Que sont les condensateurs au tantale ?
Ⅰ Que sont les condensateurs au tantale ?
Condensateurs au tantale sont un sous-type de condensateur électrolytique. Ils sont composés de tantale métallique qui sert d'anode, d'une couche d'oxyde qui sert de diélectrique et d'une cathode conductrice. Le tantale permet la formation d’une très fine couche diélectrique. En conséquence, la valeur de capacité par volume est plus élevée, les caractéristiques de fréquence sont supérieures à celles de nombreux autres types de condensateurs et la stabilité dans le temps est excellente. Les condensateurs au tantale sont généralement polarisés, ce qui signifie qu'ils ne peuvent être connectés à une alimentation CC que si la polarité des bornes est correcte. L'inconvénient de l'utilisation de condensateurs au tantale est leur mode de défaillance défavorable, qui peut entraîner des emballements thermiques, des incendies et de petites explosions. Cependant, cela peut être évité en utilisant des dispositifs de sécurité externes tels que des limiteurs de courant ou des fusibles thermiques. Les condensateurs au tantale peuvent désormais être trouvés dans divers circuits, notamment les ordinateurs portables, l'industrie automobile, les téléphones portables et autres, le plus souvent sous forme d'appareils montés en surface. Montage en surface les condensateurs au tantale occupent beaucoup moins de place sur la carte de circuit imprimé et permettent des densités d'emballage plus élevées.
Une vue en coupe d'un condensateur au tantale solide est présentée dans l'image ci-dessous. Il convient de noter la finesse des revêtements autour du noyau de tantale (cathode de dioxyde de manganèse, carbone, peinture argentée).
Vue en coupe du condensateur au tantale solide
Les condensateurs au tantale humide (électrolytiques) diffèrent des condensateurs au tantale solide en ce qu'une pâte électrolytique semi-liquide sert de deuxième électrode ; ces dispositifs sont similaires aux condensateurs électrolytiques en aluminium à anode en aluminium solide. Les condensateurs électrolytiques ont en général des valeurs de capacité très élevées, mais en raison de la polarité requise, ils ne conviennent pas aux applications d'alimentation CA ; cependant, ils sont largement utilisés dans les alimentations CC. Les condensateurs au tantale ont une durée de conservation plus longue, une résistance à la température plus élevée et des valeurs de capacité plus élevées que les dispositifs électrolytiques en aluminium, mais ils sont plus susceptibles d'être endommagés par des tensions constantes aussi basses que 1,5 V. Une vue en coupe d'un condensateur au tantale humide est représentée dans le diagramme . ci-dessous.
Vue en coupe du condensateur au tantale humide
Ⅱ Spécifications des condensateurs au tantale
2.1 Facteur de forme
Les condensateurs au tantale sont généralement disponibles en deux configurations : à broches (ou traversantes) et à montage en surface (SMT).
Les longs fils des condensateurs au plomb sont soudés à un PCB pour former une connexion électrique. Ces appareils utilisent la technologie traversante (THT), qui permet des connexions mécaniques solides. Les condensateurs THT doivent être relativement gros et ont été largement remplacés par des produits à montage en surface.
Les condensateurs à montage en surface (ou puce) sont fixés au sommet d'un PCB avec des fils très courts, des contacts plats ou d'autres types de terminaison. Les dispositifs SMT sont plus petits et moins coûteux à produire que leurs anciens homologues THT.
Un condensateur THT (à gauche) et SMT
2.2 Normes
Les condensateurs au tantale peuvent être fabriqués selon une ou plusieurs normes différentes, notamment :
AIE 535 (série)
BS/DIN EN 130201
BS EN 60384-24
MILPRF 39006
2.3 Capacité
Deux formules liées peuvent être utilisées pour calculer la quantité de charge sur les plaques ou la capacité maximale de l'appareil.
La capacité est calculée comme suit :
où:
C = capacité
Q = frais
V = tension
Si les valeurs de tension et de capacité appliquées sont connues, nous pouvons également trouver la charge en réorganisant cette formule :
La capacité peut également être calculée en fonction de la géométrie d'un condensateur :
où:
C = capacité
Ε = permittivité du diélectrique
A = surface de la plaque
d = distance entre les plaques
Cette équation démontre que la capacité est indépendante de la tension et de la charge appliquées et qu'elle est uniquement fonction de la géométrie et du matériau diélectrique du dispositif.
