Введение в полимерные конденсаторы

Виды и конструкция конденсаторов (June 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Полимер предлагает некоторые существенные преимущества перед танталом

Конденсатор представляет собой, казалось бы, простое устройство с двумя электродными пластинами, разделенными диэлектрическим слоем. Конденсаторы часто называют материалом, используемым в их диэлектрическом слое, например, в керамике или пленке. Они также могут быть названы в честь одной из электродных пластин, таких как алюминий или тантал. Тип, известный как «полимерные конденсаторы», относится к катодной пластине поляризованного конденсатора. Органический проводящий полимер, полиэтилендиокситиофен (также известный как PEDOT), был введен в конденсаторы в конце 1990-х годов. Это захватывающая альтернатива традиционному диоксиду марганца (MnO 2 ), используемому в конденсаторах тантала.

Рисунок 1: поперечное сечение тантала SMT.

Разница между полимером и танталом MnO 2

Единственное физическое различие между танталовым конденсатором полимера и MnO 2 - используемый катодный материал. На рисунке 1 показано поперечное сечение танталового чипа. Анодная «таблетка» одинакова для материала катода. Эта таблетка образуется в несколько этапов. Сначала группа частиц тантала спекается вместе, образуя единую структуру для образования пластины анодного электрода. Затем гранулы погружают в электролит, где накладывается напряжение, что позволяет диэлектрическому слою пентаоксида тантала (Ta 2 O 5 ) расти.

В этот момент может быть выращен катодный слой MnO 2 или полимера по диэлектрической структуре. Наконец, осадок прикрепляют к свинцовой раме и покрывают эпоксидной смолой. В то время как это приводит к конденсаторам, которые выглядят одинаково, внутренние структуры различны.

Рисунок 2: SEM тантала-MnO 2 .

На рисунке 2 показано поперечное сечение фактического гранулы тантала-MnO 2 . Эта картина подчеркивает, как твердые материалы тантала и диоксида марганца окружают относительно тонкий материал Ta 2 O 5 . На рисунке 3 показано аналогичное поперечное сечение гранулы полимер-тантал.

Рисунок 3: Поперечное сечение гранулы полимер-тантал.

Преимущества полимера

Имеются значительные преимущества для использования полимера, такие как значительно более низкий ЭПР, повышенная надежность, доброкачественные режимы отказа, снижение номинального напряжения и более низкие затраты.

PEDOT технически классифицируется как полупроводник; однако он обладает высокой проводимостью относительно MnO 2 . Проводимость для PEDOT находится в диапазоне от 100 до 1000 S / см, а MnO 2 находится в диапазоне от 1 до 10 S / cm. Для реальных компонентов это может означать на порядок меньше ESR. На рисунке 4 показана разность ЭПР между MnO 2 и полимерным танталом. В этом случае анодная таблетка одинакова; Единственное отличие - катодный слой.

Рисунок 4: Сравнение ЭПР для тантала и полимера.

При изменении температуры полимерный катод демонстрирует очень малое изменение проводимости (или удельного сопротивления) по сравнению с традиционными катодными материалами. Ни тантал-MnO 2, ни полимер-танталовые конденсаторы не имеют износостойкого механизма, так как их конструкции не содержат электролита. Они представляют собой твердотельную структуру, которая, основываясь на анализе HAST, будет иметь номинальный срок службы порядка сотен или тысяч лет. Наиболее подходящим соображением для полимера-тантала является их «включение» по сравнению с MnO 2 . Конденсатор тантала, скорее всего, сбой при первом прикладывании напряжения. Когда танталовый конденсатор проходит процесс пайки оплавлением, несоответствие CTE между танталом, Ta 2 O 5 и катодным материалом вызывает стресс на тонком Ta 2 O 5, что в некоторой степени наносит ему ущерб.

Традиционный MnO 2 вызывает больший ущерб диэлектрическому слою, чем проводящий полимер. Это приводит к созданию более прочного компонента при использовании полимера. Кроме того, если короткое замыкание коротко, полимер не загорается.

Неисправности

Эксперименты по улавливанию тантала при разрушении фактически связаны с использованием MnO 2 в качестве катода, а не с танталом или его оксидом. Когда полимер используется в качестве катода, у конденсатора не возникает воспламенения.

