Танталовые конденсаторы что это
Устройство танталового конденсатора
Конструкция и особенности танталовых конденсаторов
В настоящее время, кроме всем знакомых алюминиевых электролитических конденсаторов, в электронике применяются электролитические конденсаторы с диэлектриком из пентаоксида тантала. Вот о них и пойдёт речь далее.
Давайте узнаем, как устроен танталовый электролитический конденсатор, а также изучим его сильные и слабые стороны. Вот так выглядит танталовый чип-конденсатор для поверхностного монтажа ёмкостью 1 мкФ и рабочее напряжение 35V.
Как известно, на ёмкость конденсатора влияет площадь обкладок, а также толщина диэлектрика, который находится между ними.
В качестве анода в танталовом конденсаторе выступает порошок из тантала высокой степени очистки. Этот порошок прессуют и нагревают в вакууме до высокой температуры (1300 – 2000°C). В результате получается пористая структура, похожая на губку. За счёт высокой пористости удаётся получить большую площадь анодной обкладки.
Формирование диэлектрика.
Далее при производстве конденсатора формируется диэлектрик. Это делается с помощью электрохимического окисления.
Меняя величину приложенного напряжения, формируют необходимую толщину слоя диэлектрика.
На пористой поверхности танталового анода образуется тончайшая плёнка диэлектрика – пентаоксида тантала Ta2O5. Благодаря этому оксиду удаётся получить очень тонкую и непроводящую плёнку. Отметим, что полученный диэлектрик имеет аморфную структуру и не проводит ток. Также существует кристаллический Ta2O5, но в отличие от аморфного он является проводником. Запомним эту особенность.
Для сравнения. У рядовых алюминиевых электролитических конденсаторов толщина диэлектрика чуть менее 1 мкм (1 мкм = 0,000 001 метра). Это в 100 раз больше, чем толщина самой тонкой плёнки пентаоксида тантала в 10 нанометров.
Твёрдотельный электролит.
В качестве электролита в танталовых конденсаторах используется диоксид марганца MnO2. Данный оксид является твёрдотельным полупроводниковым материалом.
Полученную ранее губчатую структуру из пористого танталового порошка с образованным слоем диэлектрика пропитывают солями марганца. Далее с помощью окислительно-восстановительной реакции под нагревом формируют слой твёрдого электролита. Процесс повторяется несколько раз.
Особенности катода танталового конденсатора.
Для наилучшего контакта с выводом катода твёрдый электролит MnO2 покрывают слоем графита, а на его поверхность наносят металл, обычно это серебро. Так что в танталовых конденсаторах присутствует один из самых востребованных драгоценных металлов. О драгметаллах в радиодеталях читайте здесь.
Полученную конструкцию запрессовывают в компаунд. Вот так в общих чертах выглядит устройство и технология изготовления танталового конденсатора.
ESR танталовых конденсаторов.
ESR танталового конденсатора на низких частотах определяется сопротивлением диэлектрика Ta2O5, а на высоких частотах его определяет уже сопротивление электролита MnO2.
Как известно, импеданс (ёмкостное сопротивление) с ростом частоты падает вплоть до частот мегагерцового диапазона. А поскольку сопротивление электролита MnO2, которое входит в ESR также уменьшается с увеличением температуры, то на высоких частотах ESR тоже уменьшается.
Благодаря этому, танталовые конденсаторы прекрасно работают в импульсных источниках питания, рабочая частота которых выше 100 кГц. На высоких частотах ESR их очень мал.
Недостатки танталовых конденсаторов.
Особенностью танталовых конденсаторов является то, что пентаоксид тантала имеет аморфную структуру и не проводит ток. Но, вот кристаллический Ta2O5 является прекрасным проводником. Под действием внешней температуры и высокого напряжения в диэлектрике образуются участки с кристаллическим Ta2O5. Это приводит к резкому возрастанию токов утечки и пробою.
При малых областях кристаллизации Ta2O5 может проявляться эффект восстановления. Возросший ток через область пробоя вызывает сильный нагрев и, как следствие, химические реакции в структуре твёрдого электролита MnO2. В результате нескольких преобразований образуется непроводящий оксид марганца (MnO). Таким образом, место пробоя «закрывается» непроводящим ток оксидом.
Дефект конденсатора может быть вызван не только эксплуатацией в жёстких условиях.
Также причиной пробоя могут быть:
Механические повреждения диэлектрика при производстве, например, при ударе и вибрациях;
Повреждение слоя диэлектрика при формировании твёрдого электролита. Так как в результате формирования электролита происходит химическая реакция с выделением тепла и газа, то из-за этого может быть повреждён диэлектрик.
Любой, даже самый чистый материал имеет включения и загрязнения. Так и танталовый порошок имеет загрязнения в виде примесей: железа, кальция, углерода и т.д. Если слой диэлектрика будет слишком тонкий, чтобы покрыть участки загрязнения, то в месте присутствия примесей образуется утечка и пробой.
Наличие вкраплений кристаллического оксида тантала, которые могут образоваться в процессе производства или быть результатом некачественного сырья.
При пайке методом оплавления, который применяется на массовом производстве, наблюдается так называемая «газация» танталовых чип-конденсаторов. Дело в том, что при их неправильном хранении или из-за низкого качества самих изделий, конденсаторы впитывают влагу. Это приводит к тому, что при нагреве влага превращается в пар и вырывается наружу. Это приводит к повреждению корпуса и смещению рядом установленных компонентов.