Les farads sont des unités extrêmement grandes utilisées pour mesurer la capacité. La majorité des condensateurs sont évalués en micro- ou picofarads.
Ⅲ Condensateurs au tantale CMS
Les condensateurs au tantale à montage en surface sont largement utilisés dans les équipements électroniques modernes. Ils fournissent un service fiable et permettent d'obtenir des valeurs de capacité élevées dans les petits boîtiers requis pour les équipements modernes lorsqu'ils sont conçus avec des marges suffisantes.
En raison de leur incapacité à résister aux températures requises pour le soudage, les types électrolytiques en aluminium n'étaient initialement pas disponibles dans les boîtiers à montage en surface. En conséquence, pour les condensateurs de grande valeur dans les assemblages montés en surface, les condensateurs au tantale capables de résister au processus de brasage par refusion étaient presque la seule option (SMT). Malgré la disponibilité des condensateurs CMS, le tantale reste le condensateur de choix pour les applications CMS en raison de ses excellents paramètres de coût, de taille et de performances.
Taille du condensateur au tantale à montage en surface | ||
Désignation | Taille (mm) | Désignation EIE |
Taille A | L3,2 x L1,6 x H1,6 | AIE 3216-18 |
Taille B | L3,5 x L2,8 x H1,9 | AIE 3528-21 |
Taille C | L6,0 x L3,2 x H2,2 | AIE 6032-28 |
Taille D | L7,3 x L4,3 x H2,4 | AIE 7343-31 |
Taille E | L7,3 x L4,3 x H4,1 | AIE 7343-43 |
Les types CMS sont généralement identifiés par trois chiffres. Les deux premiers sont des chiffres significatifs et le troisième est le multiplicateur. Les mesures sont en picofarads (pF). 495E, par exemple, représente 4,9x105pF, ce qui équivaut à 4,9F. La valeur et l'unité sont parfois utilisées pour indiquer des valeurs plus directement.
Ⅳ Applications pour les condensateurs au tantale
Condensateurs au tantale sont utilisés dans des applications en raison de leur faible courant de fuite, de leur capacité élevée ainsi que de leur stabilité et fiabilité à long terme. Ils sont utilisés, par exemple, dans les circuits d'échantillonnage et de maintien qui reposent sur un faible courant de fuite pour obtenir une longue durée de maintien. En raison de leur petite taille et de leur stabilité à long terme, ils sont également couramment utilisés pour le filtrage de l'alimentation des cartes mères d'ordinateurs et des téléphones portables, le plus souvent sous forme de montage en surface. Les condensateurs au tantale sont également disponibles dans des versions aux spécifications militaires (MIL-SPEC) qui présentent des tolérances plus strictes et une plage de températures de fonctionnement plus large. Parce qu'ils ne sèchent pas et ne changent pas de capacité avec le temps, ils constituent un remplacement populaire de l'électrolyte d'aluminium dans les applications militaires. Le tantale est également utilisé dans l’électronique médicale en raison de sa grande stabilité.
Ⅴ Construction et propriétés des condensateurs au tantale
Les condensateurs électrolytiques au tantale, comme tous les condensateurs électrolytiques, ont une anode, un électrolyte et une cathode. L'anode et la cathode étant séparées, seule une très petite quantité de fuite de courant continu peut traverser le condensateur. L'anode est entièrement en métal de tantale. Après avoir été broyé en une fine poudre, le métal est fritté sous forme de pastille à haute température. En conséquence, une anode poreuse avec une grande surface est formée. Une plus grande surface se traduit directement par une valeur de capacité plus élevée.
Une couche d'oxyde isolante qui agit comme un diélectrique est ensuite appliquée sur l'anode. C'est ce qu'on appelle l'anodisation. Étant donné que l’ampleur de la croissance de l’oxyde détermine l’épaisseur diélectrique, cette étape doit être contrôlée avec précision pour minimiser les tolérances et garantir des valeurs de capacité précises.
La pyrolyse est utilisée pour ajouter de l'électrolyte à l'anode des condensateurs au tantale solide. Les condensateurs au tantale solide sont ensuite immergés dans une solution spéciale avant d'être cuits dans un four pour former une couche de dioxyde de manganèse. Le processus est répété jusqu'à ce que toutes les surfaces internes et externes du pellet soient recouvertes d'un revêtement épais. Enfin, la pastille utilisée dans les condensateurs au tantale solide est trempée dans du graphite et de l'argent pour assurer une bonne connexion cathodique. Contrairement aux condensateurs au tantale solide, les condensateurs au tantale humide utilisent un électrolyte liquide. Après frittage et formation de la couche diélectrique, l'anode est immergée dans un électrolyte liquide à l'intérieur d'une enceinte. Le boîtier et l'électrolyte servent de cathode dans les condensateurs au tantale humide.
