Kondensatory tantalowe w układach elektronicznych

Rys. 1. Porównanie przewodności MnO2 z PEDT, od których zależy ESR

Kondensatory tantalowe są w użyciu od niemal 60 lat. Dzięki ich niezawodności i gęstości pojemnościowej są chętnie stosowane w wojskowych i cywilnych układach lotniczych, implantach medycznych, notebookach, smartfonach oraz przemysłowych systemach automatyki i kontroli. Ich główną zaletą jest duża gęstość pojemnościowa, czyli pojemność odniesiona do jednostki objętości.

Przy bardzo dużej powierzchni, małej grubości oraz wysokiej stałej dielektrycznej osiągają pojemności do 1-2,2 µF przy napięciu do 50 V i charakteryzują się najwyższą gęstością pojemnościową.

Przy stosowaniu wysokiej jakości proszków tantalowych i opakowań kondensatory tantalowe znacznie przewyższają swoimi właściwościami kondensatory innych technologii. Na przykład wersje 22 µF 4 V mieszczą się w obudowie 0402, a 47 µF 50 V i większe w pojedynczej obudowie do montażu przewlekanego.

W konwencjonalnych kondensatorach tantalowych jako katody używa się spiekanego dwutlenku manganu (MnO₂). Ten niedrogi materiał półprzewodnikowy ma własności samonaprawcze, co zapewnia długotrwałą niezawodność. Materiał ten jednakże na skutek wysokiej zawartości tlenu może w ekstremalnych warunkach wysokiej temperatury powodować zapłon.

Od połowy lat 90. ubiegłego wieku trwają w przemyśle prace nad zastąpieniem MnO₂ przewodzącymi polimerami. Ich znacznie wyższa niż MnO₂ przewodność skutkuje obniżeniem ESR. Ta zaleta w połączeniu z wyeliminowaniem ryzyka zapłonu przyczynia się do wzrostu inwestowania w tę technologię.

Postęp w projektowaniu kondensatorów tantalowych

Rys. 2. Zależność ESR różnych rodzajów kondensatorów tantalowych od częstotliwości

Producenci oferują zróżnicowane rodzaje kondensatorów tantalowych, optymalizowane i nacelowane na różne aplikacje i segmenty rynkowe. Rozmaite serie produkcyjne są w różny sposób specjalizowane, w kierunku na niski ESR, zmniejszone wymiary, wysoką niezawodność (np. militarne, motoryzacyjne czy medyczne), obniżony upływ prądu stałego czy odporność na wysokie temperatury.

Kondensatory z obniżonym ESR zapewniają wyższą sprawność w urządzeniach z napięciem impulsowym lub przemiennym oraz lepszą filtrację zakłóceń wysokoszumowych, z kolei kondensatory w zmniejszonych wymiarach - o dużym CU (iloczyn pojemności i dopuszczalnego napięcia) z katodą ze sproszkowanego tantalu w małych obudowach są przydatne w aplikacjach o małej objętości, jak smartfony, tablety i inne przenośne urządzenia konsumenckie.

Kondensatory tantalowe o niskim ESR

Rys. 3. Przekrój kondensatora tantalowego, pokazujący ramkę wyprowadzeniową

Obniżenie wartości ESR kondensatorów tantalowych było celem intensywnych prac przy ich projektowaniu. Podstawowym materiałem katody początkowo był w nich sproszkowany dwutlenek manganu. Materiał katody i proces jego formowania ma istotny wpływ na wielkość ESR. Znaczne obniżenie ESR osiągnięto przez zastąpienie w katodzie MnO₂ przewodzącym polimerem oraz przez zmianę materiału metalowej ramki wyprowadzeniowej ze stopów żelazoniklowych na miedź.

Rysunek 2 prezentuje zalety polimerowego systemu katody w kondensatorach tantalowych. Bezpośrednie porównanie kondensatora 47 µF 6,3 V w obudowie A o katodzie MNO₂ z takim kondensatorem o katodzie polimerowej (PEDT - poli 3,4 etylenowy dioksytiofen) przy 100 kHz wykazuje przewodność (wyrażoną w S/cm) o rząd wielkości większą.