Особенности применения танталовых конденсаторов.
В настоящее время в широкой продаже имеются танталовые конденсаторы на номинальное напряжение до 75V. Как оказалось, танталовые конденсаторы очень чувствительны к превышению номинального напряжения. Наблюдения показали, что если снизить рабочее напряжение на 50%, то показатель отказов снижается на 5%. Именно поэтому их рекомендуют использовать в схемах, где рабочее напряжение ниже номинального напряжения.
Обычно танталовые конденсаторы встречаются на печатных платах в виде SMD-элементов жёлто-оранжевого цвета. Несмотря на свои скромные размеры, они обладают ёмкостью в несколько десятков – сотен микрофарад и рассчитаны на рабочее напряжение от 4 до 75 вольт. Со стороны плюсового вывода на их корпус наносится полоса.
Танталовые конденсаторы для монтажа в отверстия обычно имеют каплевидную форму, покрыты жёлто-оранжевым компаундом и имеют со стороны плюсового вывода метку в виде линии.
Маркировка танталовых конденсаторов похожа на маркировку керамических. Ёмкость указывается тремя цифрами, последняя указывает на количество нулей. Таким образом, запись 226 говорит нам о том, что ёмкость равна 22 000 000 пикофарад = 22 000 нанофарад = 22 микрофарады. Номинальное напряжение (Rated Voltage) указывается ниже. Далее на фото видно, что номинальное напряжение конденсатора равно 35 вольтам (надпись 35).
На некоторых конденсаторах маркировка иная. После числового значения ёмкости ставится буква µ (микро), а после номинального напряжения конденсатора указывается буква V.
На фото показан танталовый конденсатор ёмкостью 10 мкФ и номинальное напряжение 16V.
Многие радиолюбители могут вспомнить случай взрыва танталового конденсатора по причине неправильной переплюсовки. В этой статье я расскажу, что такое танталовый конденсатор, зачем он нужен и как вообще с ним работать. Если после прочтения у вас останутся вопросы – смело задавайте их в комментариях, а я постараюсь ответить.
Содержание статьи
Твердотельные танталовые конденсаторы по большинству параметров соответствуют требованиям к современным электронным устройствам. Они отличаются малыми габаритами, высокой удельной емкостью, надежностью (при соблюдении правил на всех этапах их жизни) и совместимостью с общепринятыми технологиями монтажа. Преимуществом является и то, что важный параметр конденсатора – ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) – с ростом частоты не возрастает, а в некоторых случаях даже уменьшается. Чтобы сократить число отказов и продлить рабочий период устройства, необходимо учитывать его индивидуальные особенности при изготовлении, хранении, монтаже и во время работы.
Так выглядят танталовые конденсаторы
Почему тантал используют для производства конденсаторов
Тантал способен при окислении формировать плотную оксидную пленку, толщину которой можно регулировать с помощью технологических приемов, тем самым изменяя параметры конденсатора.
Помимо тантала конденсаторы делают из керамики, слюды, бумаги и алюминиевой фольги.
Описание и назначение танталовых конденсаторов
Современные танталовые конденсаторы имеют малые размеры и относятся к чип-компонентам, которые предназначены для монтажа на плате. Иначе такие детали называются SMD, что расшифровывается как «компоненты поверхностного монтажа». SMD детали удобны для автоматизированных процессов монтажа и пайки на печатные платы.
Основное назначение электролитических поляризованных танталовых конденсаторов – действовать в комплексе с резистором с целью обработки сигнала и сглаживания его пиков и острых импульсов.
Конденсаторы широко используются в автомобильной, промышленной, цифровой, аэрокосмической технике.
Устройство танталовых твердотельных конденсаторов
Танталовый конденсатор относится к электролитическому типу. В его состав входят 4 основные части: анод, диэлектрик, твердый электролит, катод. Изготовление танталового конденсатора состоит из ряда достаточно сложных технологических операций.
Изготовление анода
Пористую гранулированную структуру получают прессованием из высокоочищенного танталового порошка. В процессе спекания в условиях глубокого вакуума при температурах +1300…+2000°C из порошка образуется губчатая структура с развитой площадью поверхности. Благодаря ей, обеспечивается высокая емкость при небольшом объеме. Танталовый конденсатор при одинаковой с алюминиевым устройством емкости имеет гораздо меньший объем.
Формирование диэлектрического слоя
Диэлектрический оксидный слой выращивают на поверхности анода из пентаоксида тантала в процессе электрохимического окисления. Толщину оксида можно регулировать изменением напряжения. Обычно толщина диэлектрической пленки составляет доли микрометра. Оксидный слой имеет не кристаллическую, а аморфную структуру, которая обладает значительным электросопротивлением.
Получение электролита
Электролитом служит твердотельный полупроводник – диоксид марганца, – который получают термообработкой солей марганца в ходе окислительно-восстановительного процесса. Для этого анодный губчатый слой покрывают солями марганца, а затем нагревают их до получения диоксида марганца. Процесс повторяют несколько раз до полного покрытия анода.
Формирование катодного слоя
Для улучшения контакта электролит покрывают графитовым, а затем металлическим слоем. В качестве металла обычно используют серебро. Сформированный композит запрессовывают в компаунд.