Ⅵ Test de condensateur au tantale ou en céramique
6.1 Test de durée de vie IR du condensateur au tantale ou en céramique
La figure représente les conditions de test de durée de vie de divers condensateurs en céramique et au tantale fabriqués par divers fabricants, ainsi que la variation admissible de la résistance d'isolement et/ou du DCL/CV. Étant donné que les conditions de test de durée de vie ne sont pas standardisées, les comparaisons directes entre les condensateurs céramiques fabriqués par différents fabricants sont difficiles à établir avec une grande certitude, et les comparaisons directes entre les condensateurs céramiques et au tantale sont pratiquement impossibles, à l'exception de quelques capacités nominales très élevées.
Variation du test de durée de vie entre condensateurs céramique et tantale
Étant donné que la plupart des méthodes de test utilisées pour évaluer les condensateurs au tantale et en céramique diffèrent considérablement, il est difficile d'obtenir une comparaison directe de leurs performances relatives à l'aide de la documentation sur les produits et des données de spécifications. En conséquence, AVX a effectué les tests suivants pour fournir une comparaison plus directe de leurs performances.
6.2 Essais comparatifs tantale vs céramique
L'équipe AVX a choisi des échantillons de condensateurs en céramique et au tantale qui ont des valeurs nominales communes pour les deux technologies et sont couramment utilisés dans les applications médicales et autres applications à haute fiabilité.
10 μF, 16 V
10 μF, 16 V
0805 taille du boîtier
Diélectrique X5R
0805 taille du boîtier
Condensateur au tantale (TBCR106K016CRLB5000)
Condensateur en céramique (MQ05YD106KGT1AN)
Pour garantir que les exigences particulières en matière de tests (par exemple, fréquence des tests de capacité et polarisation CC, temps de maintien après les tests environnementaux, etc.) puissent être observées, collectées et comparées avec précision pour les deux types de produits de base, l'équipe a soumis toutes les pièces au même plan de test. .
Stabilité de la température (MIL-PRF-55365) – 13 unités
Choc thermique (MIL-STD-202 Méthode 107) – 40 unités
Résistance à l'humidité (MIL-STD-202 Méthode 106) – 40 unités
La majorité des résultats des tests ont montré que les condensateurs en céramique et au tantale fonctionnaient de manière similaire. La stabilité en température, par exemple, a révélé que les condensateurs en céramique sont plus stables en termes de résistance série équivalente (ESR) et de DCL, tandis que les condensateurs au tantale sont plus stables en termes de valeur de capacité en fonction de la température. Les condensateurs au tantale augmentent également la capacité à des températures élevées, tandis que les condensateurs en céramique diminuent la capacité à la même température. De plus, les tests de résistance à l’humidité et de choc thermique ont abouti à des performances stables pour les deux technologies.
Une comparaison des paramètres des condensateurs au tantale et en céramique
Ⅶ Pourquoi utiliser des condensateurs au tantale dans la conception de vos PCB ?
Le condensateur au tantale présente une stabilité extrêmement élevée. Le condensateur au tantale maintiendra mieux la capacité attendue sur une large plage de températures et de fréquences. Avec cette stabilité, vous obtenez davantage le comportement attendu de votre conception de PCB, ce qui est particulièrement important pour les filtres ; si la capacité varie trop, vous risquez de perdre les fréquences souhaitées. Outre les différences électriques, la construction du condensateur au tantale le rend très résistant aux problèmes de vibrations, améliorant ainsi la fiabilité globale du système.
Les caractéristiques précédentes démontrent à quel point les condensateurs au tantale sont particulièrement adaptés à l'électronique moderne, mais ils ne sont pas sans particularités, et il y en a quelques-unes majeures à prendre en compte lors de leur conception. Les condensateurs au tantale sont généralement des dispositifs polarisés, ce qui signifie que leur l'orientation doit être soigneusement prise en compte lors de la disposition et de l'assemblage du PCB. Cela nécessite un peu plus de travail qu'un condensateur céramique standard, mais c'est une caractéristique des condensateurs à base électrolytique. Lorsque vous installez des condensateurs au tantale sur une carte, gardez un œil sur leurs modes de défaillance.
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