mini|Axial-gebecherte, radial-perlenförmige und oberflächenmontierbare Tantal-Elektrolytkondensatoren im Größenvergleich mit einem Streichholz
Ein Tantal-Elektrolytkondensator, auch Tantal-Kondensator oder Tantal-Elko genannt, ist ein Elektrolytkondensator, dessen Anode (+) aus TantalTantal-Materialdaten periodictable.com. besteht, auf dem durch anodische Oxidation, auch „Formierung“ genannt, eine gleichmäßige, der Nennspannung angepasste äußerst dünne, elektrisch isolierende Oxidschicht erzeugt wird, die das Dielektrikum des Kondensators bildet. Ein meist fester Elektrolyt, der sich geometrisch der Oberflächenstruktur der Anode anpasst, bildet die Kathode (−) des Elektrolytkondensators.
Tantal-Elektrolytkondensatoren besitzen eine durch Sinterung von Tantalpulver zu einem Anodenblock sehr stark vergrößerte Anodenoberfläche zur Erhöhung der Kapazität. Zusammen mit der relativ hohen Permittivität des dielektrischen Tantalpentoxids sowie der Möglichkeit, die sehr dünne Oxidschicht der gewünschten Spannungsfestigkeit anzupassen, erreichen sie, verglichen mit Keramik-, Kunststoff-Folienkondensatoren und auch mit Aluminium-Elektrolytkondensatoren eine höhere spezifische Kapazität, die jedoch sehr viel geringer als die von Superkondensatoren ist.
Die meisten Tantal-Elektrolytkondensatoren werden in der SMD-Bauform mit einem festen Elektrolyten hergestellt, der entweder aus Mangandioxid oder aus einem leitfähigen Polymer besteht. Durch diese niederohmigen Elektrolyte besitzen sie sehr niedrige ESR-Werte, eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit ihrer elektrischen Parameter und eine lange Lebensdauer. Durch die große spezifische Kapazität, den niedrigen ESR und die verfügbaren flachen SMD-Bauformen eignen sich Ta-Elkos besonders für Geräte in flacher Bauweise wie Laptops, Mobiltelefone, Digitalkameras und Flachbildschirme. Hier werden sie zum Entkoppeln von unerwünschten Frequenzen vom zweistelligen Hertz-Bereich bis hin zu einigen Megahertz, zur Glättung gleichgerichteter Spannungen in Schaltnetzteilen sowie zur Pufferung der Stromversorgung digitaler Schaltungen bei plötzlichem Strombedarf eingesetzt.
Axiale Tantal-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem oder festem Elektrolyten in hermetisch-abgedichteten Gehäusen werden für industrielle Anwendungen mit hohen Anforderungen, für militärische und für Weltraumanwendungen benötigt.
Tantal-Elektrolytkondensatoren sind gepolte Bauelemente, die nur mit Gleichspannung betrieben werden dürfen. Eine evtl. überlagerte Wechselspannung darf keine Umpolung bewirken. Falschpolung, eine zu hohe Spannung oder Rippelstrom-Überlastung können das Dielektrikum und damit auch den Kondensator zerstören. Die Zerstörung kann katastrophale Folgen (Kurzschluss, Brand) nach sich ziehen. Tantal-Elkos sind außerdem empfindlich gegenüber schnellen Schaltflanken. Zum sicheren Betrieb von Tantal-Elkos werden deshalb von den Herstellern spezielle Regeln für die Schaltungsauslegung vorgeschrieben.J.Gill, T. Zednicek: Voltage Derating Rules for Solid Tantalum and Niobium Capacitors. (PDF; 447 kB).R. Faltus: Advanced capacitors ensure long-term control-circuit stability. 7/2/2012, EDT
Grundlagen Plattenkondensator 155px|mini
Tantal-Elektrolytkondensatoren sind im Grunde genommen Plattenkondensatoren, deren Kapazität umso größer ist, je größer die Elektrodenfläche und die Dielektrizitätszahl und je kleiner der Abstand der Elektroden zueinander ist.
Zur Vergrößerung der Kapazität des späteren Kondensators wird die Anode aufgeraut, wodurch die Oberfläche deutlich größer als die einer glatten Oberfläche wird, aber sich am Prinzip des Plattenkondensators nichts ändert.
Die Dielektrizitätszahl ε setzt sich zusammen aus der elektrischen Feldkonstanten und der materialspezifischen Permittivität des Dielektrikums: . Dieser Wert bestimmt dann die spezifische Kapazität des Tantal-Elektrolytkondensators.