Когда участок утечки в Ta 2 O 5 позволяет достаточно течь течь, в катодном слое создается локализованное тепло. Если температура выше 400 ° C, MnO 2 будет переходить в Mn 2 O 3, что является непроводящим. Однако этот процесс также создает неограниченный атом кислорода. В ситуациях, когда ток ограничен, этот процесс фактически исцелит или подтвердит место утечки, сделав компонент более надежным. В ситуациях, когда ток не ограничен, тепло может генерироваться так быстро, что начинается экзотермическая реакция, которая подается этими неограниченными атомами кислорода. Когда у вас есть тепло и кислород, вы получаете огонь.

Аналогичный процесс заживления происходит с помощью полимера-тантала. Единственное преимущество заключается в том, что когда полимер нагревается, он окисляется, что разрушает полимерные цепи. Это также превращает материал в непроводящее состояние. Преимущество процесса заживления полимера заключается в том, что свободный кислород не доступен. Кроме того, поскольку он значительно более проводящий, меньше тепла, что также снижает способность к зажиганию.

Меньше снижения напряжения

Как уже упоминалось, когда эти части проходят через печь для плавки, в диэлектрическом слое образуются слабости. Эти недостатки являются причиной утечки тока, протекающей через диэлектрический слой, а также вносят вклад в «отказ питания» конденсаторов тантала.

Ущерб, вызванный MnO 2, имеет тенденцию быть более обширным, чем полимер. По этой причине, как правило, рекомендуется использовать танталы на основе MnO 2 с понижением напряжения на 50%. В то время как для полимеров, равных или ниже 10 В, требуется только 10%, а полимер с номинальным значением выше 10 В должен уменьшаться на 20%. Интересно, что даже при снижении напряжения на 20% полимеры по-прежнему имеют более низкую частоту отказа при включении, чем аналогичный MnO 2 с понижением на 50%.

Полимерные компромиссы

Есть несколько компромиссов, которые следует учитывать при выборе полимера-тантала для приложения. Проводящий полимер имеет предел для его рабочих температур. Хотя некоторые полимерные конденсаторы могут быть рассчитаны на 125 ° C, большинство из них ограничено 85 ° C или 105 ° C. Учитывая ограниченность материала, вряд ли этот верхний предел будет значительно увеличен в ближайшем будущем.

В то время как конденсаторы на основе полимера обладают способностью к самоисцелению, их высокая проводимость означает менее локализованное нагревание. При менее локализованном нагревании из катодного слоя будет меньше самовосстановления или защиты. Это приводит к более высоким токам утечки. Например, конструкция MnO 2 с 1 нА тока утечки может иметь 1 мкА тока утечки, когда вместо этого используется полимерный катод.

При использовании проводящего полимера существует больше этапов производства. Это может привести к выводу, что эти конденсаторы всегда будут дороже. Поскольку эти конденсаторы часто используются в импульсных источниках питания, необходимо учитывать частоту переключения.

MnO 2 -тантал против полимера-тантала.

На рисунке 5 показана частотная характеристика MnO 2 и полимерного тантала при различных температурах.

Рисунок 5: Емкость и частота для тантала и полимерного тантала.

При комнатной температуре (25 ° C) MnO 2 (стандартный) тантал начинает терять емкость после примерно 10 кГц, в то время как полимерный тантал сохраняет свою емкость до 200 кГц. Это связано с тем, что оба конденсатора рассчитаны на одинаковое напряжение, такую ​​же емкость и одинаковый размер корпуса. Однако, если используются несколько стандартных танталов, они могут быть заменены на один полимер. Даже если цена за штуку может быть выше, общая цена решения может быть ниже. В дополнение к напряжению, емкости и размерам объем производства играет определенную роль в цене конденсатора. Каждый год появляется меньше танталов MnO 2, в то время как производство полимерного тантала растет. Эти две комбинированные затраты представляют собой потенциально нейтральный компромисс или, иногда, экономию средств.

By JAMES LEWIS, старший технический эксперт по технологиям и приложениям, KEMET Electronics, www.kemet.com