радио матерьялы. незаконченный док по рм. Электролитические танталовые конденсаторы
 Скачать 423.15 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования РФ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра «Электроника» ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ по дисциплине «Электролитические танталовые конденсаторы» Выполнил: Студент гр. ЗРТ-221 Череводкин С.С Преподаватель: Доцент к.т.н Пономарев Д.Б. Омск 2022 Введение Группа "вентильных металлов", способных образовывать изолирующую оксидную пленку, была открыта в 1875 году. В 1896 году Кароль Поллак запатентовал конденсатор с использованием алюминиевых электродов и жидкого электролита. Алюминиевые электролитические конденсаторы были серийно изготовлены в 1930-х годах. Первые танталовые электролитические конденсаторы с намотанной танталовой фольгой и нетвердым электролитом были разработаны в 1930 году компанией Tansitor Electronic Inc. (США) и использовались в военных целях.[16] Твердоэлектролитные танталовые конденсаторы были изобретены Bell Laboratories в начале 1950-х годов как миниатюрный и более надежный низковольтный вспомогательный конденсатор в дополнение к их недавно изобретенному транзистору. Решение, которое Р. Л. Тейлор и Х. Э. Харинг из Bell Labs нашли для нового миниатюрного конденсатора, найденного в начале 1950 года, было основано на опыте работы с керамикой. Они измельчали металлический тантал в порошок, прессовали этот порошок в цилиндрическую форму, а затем спекали частицы порошка при высокой температуре от 1500 до 2000 ° C (2730 и 3630 ° F) в условиях вакуума в виде гранул ("пули").[17][18] В этих первых спеченных танталовых конденсаторах использовался жидкий электролит. В 1952 году исследователи Bell Labs обнаружили использование диоксида марганца в качестве твердого электролита для спеченного танталового конденсатора.[19] Хотя основные изобретения были сделаны в лабораториях Bell, инновации для производства коммерчески жизнеспособных танталовых электролитических конденсаторов были сделаны исследователями Sprague Electric Company. Престон Робинсон, директор по исследованиям компании Sprague, считается фактическим изобретателем танталовых конденсаторов в 1954 году.[20][21] Его изобретение было поддержано Р. Дж. Миллардом, который ввел этап "реформы" в 1955 году,[22] [23] значительное улучшение, в котором диэлектрическийконденсатор ремонтировался после каждого цикла погружения и преобразования осаждения MnO 2. Это значительно уменьшило ток утечки готовых конденсаторов. Этот первый твердоэлектролитный диоксид марганца имел в 10 раз лучшую проводимость, чем все другие типы конденсаторов с нетвердым электролитом. В стиле танталовых жемчужин они вскоре нашли широкое применение в радио и новых телевизионных устройствах. Проводимость нетвердых и твердых используемых электролитов В 1971 году Intel выпустила свой первый микрокомпьютер (MCS 4), а в 1972 году Hewlett Packard выпустила один из первых карманных калькуляторов (HP 35).[24][25]Требования к конденсаторам возросли, особенно спрос на меньшие потери. Необходимо было уменьшить эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) для байпасных и развязывающих конденсаторов стандартных электролитических конденсаторов.[26] Хотя твердые танталовые конденсаторы имели более низкие значения ESR и тока утечки, чем алюминиевые электролитические, в 1980 году ценовой шок на тантал в промышленности резко снизил удобство использования танталовых конденсаторов, особенно в бытовой развлекательной электронике.[27] [28] В поисках более дешевых альтернатив промышленность вернулась к использованию алюминиевых электролитических конденсаторов. Разработка проводящих полимеров Аланом Дж. Хигером, Аланом Макдиармидом и Хидеки Сиракавой в 1975 году стала прорывом в области снижения ЭПР.[29]Проводимость проводящих полимеров, таких как полипиррол (PPy) [30] или PEDOT [31], в 1000 раз лучше, чем у диоксида марганца, и близка к проводимости металлов. В 1993 году NEC представила свои SMD-полимерные танталовые электролитические конденсаторы под названием "NeoCap". В 1997 году Sanyo выпустила свои полимерные танталовые чипы "POSCAP". Новый проводящий полимер для танталовых полимерных конденсаторов был представлен компанией Kemet на конференции "1999 Carts".[32] В этом конденсаторе использовался недавно разработанный органический проводящий полимер PEDT Poly (3,4-этилендиокситиофен), также известный как PEDOT (торговое название Baytron).[33] Эта разработка конденсаторов с низким ESR и большим объемом CV в стиле микросхем для быстро развивающейся технологии SMD в 1990-х годах резко увеличила спрос на танталовые микросхемы. Однако очередной скачок цен на тантал в 2000/2001 годах вынудил к разработке ниобиевых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца, которые были доступны с 2002 года.[34][35]Материалы и процессы, используемые для производства конденсаторов с ниобиевым диэлектриком, по существу те же, что и для существующих конденсаторов с танталовым диэлектриком. Характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов и танталовых электролитических конденсаторов примерно сопоставимы.