Особенности танталовых конденсаторов
В отличие от электролитических, танталовые конденсаторы при переплюсовке или пробое взрываются. Сила взрыва зависит от размеров конденсатора и может повредить как соседние элементы, так и монтажную плату.
Пробои танталовых конденсаторов
При использовании этих эффективных, но немного капризных устройств, необходимо контролировать появление состояния отказа, поскольку известны случаи их возгорания при отказе. Отказы связаны с тем, что при неправильной эксплуатации пентаоксид тантала меняет аморфную структуру на кристаллическую, то есть из диэлектрика он превращается в проводник. Смена структур может наступить из-за слишком высокого пускового тока. Пробой диэлектрика вызывает повышение токов утечки, которые в свою очередь приводят к пробою самого конденсатора.
Причиной неприятностей, связанных с эксплуатацией танталовых конденсаторов, может быть диоксид марганца. Кислород, который присутствует в этом соединении, вызывает появление локальных очагов возгорания. Пробои с возгоранием характерны для старых моделей. Новые технологии позволяют получать более надежную продукцию.
Пробои, которые произошли при высоких температурах и напряжении, могут вызывать эффект лавины. В этом случае повреждения часто распространяются на большую часть или всю площадь устройства. Если же площадь кристаллизованного пентаоксида тантала небольшая, то часто происходит эффект самовосстановления. Он возможен, благодаря преобразованиям, происходящим в электролите в случае пробоя диэлектрика. В результате всех превращений кристаллизованный участок-проводник оказывается окруженным оксидом марганца, который полностью нейтрализует его проводимость.
Другие дефекты танталовых конденсаторов
Кроме пробоя, в результате неправильной производственной технологии и нарушения правил транспортировки и хранения в конденсаторе возникают и другие дефекты:
Недостатки танталовых конденсаторов
Танталово-полимерные конденсаторы
Большая часть проблем, характерных для танталовых конденсаторов, решена в танталово-полимерных аналогах. В качестве электролита в танталово-полимерных конденсаторах вместо диоксида марганца используется токопроводящий полимер. Он дает минимальный ESR, что позволяет пропускать гораздо большие токи, по сравнению с танталовыми предшественниками. Танталово-полимерные устройства успешно применяются в качестве сглаживающих конденсаторов в источниках питания и преобразователях напряжения.
Токопроводящий полимер обеспечивает низкую чувствительность к импульсам тока, стойкость к внешним факторам, отсутствие деградации структуры, более высокий срок службы. Высокая стабильность емкости в широком интервале частот и температур позволяет применять танталово-полимерные устройства в промышленной, телекоммуникационной и автомобильной электронике и других областях, для которых характерно колебание рабочих температур.
Основные характеристики танталовых конденсаторов
Для определения безопасного режима работы необходимо рассчитать уровни разрешенных значений тока и напряжения. Для расчетов необходимо знать следующие параметры танталовых конденсаторов, которые отражаются в документации:
Особенности проектирования плат и монтажа танталовых конденсаторов
Для этих устройств подходят практически все материалы печатных плат – FR4, FR5, G10, фторопласт, алюминий. Форма, размер посадочного места и способ монтажа указываются производителями деталей. Изменить рекомендуемые параметры монтажа может специалист, имеющий достаточно знаний и навыков, чтобы правильно скорректировать температуру пайки.
Перед монтажом на плату наносят паяльную пасту. Толщина слоя – 0,178+/-0,025 мм. Для того чтобы флюс, находящийся в пасте, эффективно растворил оксиды с мест контакта, подбирают оптимальный температурный режим пайки. Обычно это делают опытным путем.
Монтаж на плату осуществляется вручную или с помощью автоматизированного оборудования любого типа, применяемого сегодня. Пайка производится: вручную, волновым способом, в инфракрасных или конвекционных печах. Температурный режим предподогрева и пайки обычно предоставляют производители конкретной продукции.
Маркировка танталовых конденсаторов
В маркировке конденсаторов указывают стандартные параметры: емкость, номинальное напряжение, полярность. На корпусах типов B, C, D, E, V отображают все параметры, а на корпусе типа A вместо номинала напряжения указывают его буквенный код. В маркировке может указываться дополнительная информация – логотип производителя, код даты производства и другая.
Таблица буквенных кодов напряжения для корпусов типа A
Танталовые конденсаторы: особенности применения
Целью данной статьи является ознакомление пользователей с особенностями эксплуатации, монтажа и хранения танталовых конденсаторов. Статья содержит описание механизмов пробоя танталовых конденсаторов, предлагает вариант расчета допустимых уровней рабочих токов и напряжений для различных частотных диапазонов.
Электронная промышленность движется в сторону уменьшения габаритов электронных устройств и в сторону увеличения частот переключения: за последние десять лет рабочие частоты преобразователей возросли с 10 кГц до 100 кГц и выше. Требование высоких рабочих частот и малых габаритов приводят к расширению применения твердотельных танталовых конденсаторов. Твердотельные танталовые конденсаторы обладают отличными характеристиками: высокой удельной емкостью, малыми габаритами (рисунок 1, таблица 1) [1]. Значение ESR таких конденсаторов остается неизменным с ростом частоты или даже уменьшается, а значение импеданса на частотах 100 кГц и выше достигает минимального значения. Кроме того, они отличаются высокой надежностью и совместимы со всеми общепринятыми технологиями монтажа.