Anodische Oxidation (Formierung) mini|Prinzipdarstellung der anodischen Oxidation
Tantal-Elektrolytkondensatoren basieren auf dem elektrochemischen Effekt der anodischen Oxidation (Formierung). Dabei wird auf der Oberfläche von sog. Ventilmetallen (Aluminium, Tantal, Niob u. a. m.) durch Anlegen des Pluspols einer Gleichstromquelle in einem mit dem Minuspol verbundenen Bad, gefüllt mit einem flüssigen Elektrolyten, eine elektrisch isolierende Oxidschicht gebildet, die als Dielektrikum eines Kondensators genutzt werden kann.
Diese Oxidschichten auf der Anode (+) sind sehr dünn und haben eine sehr hohe Durchschlagsfestigkeit, die im Bereich nm/V liegt. Die Kapazität dieses Kondensators ergibt sich wie bei einem Plattenkondensator aus der Geometrie der Anodenoberfläche und der Dicke der Oxidschicht. Diese wird mit der Formierspannung bestimmt und kann damit den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung angepasst werden, wodurch eine Optimierung der spezifischen Kapazität möglich ist.
+Materialdaten von Tantalpentoxid und Niobpentoxid im VergleichAnodenmaterialDielektrikumOxidstrukturRelativePermittivitätDurchschlagsfestigkeit(V/µm)Oxidschichtdicke(nm/V)Tantal Tantalpentoxid Ta2O5 amorph 27 625 1,6Niob oder Nioboxid Niobpentoxid Nb2O5 amorph 41 400 2,5
Die Spannungsfestigkeit von Tantalpentoxid ist mit etwa 625 V/µm sehr hoch. Da durch die Formierung gezielt jede gewünschte Spannungsfestigkeit erreicht werden kann, variiert die Dicke der Oxidschicht mit der Nennspannung des späteren Kondensators. Ein 10-V-Tantal-Elko hätte, sofern keine Sicherheitsmarge berücksichtigt wird, deshalb ein Dielektrikum mit der Schichtdicke von nur etwa 16 nm. In realen Tantalkondensatoren werden die Oxidschichtdicken jedoch erheblich stärker formiert als es die spätere Nennspannung des Kondensators erforderlich machen würde.
Beim Vergleich der sich im Wettbewerb miteinander befindlichen Ta- und Nb-Elkos zeigt sich, dass Niobpentoxid (Nb2O5) eine um etwa 40 % größere relative Permittivität im Vergleich zu Tantalpentoxid hat, jedoch mit 400 V/µm eine um etwa 30 % niedrigere Durchschlagsfestigkeit. Das bedeutet, dass aus der gleichen Materialmenge ein etwa gleich großer CV-Wert hergestellt werden könnte.Y. Pozdeev-Freeman, P. Maden: Solid-Electrolyte Niobium Capacitors Exhibit Similar Performance to Tantalum, 1. Feb 2002. (powerelectronics.com) Allerdings hat jedoch das zurzeit verfügbare Nioboxidpulver nicht die gleiche kleine Pulverkorngröße wie Tantalpulver, so dass in der Realität noch keine gleichen Energiedichten erreichbar sind. Reale Niob-Elkos sind also etwas größer als Tantal-Elkos bei gleichem CV-Produkt.
Materialien und Fertigung Die nachfolgenden Beschreibungen der Materialien und der Fertigung konzentrieren sich auf Tantal-Elektrolytkondensatoren mit MnO2-Elektrolyten.
Anode (Tantalpulver) mini|400px|Tantalpulver mit unterschiedlichen spezifischen Kapazitätswerten
Das Anodenmaterial von Tantal-Elektrolytkondensatoren besteht aus dem Metall Tantal, dessen Reinheit entscheidend für die Qualität der daraus gefertigten Kondensatoren ist.A. Michaelis, Ch. Schnitter, U. Merker, H. C. Starck GmbH, “New Tantalum Metal Powder Quality for Solid Electrolyte Capacitors”, CARTS 2002. gbv.de (PDF; 183 kB)H. Haas, H. C. Starck GmbH, Magnesium Vapour Reduced Tantalum Powders with Very High Capacitances gbv.de (PDF; 183 kB)J. Gill: AVX, Basic Tantalum Capacitor Technology. (PDF; 633 kB) oder (PDF)I. Horacek, T. Zednicek, S. Zednicek, T. Karnik, J. Petrzilek, P. Jacisko, P. Gregorova: High CV Tantalum Capacitors - Challenges and Limitations. (PDF; 1,5 MB) AVX
Das Metall wird in einem chemischen Prozess in ein Pulver verwandelt. Da die Kapazität eines Tantalkondensators proportional zu der Oberfläche der Anode ist und die Anodenoberfläche bei gleichem Bauvolumen von der Größe der verwendeten Pulverpartikel abhängt, definiert die Partikelgröße des Tantalpulvers die Kapazität des Kondensators: je kleiner die Korngröße des Pulvers, desto größer ist die Oberfläche des damit hergestellten Körpers.
