvezetőként működő oxidréteg képződik. A dielektromos réteg a kondenzátor üzemi feszültségénél magasabb feszültségen alakul ki. Sorozattól függően ez a feszültség 2-4-szer nagyobb lehet, mint amin a kondenzátornak működnie kell.

Katód

A gyártás következő szakaszában a katódot a mangán(II)-nitrát mangán(IV)-oxiddá történő pirolízisének eredményeként alakítják ki. Ez úgy történik, hogy az alkatrészeket mangán(II)-nitrát vizes oldatába merítik, majd hőkezeléssel eltávolítják a vizet. A folyamatot többször megismétlik, hogy a katód kellően vastag legyen. Ezt követően az alkatrészeket grafittal, végül pedig ezüsttel vonják be. A grafitra az ezüst és a mangán-oxid elválasztásához van szükség, amelyek egyébként reakcióba lépnének, és negatívan befolyásolnák az alkatrész tulajdonságait. Alternatívaként a katód kialakításának folyamatában a mangán helyettesítésére polimer is használható, ami számos előnnyel jár, de hátrányoktól sem mentes megoldás.

SMD tantál- és tantálpolimer-kondenzátorok

A tantálkondenzátorok legelterjedtebb típusa az SMD kondenzátor. Az SMD tantálkondenzátorok közel állnak a szabványos MLCC tokméretekhez, aminek köszönhetően az MLCC a nyomtatott áramkör alapterületének módosítása nélkül cserélhető tantálkon­denzátorra. A tantálkondenzátorok esetében nemcsak a hossz és a szélesség mérete van megadva (mint az MLCC-knél), hanem a magasság is. Éppen ezért minden egyes mérethez tartozik egy latin betű. Mi több, a kondenzátor feszültségét, kapacitását és polarizációját is feltüntetik a házon.

1. táblázat SMD jelölések és méretek

A kondenzátor paraméterei a házán találhatók. A 2. ábrán bemutatjuk a KYOCERA-AVX TAJ különböző házaihoz használt jelölések listáját.

2. ábra SMD jelölések

THT tantálkondenzátorok

A TME kínálatában THT-szerelésre alkalmas kivezetéses tantál­kondenzátorok is kaphatók. Ezek csak a gyártás utolsó fázisában különböznek az SMD-változattól, amely során a kondenzátorokhoz vezetékeket rögzítenek. A THT tantálkondenzátorok paramétereire vonatkozólag a házon is megtalálható egy szabványos jelölésvázlat.

3. ábra A kivezetések típusai és a velük kompatibilis házak

2. táblázat THT kondenzátorméretek

3. táblázat Kivezetések méretei

A tantálkondenzátorok előnyei

A tantálkondenzátorok számos előnnyel rendelkeznek, így különböző alkalmazásokban használhatók, és alkalmasak az alumíniumelektrolit-kondenzátorok és az MLCC-k helyettesítésére vagy támogatására is, ami helyet takaríthat meg a NYÁK-on. A tantál­kondenzátorok egyik leglényegesebb tulajdonsága a paraméterek széles hőmérséklet-tartománybeli stabilitása – a kapacitás -55 °C és 125 °C közötti hőmérséklet-tartományban stabil. Egy másik előnye az „egyenáramú előfeszítés” hiánya – az MLCC-kkel ellentétben a tantálkondenzátorok nem veszítik el a kapacitásukat, ha a jelvezetéken egyenfeszültség jelenik meg. Ezenkívül a tantál­kondenzátorok élettartama könnyen elérheti a kerámiakondenzátorok élettartamát. Az élettartamot tekintve a tantálkondenzátorok­nak van még egy előnyük az MLCC-kkel szemben, mégpedig az öregedési hatás hiánya (a 2. osztályú MLCC-knél látható), ami az idő elteltével a kapacitás csökkenését jelenti. A tantál­kon­denzátorok nem öregednek, így hosszú évekig megőrzik paramétereiket, továbbá szivacsos szerkezetüknek köszönhetően a tantál­kon­den­zátorok magas térfogati hatásfokkal rendelkeznek. A szabványos SMD alumíniumelektrolit-kondenzátorok térfogati hatásfoka például 11,8 µFV/mm³, míg a tantálkondenzátorok 63 µFV/mm³ és magasabb hatásfokot érnek el. Ez azt jelenti, hogy a tantálkon­denzátorok adott méret mellett többszörös kapacitást tudnak elérni az alumíniumelektrolit-kondenzátorokhoz képest. A tantál­polimer-kondenzátorok esetében alacsony az ESR, azaz egyenértékű soros ellenállással rendelkeznek, ami magasabb hatásfokot és a kondenzátor ripple-áramú névleges értékét eredményezheti működés közben. Ez az oka annak, hogy a tantálpolimer-kondenzátorok tökéletesek olyan alkalmazásokhoz, mint az orvosi berendezések, az IoT, a DC/DC átalakítók és az intelligens mérések. A polimer által biztosított alacsonyabb ESR lehetővé teheti kisebb chip használatát a tervezéskor, ami praktikus a helyszűkös alkalmazások, többek között például a viselhető eszközök, az IoT, vagy a jelfeldolgozó alkalmazások esetében.

A tantálkondenzátorok hátrányai

Sajnos a tantálkondenzátoroknak is van néhány hátrányuk, ami miatt nem minden típusú felhasználáshoz lesznek alkalmasak. Ilyen például a derating, vagyis az, hogy az alkatrész névleges feszültségénél alacsonyabb üzemi feszültséget kell választani. A tantál­kondenzátorok esetében ez akár 70%-os is lehet, ami azt jelenti, hogy egy 35 V-os névleges feszültségű kondenzátornak 12 V-on kell működnie, ha alacsony impedanciájú áramkörökben nagy áram- vagy gyors feszültségcsúcsok vannak jelen. Éppen ezért a tényleges üzemi feszültséget csökkentik, hogy a kondenzátor megőrizze a megbízhatóságát. Azt is meg kell jegyezni, hogy a legtöbb esetben az alkalmazások 50%-os feszültségcsökkentéssel is rendben működnek. A magasabb (85 °C feletti) üzemi hőmérséklet miatt további értékcsökkentést lehet alkalmazni. Azt is érdemes szem előtt tartani, hogy fennáll a tantálkondenzátorok meghibásodásának veszélye, ha túláramnak vagy feszültségcsúcsoknak vannak kitéve, de akár a nem megfelelő szerelés miatt is. A tantálkon­den­zátorokat nem lehet tetszőlegesen felszerelni, mivel meghatározott polarizációval rendelkeznek, és ennek be nem tartása a kondenzátor felszerelésekor problémákat okozna. Ennek elkerülése érdekében figyeljen a polarizációs jelölésekre és a szerelési (reflow) körülményekre. A tantálkondenzátorok másik problematikája a meghibásodásuk módja – a lavinaszerű letörés következtében rövidzárlat keletkezik. A tantálpolimer-kondenzátorok kevésbé vannak kitéve ennek a problémának, mivel alacsony az ESR-jük, és nem érzékenyek az indítóáramra. A tantálpolimer-kondenzá­toroknál azonban nyilvánvalóvá váló probléma a nedvességre való érzékenységük, amely bizonyos alkatrészek esetében MSL 3 vagy annál magasabb, egyesek elérik az MSL 5 szintet is. Éppen ezért szükséges a tárolásuk körülményeinek, valamint a kondenzátorok beépítési és működési körülményeinek ellenőrzése. A tantálkon­den­zátorok utolsó hátránya a meglehetősen alacsony üzemi feszültségük – az MLCC-k és az alumíniumelektrolit-kondenzátorok esetében a feszültség elérheti a több száz V-ot vagy akár a kV-ot is, míg a tantálkondenzátorok csupán 125 V-os maximális feszültségen működhetnek.

Összefoglalás

Átgondolt áramköri tervezéssel és a tantálkondenzátoros eszközök gondos kiválasztásával előnyeik nagymértékben háttérbe szorítják hátrányaikat. Évtizedek óta használják őket a legkülönbözőbb alkalmazásokban, a kereskedelmi kézi készülékektől kezdve a nagy megbízhatóságú űrkutatási küldetésekig. A tantálkondenzátorok kis térfogattal nagy kapacitásértékeket és nagy teljesítményt kínálnak a méret- és súlykorlátozott kialakításokhoz. Akkor is kiválóak, ha a kapacitásérték stabilitására van szükség hosszú időn keresztül, a hőmérsékleti és áramköri feltételek széles tartományában. Amint azt korábban már említettük, többféle tokozásban és katódvariációban érhetők el, számos alkalmazáshoz optimális paraméterek széles skálájával.

TME Hungary Kft.
1146 Budapest, Hungária körút 162.
Tel.: +36 1 220 67 56
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
https://www.tme.eu/hu/news/library-articles/page/54117/a-tantal-kondenzatorok-kialakitasa-felepitese-es-alkalmazasai/