Рисунок 1 – Габариты танталовых чип-конденсаторов
Таблица 1 – Габариты общепринятых типоразмеров танталовых чип-конденсаторов
| Типоразмер | Габаритные размеры дюйм [мм] | |||||
| L | W | H | P | TW | TH (мин.) | |
| A | 0.126 ± 0.008 | 0.063 ± 0.008 | 0.063 ± 0.008 | 0.031 ± 0.012 | 0.047 ± 0.004 | 0.028 |
| [3.2 ± 0.20] | [1.6 ± 0.20] | [1.6 ± 0.20] | [0.80 ± 0.30] | [1.2 ± 0.10] | [0.70] | |
| B | 0.138 ± 0.008 | 0.110 ± 0.008 | 0.075 ± 0.008 | 0.031 ± 0.012 | 0.087 ± 0.004 | 0.028 |
| [3.5 ± 0.20] | [2.8 ± 0.20] | [1.9 ± 0.20] | [0.80 ± 0.30] | [2.2 ± 0.10] | [0.70] | |
| C | 0.236 ± 0.012 | 0.126 ± 0.012 | 0.098 ± 0.012 | 0.051 ± 0.012 | 0.087 ± 0.004 | 0.039 |
| [6.0 ± 0.30] | [3.2 ± 0.30] | [2.5 ± 0.30] | [1.3 ± 0.30] | [2.2 ± 0.10] | [1.0] | |
| D | 0.287 ± 0.012 | 0.169 ± 0.012 | 0.110 ± 0.012 | 0.051 ± 0.012 | 0.094 ± 0.004 | 0.039 |
| [7.3 ± 0.30] | [4.3 ± 0.30] | [2.8 ± 0.30] | [1.3 ± 0.30] | [2.4 ± 0.10] | [1.0] | |
| E | 0.287 ± 0.012 | 0.169 ± 0.012 | 0.157 ± 0.012 | 0.051 ± 0.012 | 0.094 ± 0.004 | 0.039 |
| [7.3 ± 0.30] | [4.3 ± 0.30] | [4.0 ± 0.30] | [1.3 ± 0.30] | [2.4 ± 0.10] | [1.0] | |
| V | 0.287 ± 0.012 | 0.169 ± 0.012 | 0.079 max | 0.051 ± 0.012 | 0.094 ± 0.004 | 0.039 |
| [7.3 ± 0.30] | [4.3 ± 0.30] | [2.0 max] | [1.3 ± 0.30] | [2.4 ± 0.10] | [1.0] | |
Главной задачей при эксплуатации танталовых конденсаторов является увеличения срока службы и сокращение числа отказов. Анализ показал, что это возможно только при учете их особенностей на всех этапах жизни: производстве, хранении, монтаже, эксплуатации. Для того чтобы определить причины выхода танталовых конденсаторов из строя, необходимо рассмотреть их конструкцию и особенности производства.
Конструкция и производство твердотельных танталовых конденсаторов
Тантал выбран в качестве основного материала для конденсаторов не случайно [1]. Дело в том, что существует всего несколько металлов, которые при окислении способных создавать плотные и непроводящие оксидные пленки: титан, цирконий, ниобий, тантал, алюминий и некоторые другие. Однако, среди перечисленных металлов, только при использовании алюминия и тантала удается технологически контролировать толщину оксидной пленки.
Твердотельные танталовые конденсаторы являются электролитическими конденсаторами, которые состоят из четырех основных частей: анода, диэлектрика, электролита (жидкого или твердого) и катода (рисунок 2).
Рисунок 2 – Конструкция твердотельного танталового чип-конденсатора
Производство конденсаторов представляет собой сложную цепочку технологических операций [2].
Создание анода. В твердотельных танталовых конденсаторах анод представляет собой пористую гранулированную структуру, похожую на губку (рисунок 2), изготовленную из прессованного танталового порошка высокой степени очистки. Эта губку получают в процессе спекания в условиях глубокого вакуума при высоких температурах, которые, как правило, лежат в диапазоне от 1300 до 2000°C. Очевидно, что такая структура имеет высокое соотношение объема и суммарной площади поверхности благодаря высокой степени пористости.
Оксидная пленка (Ta2O5) имеет аморфную, а не кристаллическую структуру. Это является важным фактором, так как такая структура обеспечивает высокое электрическое сопротивление.
С другой стороны, Ta2O5 может находиться и в кристаллическом состоянии. Кристаллический оксид тантала является проводящим материалом и не обеспечивает требований, предъявляемых к диэлектрику. Ниже будет показано, что наличие кристаллов Ta2O5 является крайне негативным фактором.
Формирование электролита. В качестве электролита используют диоксид марганца (MnO2), который представляет собой твердотельный полупроводниковый материал. Диоксид марганца формируется в ходе окислительно-восстановительной реакции при термической обработке солей марганца. В процессе изготовления конденсатора полученную ранее губчатую структуру пропитывают солями марганца и подвергают нагреву до получения диоксида марганца на поверхности (рисунок 2). Этот процесс пропитки и нагревания повторят несколько раз, до полного покрытия всей структуры.
Создание катода. Для улучшения степени контакта поверхность диоксида марганца покрывают слоем графита, а на графит наносят проводящее металлическое покрытие, обычно серебро.
Полученную структуру запрессовывают в компаунд (рисунок 2).
