Tantal-Kondensatoren profitieren von zahlreichen Fortschritten, wie sie auch bei anderen Kondensatortypen erzielt wurden. Höhere Kapazität, höhere Temperaturwerte, größere Zuverlässigkeit und kleinere Gehäuseabmessungen sind einige der Verbesserungen in Tantal-Bauteilen, die von SMD-Chip-Kondensatoren für Anwendungen in der Unterhaltungselektronik bis hin zu nassen Tantal-Kondensatoren für Anwendungen in der Industrie und im militärischen Bereich bzw. in der Luft-/Raumfahrt reichen, in denen hohe Zuverlässigkeit gefordert wird.
Tantal-Kondensatoren sind gepolte Kondensatoren, die eine Anodenelektrode aus Tantal mit einer dünnen isolierenden Oxidschicht als Dielektrikum verwenden und auf der Oxidschicht über einen festen oder flüssigen Elektrolyten verfügen, der die Kathode des Kondensators bildet. Derart aufgebaute Tantal-Kondensatoren bieten eine hohe Kapazität pro Volumen in Verbindung mit einem geringen Gewicht. Dem technischen Fortschritt ist es zu verdanken, dass Anbieter von Tantal-Kondensatoren aus ihren Komponenten mehr Kapazität herausholen können, erläutert Dave Vallette, für den weltweiten Vertrieb zuständiger Executive Vide President von Vishay Intertechnology.
Wie andere Lieferanten auch hat Vishay das Manganoxid in seinen Tantal-Kondensatoren durch einen Polymerwerkstoff ersetzt, sodass die Kondensatoren nach Aussage von Valletta mit 80 Prozent des Nennstroms statt mit 50 Prozent betrieben werden können.
“Das Polymer ist widerstandsfähiger und wurde aufgrund seiner im Vergleich zum herkömmlichen Tantal-Pulver höheren Sicherheit entwickelt,” erläuterte Valletta.
Vishay Intertechnology hat kürzlich seine vergossenen, oberflächenmontierten vPolyTan™-Polymer-Tantal-Chipkondensatoren der Serie T55 (Abbildung 1) um acht neue Typen in den Gehäusegrößen A, B und T erweitert. Die T55-Serie deckt einen weiten Kapazitätsbereich von 3,3 µF bis 470 µF mit Nennspannungen von 2,5 V bis 10 V ab. Die Kapazitätstoleranz beträgt +/-20 Prozent. Der Temperaturbereich für den Betrieb liegt zwischen
-55 °C und +105 °C. Ihre sehr kleinen ESR-Werte von 500 mΩ bis hinab zu 25 mΩ bei +25 °C und 100 kHz verdanken die Kondensatoren ihren Polymerkathoden. Die Ripplestrombelastbarkeit beträgt bis zu 2,28 A Ieff.
Abbildung 1: vPolyTan™-Tantal-Kondensatoren der Serie T55 von Vishay. Quelle: Vishay Intertechnology)
Angesichts des anhaltenden Trends der Miniaturisierung in der Elektronik packen Anbieter von Tantal-Kondensatoren die Leistung größerer Kondensatoren in immer kleinere Gehäuse.
AVX hat nach eigener Aussage die kleinsten derzeit verfügbaren Polymer-Kondensatoren entwickelt. Die F38-Serie (Abbildung 2) begnügt sich mit Gehäuseabmessungen von 1,600 L x 0,838 B x 0,787 H (mm) bzw. 2,007 L x 1,245 B x 0,787 H (mm). Die Abmessungen sind identisch mit denen der Keramik-Kondensatoren 0402, 0602 bzw. 0805, sodass die Ingenieure geräuschlose Kondensatoren mit stabiler Kapazität entwickeln können, ohne die Gestaltung des Leiterpatten-Layouts ändern zu müssen, erläuterte Allen Mayar, Produktmarketing für Tantal-Kondensatoren.
Abbildung 2: Polymer-Kondensatoren der Serie T38 von AVX. (Quelle: AVX Corporation)
KEMET hat die Verfahren für den Aufbau der Anoden in seinen Tantal-Kondensatoren geändert und verwendet nun die vom Unternehmen als “Facedown” bezeichnete Technik, erläuterte Ken Lai, Direktor Proramm-Management für KEMET in Asien. Das Unternehmen ist nun in der Lage, Kondensatoren mit einer Höhe von 1 mm und nur 1,8 mm breiten x 0,8 mm langen Gehäusen zu produzieren.
AVX packt seine hochzuverlässigen Tantal-Kondensatoren nun in feuchtigkeitsdichte Beutel (MBB; Moisture Barrier Bags), damit nicht hermetisch abgedichtete Epoxidharz-Gehäuse möglichst keine Feuchtigkeit aufnehmen können, erläuterte Lizzie Geismar, Produktmarketing-Manager für High Reliability Tantalum. Dadurch konnte der Ausfall von Kondensatoren durch Reflow-Verarbeitung der Kunden verringert werden. Erst vor Kurzem hat das Unternehmen hermetisch dichte Gehäuse sowohl für Polymer- als auch für Manganoxid-SMD-Kondensatoren eingeführt, die sich damit auch für Anwendungen anbieten, die hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Temperaturbeständigkeit stellen. Die Maganoxid-Kondensatoren der THH-Serie sind für extrem hohe Betriebstemperaturen von bis zu 230 °C ausgelegt und damit ideal für Tiefbohranwendungen geeignet. Der hermetisch dichte Polymer-Kondensator der TCH-Serie ist insbesondere für den Einsatz in Satelliten gedacht.
