Jak zmieniły się kondensatory tantalowe z ciekłym elektrolitem?

Na wstępie warto przedstawić materiał bazowy tytułowych komponentów, którego właściwości determinują właściwości kondensatorów, czyli tantal. Naturalnie rzadko występuje on w czystej postaci. Zdecydowanie częściej wydobywa się go w postaci koltanu, czyli rudy tantalu i niobu, a dokładniej połączenia kolumbitu, który jest rudą niobu oraz tantalitu, będącego rudą tantalu. Stąd nazwa koltan (kolumbit + tantalit). Największe złoża minerałów, z których można pozyskać tantal, znajdują się w Australii, Brazylii, Kanadzie, Chinach oraz kilku krajach w Afryce. Oprócz tego w Tajlandii, Malezji oraz Brazylii otrzymuje się go jako produkt uboczny procesu wytapiania cyny. Oczyszczony jest twardym, niebieskoszarym, błyszczącym metalem.

Tantal – właściwości

O popularności tantalu zdecydowały jego właściwości. Są to: duża odporność chemiczna, również w wysokich temperaturach oraz odporność na korozję. Tę ostatnią cechę zawdzięcza zdolności do wytwarzania na powierzchni wystawionej na działanie atmosfery cienkiej, krystalicznej warstwy tlenku. W przeciwieństwie do podobnych powłok, które powstają na większości metali – jak na przykład rdza na żelazie – tantal wytwarza trwałą, dobrze przylegającą i izolującą elektrycznie warstwę ochronną o dużej gęstości. Stanowi ona barierę, która chroni metal pod spodem przed dalszą korozją. Dzięki tej właściwości zalicza się go do grupy metali, do której należą również tytan, cyrkon, niob, hafn, aluminium. Tylko w przypadku części z nich możliwa jest precyzyjna kontrola grubości powłoki ochronnej w procesie elektrochemicznym. Przykłady to: aluminium i właśnie tantal, co wykorzystuje się w przemyśle elektronicznym.

Oprócz tego tantal zaliczany jest do kategorii metali trudnotopliwych, charakteryzujących się dużą wytrzymałością na wysokie temperatury – jego temperatura topnienia sięga +3000°C. Jest ponadto bardzo plastyczny, dzięki czemu nadaje się do procesów takich jak gięcie i tłoczenie. W połączeniu z innymi metalami wytwarza stopy o podwyższonej wytrzymałości i podwyższonych temperaturach topnienia.

...i zastosowania

Od odkrycia w XIX wieku tantal znalazł wiele zastosowań. W XXI wieku szczególnie nasiliło się zainteresowanie nim w przemyśle elektronicznym. Poza nim ma także wiele innych zastosowań, w których wymagana jest zwiększona odporność chemiczna na korozję i wysokie temperatury. Metal ten jest w nich wykorzystywany pod różnymi postaciami.

Przykładowo w postaci płyt i arkuszy jest używany jako wykładzina w piecach, wymiennikach ciepła i zbiornikach. Tantal jest również odporny na działanie płynów ustrojowych, wykazuje powierzchniową podatność na wzrost tkanek i jest biokompatybilny, dzięki czemu w formie drutów i prętów jest wykorzystywany jako element implantów medycznych. Oprócz tego z drutów tantalowych wykonywane są elementy grzejne pieców i komponenty chloratorów.

W postaci proszku natomiast znajduje zastosowanie w elektronice. Jego właściwości pozwoliły na zmniejszenie rozmiarów elementów elektronicznych, tym samym umożliwiając postęp w dziedzinie miniaturyzacji elektroniki. W efekcie szacuje się, że tantal można znaleźć nawet w kilkudziesięciu procentach urządzeń elektronicznych, a elementy elektroniczne, przede wszystkim kondensatory, mają największy udział w rynku tego metalu.

Kondensatory tantalowe. Zalety kondensatorów "mokrych"

W kondensatorach tantalowych anoda wykonana jest ze spiekanego proszku tantalowego. Dzięki temu ten element kondensatora ma strukturę porowatą, czego konsekwencją jest jego efektywnie duża powierzchnia przy stosunkowo małej objętości. Przed spieczeniem tantal zostaje zmieszany ze środkami wiążącymi, a następnie jest sprasowywany w granulki. W czasie spiekania spoiwa i ewentualne zanieczyszczenia ulegają odparowaniu.