Представленное описание конструкции позволяет определить механизмы выхода конденсатора из строя. Основной причиной отказов является пробой танталовых конденсаторов.
Пробой танталовых конденсаторов
Пробой танталовых конденсаторов (breakdown) связан с резким возрастанием токов утечки («leakage current») [2]. Как и все конденсаторы, танталовые конденсаторы имеют токи утечки. Величина их мала и постоянна, но их наличие все равно необходимо учитывать. Так, например, во времязадающих цепях ток заряда конденсатора должен превышать ток утечки как минимум в 10 раз. Например, при заряде 47 мкФ конденсатора через резистор 100 кОм напряжением 5 В ток утечки не должен превышать 5 мкА во всем рабочем диапазоне температур.
Возрастание тока утечки связано с пробоем диэлектрика (Ta2O5). Механизм пробоя достаточно хорошо изучен. Диэлектрик, изначально имеющий аморфную структуру, на отдельных участках поверхности кристаллизуется под действием различных факторов (температура, высокое напряжение). Кристаллический пентаоксид тантала является проводящим материалом, что приводит к резкому возрастанию токов утечки (рисунок 3).
Рисунок 3 – Возрастание токов утечки при кристаллизации диэлектрика
Если пробой произошел при приложении высокого напряжения и высоких температур, то реакция может быстро распространиться на всю поверхность диэлектрика – лавинообразный эффект («avalanche effect»). Степень распространения лавинообразного эффекта может быть различной. Поэтому и степень повреждений варьируется от относительно маленьких «выгоревших» точек до зигзагообразных выжженных участков на поверхности диэлектрика, при этом возможно даже повреждение танталовой основы и металлических контактов.
Если площадь кристаллизации диэлектрика не велика, может проявиться эффект самовосстановления («healing effect». В этом случае ток, протекающий через кристаллизованный диэлектрик, вызывает его перегрев, что приводит к химическим преобразованиям в структуре электролита (MnO2). Эти преобразования происходят в следующем порядке:
Уровень перегрева определяет ступень превращения. Первое превращение (MnO2) → (MnO2O3) требует разогрева до 530°C, а последнее происходит при 1000°C. Каждое следующее преобразование приводит к появлению оксида с меньшим значением проводимости, чем у предыдущего. В результате проводящий кристаллический участок оказывается изолированным непроводящим оксидом марганца (рисунок 4).
Рисунок 4 – Эффект самовосстановления (”healing effect”)
Кроме пробоя, возникающего в процессе неграмотной эксплуатации, возможно нарушение целостности диэлектрика из-за различных дефектов, возникших в процессе производства и транспортировки [2]. Существует несколько основных видов дефектов.
Механические дефекты могут быть двух видов. Первый вид дефектов возникает при повреждении слоя диэлектрика после того, как он был выращен на металлической подложке. Это может произойти, например, при ударе структуры конденсатора о твердую поверхность.
Второй вид механических дефектов возникнет при формировании слоя электролита (MnO2). Дело в том, что восстановление MnO2 из солей марганца представляет собой достаточно бурную реакцию с образованием пара, выделением газов и тепла. Так как структура поверхности танталового анода пористая, то внутри пор на поверхность диэлектрика оказывается давление. Совместное действие теплового удара и давления газов внутри малых пор может вызвать повреждение диэлектрика.
Дефекты, связанные с примесями возникают из-за наличия на поверхности тантала различных включений (примесей или загрязнений). Такими примесями могут быть: углерод и металлы (железо, кальций и др.). При отсутствии поверхностных включений слой диэлектрика будет равномерным. Однако при наличии загрязнений образования оксида тантала в этих местах не будет (так как в этих местах не будет достаточного количества тантала). При большой толщине наращиваемого диэлектрика эти места будут заращиваться оксидом, но толщина его будет ниже, чем во всей структуре в целом (рисунок 5).
Рисунок 5 – Нарушение слоя диэлектрика при наличии загрязнений на аноде
Наличие кристаллических вкраплений в слое аморфного оксида тантала (Ta2O5) является третьей причиной нарушения слоя диэлектрика при производстве. Кристаллизация может происходить по ряду причин: материал или концентрация электролита не соответствует требованиям, несоблюдение температурного режима, наличие примесей в исходных материалах. Кроме того, кристаллизация может возникать при избытке кислорода в среде при создании танталового анода (этот процесс, как говорилось выше, должен проходить в условиях глубокого вакуума). При наличии кислорода на поверхности танталового анода возникают пирамидальные слои кристаллического оксида тантала. Как было сказано выше эти участки являются проводящими. Именно поэтому производители танталового порошка прикладывают большие усилия, чтобы минимизировать количество кислорода в порошке, прежде чем поставлять его производителю конденсаторов. В свою очередь производитель конденсаторов старается максимально контролировать параметры спекания анода.
Таким образом, качество, надежность и срок службы во многом определяется еще на этапе производства. Чем более ответственно производитель конденсаторов следит за выполнением технологии изготовления и качеством материалов, тем надежнее будет итоговый продукт.
Следующим важным этапом, определяющим срок службы конденсаторов, является правильный расчет рабочих режимов: определение допустимых уровней токов и напряжений. Для этого расчета необходимо определить основные параметры танталовых конденсаторов и их особенности.
Основные параметры танталовых конденсаторов
Расчет безопасных режимов работы подразумевает определение уровней допустимых напряжений и токов [3]. Для этого расчета потребуется использование основных параметров танталовых конденсаторов, которые могут быть найдены в документации на соответствующие компоненты.