Neue Anwendungen
Tantal-Kondensatoren finden ihren Weg in eine Vielzahl neuer Produktsektoren wie Halbleiterbausteine (SSD; Sold State Device) für den Enterprise-Bereich, mobile Geräte und Hochleistungs-Appliances für die Cloud. Wie Ken Lai von KEMET weiter ausführte, werden Polymer-Tantal-Kondensatoren in “Hold-up”-Schaltungen eingesetzt, um auch beim Ausfall der Stromversorgung des SSD Datenverluste zu vermeiden. Polymer-Kondensatoren eignen sich dank ihrer langen Lebensdauer, geringen Höhe und hohen Energiedichte insbesondere für diese Anwendungen.
Tantal-Kondensatoren werden auch in FPGA- oder ASIC-basierten Cloud-Appliances und dort für Hochfrequenzentkopplung und Filterung eingesetzt, fügte Lai hinzu.
Ein weiterer, stetig wachsender Bereich ist die Fahrzeugelektronik. Die KO-CAP T591-Serie von KEMET (Abbildung 3) eignet sich für das Entkoppeln und Filtern von DC-DC-Wandlern für Infotainment und Fahrerassistenz in der Automobilindustrie sowie für industrielle Anwendungen, wenn aggressive Bedingungen wie beispielsweise hohe Luftfeuchtigkeit und hohe Temperaturen Probleme bereiten können.
Die KO-CAP T591-Serie ist mit Kapazitäten von bis zu 220 Mikrofarad verfügbar und auf bis zu 10 Volt ausgelegt. Diese Serie ist derzeit für Betriebstemperaturen von bis zu 125 °C geeignet, allerdings werden zukünftige Versionen Temperaturen von bis zu 150 °C und Spannungen von bis zu 63 V unterstützen.
Abbildung 3: Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren der Serie T591 von KEMET für Anwendungen in der Automobilindustrie (Quelle: KEMET)
Der hochaktuelle Bereich der medizinischen Geräte ist ebenfalls ein noch junger Markt, der sich für Tantal-Kondensatoren anbietet. Neuste Entwicklung von AVX ist die Baureihe T4J, eine Serie spezieller Kondensatoren (Abbildung 4) für nicht implantierbare Medizinprodukte. Zur T4J-Serie gehören Kondensatoren mit Kapazitäten von 1,0 µF bis 680 µF. Sie sind für Spannungen von 6,3, 10, 16, 20, 25, 35 und 50 V ausgelegt und für Betriebstemperaturen von -55 °C bis +125 °C geeignet.
Abbildung 4: T4J-Serie der Kondensatoren von AVX für medizinische Anwendungen. (Quelle: AVX)
Tantalum-Kondensatoren mit flüssigen Elektrolyten, wie sie in Hochzuverlässigkeits-Anwendungen zum Einsatz kommen, profitieren ebenfalls von den Leistungsverbesserungen. Vishay bietet nun einen gemäß der Zeichnung 15005 der Defense Logistics Agency (DLA) zugelassenen, nassen Tantal-Kondensator mit einer maximal zulässigen Verpolungsspannung von 1,5 V bei 85 °C und einer Temperaturwechselbeständigkeit von 300 Zyklen an. Dieser Baustein wird zunächst in einem axial bedrahteten T4-Gehäuse mit hohen Kapazitätswerten bis 1000 uF, Kapazitätstoleranzen von +/-10 Prozent und +/-20 Prozent und einer Spannung von 75 V angeboten. Er ist für Betriebstemperaturen von bis zu 125 °C ohne Spannungsderating ausgelegt.
Verfügbarkeit von Tantalpulver
Zu Beginn des Jahrzehnts hatten die Hersteller von Tantal-Kondensatoren aufgrund der Verknappung von Tantalpulver Schwierigkeiten, die Nachfrage zu decken. Heute stellt sich dieses Problem nicht mehr, denn Tantalpulver steht in ausreichenden Mengen zur Verfügung, sagte&rsquo Dave Vallette von Vishay.
“Bei Tantalpulver gab es bedingt durch die Marktnachfrage ähnliche Schwankungen wie bei anderen Materialien,” erläuterte Valletta. “Mal gibt es Höhen und dann wieder Tiefen. Aber die Nachfrage zieht immer wieder an. Keine dieser Angebotsschwankungen hält wirklich lange an.”
Außerdem gehen die Kondensatorlieferanten dazu über, ihre Lieferkette zu straffen, damit die Versorgung mit Tantalpuder nicht etwa durch politische Konflikte in den Regionen, aus denen das Tantal stammt, unterbrochen wird. KEMET hat beispielsweise eine konfliktfreie, vertikal integrierte Tantal-Lieferkette aufgebaut, die nach Aussage des Unternehmens die zuverlässige Lieferung konfliktfreier Teile an die Elektronikindustrie weltweit gewährleistet. Die Lieferkette deckt sämtliche Prozesse ab, vom Abbau des Tantalerzes bis hin zur Kondensatorherstellung.