Następnym po spieczeniu proszku etapem produkcji kondensatorów tantalowych jest wytworzenie izolacyjnej warstwy pięciotlenku tantalu. Charakteryzuje się ona bardzo dobrymi właściwościami dielektrycznymi, Ta2O5 ma bowiem dużą wytrzymałość dielektryczną i dużą stałą dielektryczną. Powłoka tlenku tantalu wykonywana jest metodą elektrochemiczną.

W kolejnym kroku porowatą anodę wypełnia się elektrolitem, stałym lub ciekłym, i uszczelnia się obudowę. Przeważnie w "mokrych" kondensatorach tantalowych elektrolit jest roztworem kwasu siarkowego.

Kondensatory tantalowe z ciekłym elektrolitem pod względem najważniejszych parametrów przewyższają inne rodzaje tych podzespołów. Przewaga dotyczy zarówno kondensatorów tantalowych ze stałym elektrolitem, elektrolitycznych aluminiowych, jak i ceramicznych.

Wśród najważniejszych wyróżników tytułowych kondensatorów wymienić należy: wyższe napięcie pracy, wyższy stosunek pojemności elektrycznej do objętości (w porównaniu z kondensatorami aluminiowymi nawet trzykrotnie większy), mniejszą wagę, długą żywotność, większą wytrzymałość mechaniczną, mniejszy prąd upływu.

Obudowy ze srebra i tantalu

Pierwsze "mokre" kondensatory tantalowe były wykonywane z folii tantalowej, na którą nanoszony był dielektryk Ta2O5. Następnie zwijano ją, aby utworzyć anodę, którą umieszczano w wykonanej ze srebra obudowie, wypełnionej elektrolitem i zamykanej gumową zatyczką. Po pewnym czasie, aby wydłużyć żywotność w ten sposób budowanych elementów, wprowadzono hermetyczne obudowy z uszczelnieniami typu GTMS (Glass To Metal Seal).

Wprawdzie kondensatory w takim wykonaniu nadal są w użyciu, z czasem jednak zauważono, że w pewnych warunkach cząstki srebra z obudowy osadzają się na powierzchni anody. W konsekwencji powoduje to, że zwiększa się prąd upływu.

W związku z tym rozpoczęto, na zlecenie NASA, prace nad rozwiązaniem tego problemu. Efektem były kondensatory w obudowie z tantalu. Cały czas wzrastały też wymagania odnośnie do pojemności. Tymczasem konstrukcja z tantalową anodą oraz katodą, ze względu na ograniczenia przestrzenne w obrębie obudowy, nie pozwalała na znaczący postęp w tym zakresie.

Kondensatory SMD

Przełomem pod tym względem okazało się dopiero wykonanie katody w postaci powłoki z palladu osadzonej na obudowie z tantalu. Kondensatory tego typu charakteryzowały się kilka razy większą pojemnością w przeliczeniu na jednostkę objętości, podwyższoną odpornością na prąd tętnień oraz zmniejszonym współczynnikiem ESR. W międzyczasie niektórzy producenci rozwijali konstrukcje mokrych tantalowych kondensatorów z tlenkami niobu oraz rutenu, aby zwiększyć pojemność tych podzespołów. Równocześnie prowadzono prace nad zwiększeniem ich odporności na wstrząsy oraz wibracje.

Wraz z upowszechnianiem się w branży elektronicznej technologii montażu powierzchniowego w przypadku mokrych kondensatorów tantalowych, które standardowo lutowano metodą montażu przewlekanego, również zaczęto pracować nad tego typu rozwiązaniami. Jedno z pierwszych polegało na wykorzystaniu specjalnych zaczepów SMD przymocowanych do wyprowadzeń komponentu. Wkrótce wprowadzono też mokre kondensatory tantalowe w standardowych obudowach SMD. W swojej ofercie ma je m.in. firma Vishay.

Matryce. Kondensatory hybrydowe

Z czasem dostępne stały się również matryce kondensatorów. Początkowo w tej postaci były oferowane podzespoły tego typu w obudowach ze srebra. Chociaż są dostępne także obecnie, większe matryce wykonywane są przez połączenie kondensatorów w obudowach tantalowych. Często uzupełnione są dodatkowymi komponentami (rezystorami, diodami).

Można poza tym rozważyć wykorzystanie kondensatorów wysokoenergetycznych hybrydowych. Konstrukcje tego typu składają się z anody tantalowej i obudowy tantalowej, natomiast katoda wykonywana jest przez osadzenie materiału, na przykład rutenu lub palladu, na folii tantalowej. Pojemności hybrydowych mokrych kondensatorów tantalowych przekraczają nawet kilkadziesiąt mF.

Monika Jaworowska