Номинальная емкость («Capacitance»). Танталовые конденсаторы имеют высокую удельную емкость, что объясняется достаточно просто. Как известно, емкость конденсатора определяется по формуле:
где εr– диэлектрическая проницаемость материала, ε0 – электрическая постоянная, S – площадь электродов, d – толщина диэлектрика.
Диэлектрик (Ta2O5) имеет высокое значение диэлектрической проницаемости ε=26 (таблица 2) [1]. Кроме того, сама по себе поверхность анода в структуре конденсатора является гранулированной и имеет большую площадь. В результате, емкость танталовых конденсаторов составляет сотни и тысячи микрофарад (таблица 3).
Таблица 2 – Диэлектрическая проницаемость различных материалов
| Тип диэлектрика | Диэлектрическая проницаемость, ε |
| Воздух (вакуум) | 1.0 |
| Бумага | 2.0 … 6.0 |
| Пластик | 2.1 … 6.0 |
| Минеральное масло | 2.2 … 2.3 |
| Силиконовое масло | 2.7 … 2.8 |
| Кварц | 3.8 … 4.4 |
| Стекло | 4.8 … 8.0 |
| Фарфор | 5.1 … 5.9 |
| Слюда | 5.4 … 8.7 |
| Al2O3 | 8.4 |
| Ta2O5 | 26 |
| Керамика | 12 … 400000 |
Таблица 3 – Номенклатура и параметры танталовых конденсаторов серии 293D (Vishay)
| Емкость. мкФ | 4 В | 6.3 В | 10 В | 16 В | 20 В | 25 В | 35 В | 50 В | 63 В | 75 В |
| 0.10 | A | A | A | A | ||||||
| 0.15 | A | A/B | B | |||||||
| 0.22 | A | A/B | B | |||||||
| 0.33 | A | AA | A/B | B | ||||||
| 0.47 | A | A | A | A/B | A/B/C | B | ||||
| 0.68 | A | A | A | A/B | B/C | C | ||||
| 1.0 | A | A | A/B | A/B | A/B | B/C | D | |||
| 1.5 | A | A | A/B | A/B | A/B | B/C | B/C/D | D | ||
| 2.2 | A | A | A/B | A/B | A/B | A/B/C | B/C | B/C/D | D | |
| 3.3 | A | A/B | A/B | A/B | A/B/C | A/B/C | B/C/D | C/D | D | |
| 4.7 | A/B | A/B | A/B/C | A/B/C | A/B/C | A/B/C/D | B/C/D | C/D/E | D | E |
| 6.8 | A/B | A/B | A/B/C | A/B/C | A/B/C | B/C/D | C/D | D/E | ||
| 10 | A/B | A/B/C | A/B/C | A/B/C/D | B/C/D | B/C/D | C/D | D/E | E | |
| 15 | A/B/C | A/B/C | A/B/C | B/C | B/C/D | B/C/D | D/E | E | ||
| 22 | A/B/C | A/B/C | A/B/C/D | B/C/D | B/C/D | C/D/E/V | D/E | |||
| 33 | A/B/C | A/B/C | B/C/D | B/C/D | C/D | D/E | ||||
| 47 | A/B/C | A/B/C/D | B/C/D | C/D/E | D/E | D/E | ||||
| 68 | B/C/D | B/C/D | B/C/D/E/V | D/E | D/E | E | ||||
| 100 | A/B/C/D | B/C/D/E | B/C/D/E/V | D/E/V | D/E | |||||
| 120 | D | D | E | |||||||
| 150 | B/C/D | C/D/E | C/D/E | D/E | ||||||
| 220 | B/C/D/E | C/D/E | D/E/V | E | ||||||
| 330 | D/E | D/E | D/E | |||||||
| 470 | D/E | D/E | E | |||||||
| 680 | D/E | E | ||||||||
| 1000 | E | E |
Номинальное напряжение («Rated Voltage»). Современные твердотельные танталовые конденсаторы выпускаются на номинальные напряжения до 75 В (таблица 3). Следует отметить, одну особенность данного параметра: для нормального функционирования в составе различных устройств, танталовые конденсаторы должны использоваться при напряжениях меньших, чем номинальное [4].
Это правило появилось в 50-е годы, и было связано с особенностями военной приемки танталовых конденсаторов, и установленными тогда же процедурами определения надежности. Эти стандартные испытания подразумевали определение надежности с выдержкой конденсаторов при номинальном напряжении в течение 1000 часов, температуре 85°C и токограничительном резисторе менее 3 Ом. Приемка «М» подразумевает, что количество отказов за 1000 часов не превышает 1%. Как военные, так и коммерческие компоненты разрабатывались с учетом требований этого стандарта.
Эти условия остаются промышленным стандартом до сих пор, но современные низкоимпедансные схемы (с минимальным ограничительным сопротивлением) требуют более высокой надежности, чем обеспечивает приемка «М». Так как в последнее время стали доступны данные по числу отказов (в основном данные о военной электронике), то стало возможным проведение фактических расчетов и создания нового стандарта Mil-Std-217, который учитывает требования всех типов конденсаторов.
Исследования показали, что для повышения надежности необходимо снижать рабочее напряжение. Снижение рабочего напряжения до 50% от номинального напряжения RV («Rated Voltage»), приводит к снижению показателя отказов FIT («Failures In Time») до 5% (рисунок 6).