[36] Характеристики Размеры и эффективность использования объема Для танталовых конденсаторов эффективность использования объема (отношение запасаемой энергии к объему корпуса конденсатора) очень велика и может достигать значений, в 18 раз лучших соответствующего показателя для алюминиевых конденсаторов. В табл. 2 приведены типичные значения емкостей танталовых конденсаторов для различных типов корпусов, а в табл. 3 — аналогичные показатели для алюминиевых конденсаторов. Стандартные электрические параметры  В табл. 4 приведены результаты сравнения стандартных электрических параметров танталовых и алюминиевых конденсаторов одинаковой емкости. Следует заметить, что приведенные в таблице коды типоразмера корпуса соответствуют разным физическим размерам для танталовых и алюминиевых конденсаторов (см. табл. 2 и 3). Надежность   Танталовые конденсаторы имеют большую, по сравнению с алюминиевыми, надежность. Это связано с технологией производства, а также с практически полным отсутствием износа с течением времени. При использовании алюминиевых конденсаторов потеря емкости в процессе эксплуатации может стать существенной проблемой. На рис. 1 приведены графики зависимости частоты отказов от времени наработки для рассматриваемых типов конденсаторов, а на рис. 2 — графики зависимости потери емкости алюминиевых конденсаторов в зависимости от времени и рабочей температуры. Частотные и температурные характеристики В целом, такой параметр, как эквивалентное последовательное сопротивление на частотах выше 1 кГц оказывается лучшим у алюминиевых конденсаторов (см. рис. 3). Однако с ростом рабочей температуры разница становится минимальной, поскольку у танталовых конденсаторов имеется ярко выраженная зависимость ESR от температуры (рис. 4). В то же время зависимость емкости от температуры у танталовых конденсаторов гораздо менее жесткая, чем у алюминиевых (рис. 5).   Индуктивность  Алюминиевые конденсаторы не рекомендуются для использования в тех областях, где индуктивность является критичным параметром, например, в цепях питания цифровых схем с малым временем смены уровня сигнала. Высокая индуктивность не позволяет конденсатору достаточно быстро обеспечивать цепи необходимой энергией, поэтому возможны значительные провалы питающего напряжения. На рис. 6 приведены осциллограммы испытаний алюминиевых и танталовых конденсаторов на работу в цепях питания с быстрым изменением тока, потребляемого нагрузкой. Красным кружком на рисунке отмечено то место, где напряжение опустилось ниже допустимого предела. Параметры и характеристики компонента материала 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: C = εrε0S/d, (1) 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
Таблица 3 – Номенклатура и параметры танталовых конденсаторов серии 293D (Vishay)
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]. Система условных обозначений  Конструкции и материалы 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. Формирование диэлектрика. Диэлектрик представляет собой пленку пентаоксида тантала (Ta2O5), сформированную на поверхности анода при помощи электрохимического окисления. Толщину оксидной пленки можно задавать, изменяя величину приложенного напряжения в ходе процесса электрохимического окисления. Как правило, толщина пленки чрезвычайно мала – от нескольких сотен до нескольких тысяч ангстрем (1 ангстрем = 1.0·10-10 метра). 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. 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: индуктивную составляющую (L), которая учитывает индуктивность выводов; параллельное сопротивление (Rp), которое позволяет учесть ток утечки через диэлектрик и поверхностные токи утечки; последовательное эквивалентное сопротивление («Equivalent Series Resistance», ESR).  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: P = I²ESR, (2) 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
Применение Танталовые конденсаторы, диэлектриком которых является оксид тантала (Ta2O5),появившиеся более шестидесяти лет назад, являются важными современными емкостными элементами радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). От своих "старших братьев" - алюминиевых конденсаторов-танталовые конденсаторы отличаются более выгодном широким температурным диапазоном, повышенной надежностью (долговечностью, сохраняемостью, интенсивностью отказов). За последние десятилетия танталовые конденсаторы были усовершенствованы в направлении увеличения ихудельного заряда и уменьшении их массо-габаритных характеристик, а также повышению их надежности. Так как одной из целей разработчиков было улучшение массогабаритных характеристик конденсаторов, то это привело к ухудшению их высокочастотных характеристик [1]. Применение танталовых конденсаторов определяет развитие РЭА. Конденсатор ствердым электролитом имеет небольшой размер, высокую емкость, низкое последовательное эффективное сопротивление (ESR) и требуемую величину LC [2,3]. Глобализация рынка и огромный технологический рывок последних десятилетий привели к тому, что современный рынок электроники преобразовался в рынок, предъявляющий высокие требования к качеству продукции [4]. Само качество, является комплексным понятием, характеризующим эффективность всех сторон деятельности: маркетинговые исследования, разработка, организация производства и т.п. Качество современных комплектующих для РЭА, должно рассматриваться как комплексный показатель, который в первую очередь зависит от научно-технического уровня разработки, качества используемых материалов, метрологического обеспечения производства и всесторонней метрологической проработки вопроса, а также совершенства технологии. Благодаря своим габаритным размерам и диапазонам емкостей, танталовые конденсаторы широко используются при массовом производстве электронной техники, в том числе и военной, медицинских имплантах, ноутбуках смартфонах, а также в системах промышленной автоматизации и управления. Танталовые конденсаторы с твердым электролитом обладают лучшими характеристиками по сравнению с конденсаторами с жидким электролитом на основе серной кислоты [5]. Однако, у данных конденсаторов следующие недостатки: 1 Цена выше по сравнению с алюминиевыми конденсаторами. 2 Значение максимального напряжения ограничено 63 В. 3 Возможность взрыва при превышении допустимых нагрузок, а также при подаче на конденсатор напряжения обратной полярности (при переполюсовке) Заключение Керамические и танталовые конденсаторы обладают теми несколькими преимуществами, которые востребованы в эффективных и высоконадежных электронных системах в разных областях применения. Поскольку конденсаторы обоих типов значительно различаются по своему составу, материалам и функциональным характеристикам, выбор той или иной технологии зависит от нужд конкретных приложений и требований. Таким образом, инженеры должны принимать в расчет возможные последствия своего выбора уже на ранних этапах проектирования. |