Die typische Korngröße solcher Pulver liegt zwischen 0,1 und 10 µm. Spezifiziert wird die Korngröße in einer Einheit, die die spezifische Kapazität pro Gewicht enthält, üblicherweise in „µF · V / g“. Angeboten werden Tantalpulver mit Werten zwischen etwa 20.000 und 300.000 µFV/g. Mit einem Tantalpulver mit der spezifischen Kapazität von 200.000 µFV/g können Anoden mit einer Oberfläche von etwa 4 m2/g hergestellt werden. Zum Vergleich, die Oberfläche von Aktivkohle für Superkondensatoren liegt zwischen 1000 und 3000 m2/g, sie ist also grob geschätzt um den Faktor 1000 größer.
Sintern mini|Gesinterte Tantal-Anode
Das Tantalpulver wird zur weiteren Verarbeitung mit einem Bindemittel versetzt und zusammen mit einem Tantaldraht, dem späteren Anodenanschluss des Kondensators, zu einem Block () gepresst. Dieser Block wird anschließend in Vakuum bei hohen Temperaturen, typisch 1200 bis 1800 °C, gesintert. Dabei werden die Kontaktflächen der Körner metallisch miteinander verbacken. Im gesinterten Tantalblock verbleiben eine Vielzahl von Poren, die den gesamten Sinterblock durchziehen. Der Block erhält dadurch eine schwamm-ähnliche Struktur mit einer großen inneren Oberfläche, wobei die Tantal-Körner mit dem Tantaldraht elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Sinterung bewirkt außerdem eine sehr große mechanische Festigkeit des Blockes, wodurch Ta-Elkos mechanisch sehr robust sind.
Die Oberfläche des Anodenblockes ist infolge dieses Prozesses um ein Vielfaches größer als die Oberfläche eines glatten Blockes geworden. Zum Vergleich: ein 220 μF/6,3 V Kondensator im SMD-C-Gehäuse (6 × 3,2 × 2,6 mm) hat eine Anodenoberfläche von etwa 350 cm², das ist etwas größer als ein DIN A5 Blatt, wobei die Oberfläche des glatten Tantalblockes nur etwa 0,8 cm² beträgt. Der Grad der Oberflächenvergrößerung durch die Verwendung feiner Tantalpulver ist jedoch abhängig von der geforderten Nennspannung des Kondensators, Hohe Nennspannungen erfordern gröbere Tantalpulver für die dickeren Oxidschichten.
Formierung des Dielektrikums mini|Formierte Anode
Nach dem Sintern wird die Tantal-Anode anodisch oxidiert bzw. formiert. Dabei wird der Anodenblock in ein Elektrolytbad getaucht und an eine Gleichspannung in richtiger Polarität angeschlossen. Anfangs erfolgt die Steuerung der Formierung mit einer Strombegrenzung bis zum Erreichen der gewünschten Spannungsfestigkeit, danach bleibt die Spannung so lange angelegt, bis der Strom auf nahezu Null abgesunken ist, damit eine gleichmäßige Schicht aus Tantalpentoxid (Tantal(V)-oxid, Ta2O5) über die gesamte Oberfläche der Anode gewährleistet ist. Diese Oxidschicht ist elektrisch isolierend und bildet das Dielektrikum des Kondensators. Die Dicke ergibt sich aus der angelegten Formierspannung. Die Oxidschicht muss in amorpher Struktur sein.
Die chemischen Vorgänge der anodischen Oxidation werden mit folgenden Formeln beschrieben:
Anode: 2 Ta → 2 Ta5+ + 10 e−
2 Ta5+ + 10 OH− → Ta2O5 + 5 H2O Kathode: 10 H2O + 10 e− → 5 H2 ↑ + 10 OH−
mini|Da die Dicke der Oxidschicht in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichtes ist, kann eine unterschiedliche Spannungsfestigkeit anhand der Farbe des oxidierten (formierten) Sinterblockes abgeschätzt werden. Die Farben verschieben sich entsprechend der Bragg-Gleichung mit dem Brechungsindex.Sheng Cui-Cui, Cai Yun-Yu, Dai En-Mei, Liang Chang-Hao, “Tunable structural color of anodic tantalum oxide films”, Chin. Phys. B, vol. 21, no. 8 (2012) 088101 cpb.iphy.ac.cn