Рисунок 6 – Снижение числа отказов при уменьшении рабочего напряжения
Полное сопротивление алюминиевого электролитического конденсатора (импеданс). Как известно, эквивалентная схема замещения конденсатора (рисунок 7) кроме емкостной составляющей содержит ряд дополнительных элементов:
Рисунок 7 – Эквивалентная схема конденсатора
Полное сопротивление схемы имеет сложную частотную зависимость (рисунок 8). Главной особенностью этой зависимости является тот факт, что с ростом частоты импеданс уменьшается вплоть до мегагерцового диапазона. Это позволяет использовать танталовые конденсаторы в современных источниках питания, работающих на частотах от 100 кГц и выше.
Рисунок 8 – Типовая частотная зависимость импеданса и ESR
Эквивалентное последовательное сопротивление («Equivalent Series Resistance», ESR). При работе на переменном напряжении конденсатор обладает последовательным сопротивлением. На низких частотах это сопротивление определяется сопротивлением диэлектрика (Ta2O5). На высоких частотах начинает преобладать сопротивление электролита (MnO2). Типовая частотная зависимость определяет уменьшение ESR с ростом частоты вплоть до мегагерцового диапазона (рисунок 8).
Так как сопротивление диоксида марганца обратно пропорционально температуре, то ESR твердотельного танталового конденсатора на высоких частотах уменьшается с ростом температуры.
Максимальная рассеиваемая мощность («Power dissipation»). Когда к твердотельному танталовому конденсатору приложено переменное напряжение, наличие последовательного сопротивления приводит к выделению тепла, согласно формуле:
Допустимое повышение температуры конденсатора за счет выделяемой мощности определяется экспериментально. Например, значение перегрева в 20°C является максимальным для стандартных танталовых чип-конденсаторов. В свою очередь этот перегрев определяет и максимальную выделяемую мощность (таблица 4).
Таблица 4 – Максимальная рассеиваемая мощность конденсаторов серии 293D
| Типоразмер | Максимальная рассеиваемая мощность (25°С). Вт |
| A | 0.075 |
| B | 0.085 |
| C | 0.11 |
| D | 0.15 |
| E | 0.165 |
| V | 0.125 |
Ознакомившись с конструкцией, механизмами пробоя и основными параметрами танталовых конденсаторов, можно определить основные ограничения, накладываемые на рабочие уровни токов и напряжений.
Определение безопасных рабочих напряжений
При эксплуатации конденсаторов необходимо выбирать рабочие напряжения с учетом целого ряда особенностей [2,3].
1. Работа конденсаторов при напряжениях выше номинального не допускается. Работа конденсатора на повышенных напряжениях снижает срок его службы (рисунок 6). В документации на конкретные серии часто приводятся рекомендуемые значения для уровней напряжения (таблица 5). Эти значения представляют собой компромисс между надежностью (потенциальным сроком службы) и необходимым напряжением питания
Таблица 5 – Рекомендуемые значения рабочих напряжений для серии 293D (Vishay)
| Номинальное напряжение, В | Рекомендуемое рабочее напряжение (стандартные условия, например выходной фильтр), В | Рекомендуемое рабочее напряжение (тяжелые условия, например входной фильтр), В |
| 4.0 | 2.5 | 2.5 |
| 6.3 | 3.6 | 3.3 |
| 10 | 6.0 | 5.0 |
| 16 | 10 | 8.0 |
| 20 | 12 | 10 |
| 25 | 15 | 12 |
| 35 | 24 | 15 |
| 50 | 28 | 24 |
| 63 | 36 | 31 |
| 75 | 42 | 37 |
2. Суммарное напряжение постоянной и переменной составляющих напряжения не должны превышать номинальное напряжение.
3. Максимально допустимое среднеквадратичное напряжение определяется с учетом наличия постоянной составляющей.
Если постоянное смещение больше половины предельного напряжения (Vbias>0.5·Vpp), то допустимое среднеквадратичное напряжение вычисляется по формуле:
Vrms = (Vpp-Vbias) / √2, (3)
Максимальный среднеквадратичный ток (формула 6):
Irms = Vrms/Z = 12.37/1660 = 0.007 A
Еще раз стоит напомнить, что в расчетах использовалось минимальное значение емкости с учетом точности номинала.
Расчет для частоты 100 кГц
На высоких частотах основное ограничение на величину тока вносит допустимая рассеиваемая мощность. Максимальный среднеквадратичный ток может быть вычислен по формуле (12), зная значения Pmax и ESR.
Значение допустимой рассеиваемой мощности для типоразмера B можно взять из таблицы 3: Pmax (тип B) = 0.085 Вт.
Значение ESR выбирается одним из предложенных способов:
В расчетах необходимо использовать максимальное значение ESR. Подставляя найденные значения в формулу (12), получаем:
Irms = √Pmax/ESR = √0.085/5 = 0.13 A
Значение максимального среднеквадратичного напряжения можно определить из формулы (3). Значение импеданса определено по графику (рисунок 8).
Vrms = Irms·Z = 0.13·3 = 0.39 B
Помимо грамотного расчета рабочих режимов необходимо соблюдать требования хранения и технологию монтажа танталовых конденсаторов.