Rys. 4. Wzrost współczynnika jakości kondensatorów tantalowych z biegiem lat w wyniku usprawniania technologii wytwarzania sproszkowanego MnO2

Lepiej przewodzący miedziany materiał ramki wyprowadzeniowej również istotnie zmniejsza ESR. Rysunek 3 pokazuje przekrój kondensatora z widoczną ramką wyprowadzeniową, łączącą go z zewnętrznymi stykami obudowy. Tradycyjnym materiałem ramki jest stop żelazo-niklowy (alloy 42). Jego zaletą jest niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, niski koszt i łatwość obrabiania.

Istotny postęp w wytwarzaniu miedzianych ramek wyprowadzeniowych ułatwiło ich użycie w kondensatorach tantalowych. Przewodność elektryczna miedzi jest około 100-krotnie wyższa od przewodności alloy 42, co ma znaczny wpływ na zmniejszenie ESR. Na przykład ESR tantalowo-polimerowego kondensatora firmy Vishay 100 µF 6,3 V w obudowie A (EIA 3216) z tradycyjną ramką wyprowadzeniową wynosi 70 mΩ przy 25°C dla 100 kHz, a z ramką miedzianą 40 mΩ.

Miniaturowe kondensatory tantalowe

Rys. 5. Wpływ wewnętrznej konstrukcji kondensatorów tantalowych na ich gęstość pojemnościową

Bardzo ważnym parametrem kondensatora jest również jego gęstość pojemnościowa, czyli stosunek jego pojemności do masy. Zależy on od miniaturyzacji obudowy i od współczynnika jakości materiału katody. Współczynnik ten jest proporcjonalny do iloczynu pojemności i dopuszczalnego napięcia uzyskiwanego na jednostkę jego masy (C⋅U/m, wyrażany w mF⋅V/g).

Na rysunku 4 przedstawiono ewolucję w produkcji proszku tantalowego ilustrowaną współczynnikiem jakości MnO₂ na przestrzeni 20 lat. Jakość ta poprawiała się dzięki wzrastającej czystości tego materiału i zmniejszaniu rozmiarów jego cząstek. Jest to rezultat ciągłych badań i rozwoju.

Rys. 6. Wpływ usprawnień technologii opakowań na gęstość pojemnościową kondensatorów

Do zmniejszenia rozmiarów kondensatorów tantalowych przyczyniło się także udoskonalenie powszechnie stosowanej w przemyśle konstrukcji ramki wyprowadzeniowej. Jest to obecnie bardzo wydajna w produkcji tania technologia. Ciaśniejsza obudowa pozwala na zwiększenie pojemności i/lub dopuszczalnego napięcia kondensatora. Rezultaty tendencji redukowania rozmiarów wyprowadzeń wewnętrznych kondensatorów są przedstawione na rysunku 5.

Firma Vishay opatentowała technikę opakowań połąc zeń wielokrotnych (MAP, multi-array packaging), polegającą na metalizowaniu skrajnych krawędzi warstw kondensatora, redukując w ten sposób rozmiary ich wewnętrznych wyprowadzeń. Zostało to uwidocznione na rysunku 6. Technika ta umożliwiła zwiększenie sprawności pojemnościowej kondensatorów o ponad 60%, a także obniżenie upływności prądu stałego.

Dodatkową zaletą konstrukcji MAP firmy Vishay jest obniżenie ESL. Eliminacja ramki wyprowadzeniowej zmniejsza bowiem w istotnym stopniu wielkość prądowej pętli wyprowadzenia. Jak pokazano na rysunku 7, zmniejszenie to w porównaniu do standardowej konstrukcji z ramką wyprowadzeniową osiąga 30%. Dzięki temu częstotliwość rezonansowa kondensatora jest wyższa.

Zakończenie

Rys. 7. Pojemność i ESL kondensatorów tantalowych różnych konstrukcji w funkcji częstotliwości

Postęp technologiczny w wytwarzaniu kondensatorów tantalowych prowadzi do obniżenia ESR i ESL oraz ich zewnętrznych rozmiarów. Dzięki dopracowaniu procesów produkcyjnych i udoskonaleniu systemu katody polimerowej kondensatory stały się bardziej stabilne, powtarzalne i niezawodne. W rezultacie usprawnień technologii opakowań wzrosła ich gęstość pojemnościowa. (KKP)