Особенности проектирования печатных плат
Твердотельные танталовые конденсаторы не накладывают каких-либо специфических ограничений на материал печатной платы. Могут быть использованы все общепринятые материалы: FR4, FR5, G10, алюминиевые платы, фторопластовые (PTFE) платы.
Форма и размер контактных площадок, как правило, предоставляются производителями конденсаторов. Чертеж посадочного места сопровождается указанием способа монтажа.
Если требуется использовать форму или размеры площадок отличные от рекомендуемых, следует позаботиться об отладке процесса монтажа. Это может потребовать корректировки температурных режимов пайки.
Особенности монтажа танталовых конденсаторов
Нанесение паяльной пасты. Рекомендованная толщина паяльной пасты составляет 0.178 ±0.025 мм. Не смотря на то, что особых требований к паяльной пасте не предъявляется, необходимо помнить, что флюс, используемый в пасте должен достаточно эффективно удалять окислы с контактных площадок, для эффективного растекания пасты и тепла при пайке. На практике этого добиваются подбором оптимального режима пайки. Обычно для улучшения удаления окислов стадию предпрогрева увеличивают [1].
Установка и позиционирование конденсаторов. Твердотельные танталовые чип-конденсаторы имеют общепринятую систему маркировки, которая включает обозначение емкости, номинального напряжения и полярности (рисунок 10). В случае корпусов типа B, C, D, E, V используется полная версия маркировки. В случае корпуса А используется сокращенная маркировка, в которой вместо значения напряжения приводится буквенный код. Маркировка может иметь дополнительные поля: код даты, индивидуальный код (логотип) производителя, дополнительная маркировка исполнения [1].
Рисунок 10 – Маркировка танталовых чип-конденсаторов Vishay
Установка конденсаторов стандартных типоразмеров на платы может производиться как вручную, так и с использованием автоматизированных систем. Особых ограничений на тип автоматизированного оборудования, как правило, не предъявляется.
Пайка. Пайка танталовых конденсаторов возможна практически любым из общепринятых способов: вручную, в конвекционных печах, в инфракрасных печах, пайка волной. Однако стоит понимать, что при необходимо придерживаться тех способов, которые позволяют придерживаться рекомендуемого температурного режима (рисунок 11, таблица 8). Рекомендуемый температурный режим пайки предполагает предпрогрев со скоростью нарастания температуры, не превышающей 3°C /с [1].
Можно отметить, что SnPb конденсаторы могут использовать температурные режимы, разработанные для (Pb)-free конденсаторов.
Рисунок 11 – Рекомендуемый режим пайки танталовых чип-конденсаторов
Таблица 8 – Параметры рекомендуемого режима пайки
| Параметр | Значение | |
| SnPb | LEAD (Pb)-FREE | |
| Предпрогрев | ||
| Минимальная Температура предпрогрева (Ts min), °C | 100 | 150 |
| Температура предпрогрева максимальная (Ts max), °C | 150 | 200 |
| Время перехода от Ts min до Ts max, с | от 60 до 120 | |
| Прогрев | ||
| Максимально допустимая скорость прогрева при переходе от TL до Tp, °C/с | 3 | |
| Температура ликвидуса (TL), °C | 183 | 217 |
| Время нахождения при температуре выше температуры ликвидуса (tL), с | от 60 до 150 | |
| Пиковая температура (Tp), °C | ||
| типоразмеры A, B, C, V | 235 | 260 |
| типоразмеры D, E, W | 220 | 250 |
| Время нахождения в температурном диапазоне от Tp до (Tp — 5) °C (tp), c | 20 | 30 |
| Максимально допустимое время выхода на пиковую температуру, мин | 6 | 8 |
| Охлаждение | ||
| Скорость охлаждения при переходе от Tp до TL, °C/с | 6 | |
Очистка плат после пайки. При очистке допустимо использовать практически все общеизвестные отмывочные средства (TES, TMS, Prelete, Chlorethane, Terpene). Исключение составляют отмывочные средства на базе дихлорметана (methylene chloride) и других веществ, способных растворять компаунды корпуса.
При использовании ультразвуковой чистки стоит помнить о том, что суть метода состоит в создании вибрации платы, что может привести к нарушению паяных соединений.
Особенности хранения танталовых конденсаторов
Твердотельные конденсаторы сохраняют свои характеристики в течение долгого времени, это связано с отсутствием явных механизмов старения. При строгом соблюдении условий хранения (температура не более 40°C, влажность 60%), длительность хранения этих конденсаторов ограничивается только ухудшением способности к пайке.
После 1999/2000 года произошло резкое снижение спроса на танталовые конденсаторы, что привело к образованию на складах излишков хранившихся более двух лет. По результатам исследований произведенных компанией Vishay, даже в случае длительности хранения превышающей 3 или 4 года, способность к качественной пайке конденсаторов Vishay сохранялась на великолепном уровне [4]. При этом тестовая пайка проводилась в соответствии с ANSI/J-002, MIL-STD-202, Method 208, которая подразумевает 8-часовое воздействие пара.
Заключение
Твердотельные танталовые конденсаторы благодаря отличным электрическим и частотным характеристикам, а также малым размерам получают все более широкое распространение во всех областях электроники.
Одной из задач, которая стоит перед разработчиками и производителями, является увеличения срока службы и снижения количества отказов танталовых конденсаторов. Она решается на всех этапах жизни танталового конденсатора: