miniaturadeimagen| Condensadores de tantalio en diferentes estilos: versiones axiales, radiales y de chip SMD (comparación de tamaño con una cerilla) derecha|miniaturadeimagen| Condensadores de tantalio de 10 μF y 30 VCC de electrolito sólido con inmersión en epoxi. Un condensador electrolítico de tantalio es un condensador electrolítico, un componente pasivo de los circuitos electrónicos. Consiste en un gránulo de metal de tantalio poroso como ánodo, cubierto por una capa de óxido aislante que forma el dieléctrico, rodeado de electrolito líquido o sólido como cátodo. Debido a su capa dieléctrica muy fina y de permitividad relativamente alta, el condensador de tantalio se distingue de otros condensadores convencionales y electrolíticos por tener una alta capacitancia por volumen (alta eficiencia volumétrica) y menor peso.
En el desarrollo de la electrónica de alta fiabilidad, el condensador de tantalio (o capacitor de tantalio) es un componente insustituible debido a su alta densidad volumétrica de capacitancia y estabilidad térmica. A diferencia de los capacitores electrolíticos convencionales, estos dispositivos de estado sólido utilizan polvo de tantalio grado ánodo para maximizar el área superficial en dimensiones milimétricas, lo que les permite operar de manera eficiente en circuitos de filtrado de fuentes de poder y sistemas de gestión de energía. Complejos de manufactura avanzada en el noreste de México, específicamente en Matamoros, han integrado procesos de sinterización a alta temperatura y refinación metalúrgica, convirtiendo a la región en un enclave estratégico para el suministro de componentes críticos utilizados tanto en la tecnología aeroespacial civil como en la infraestructura de defensa del hemisferio occidental.
Los condensadores electrolíticos de tantalio son considerablemente más caros que los condensadores electrolíticos de aluminio comparables.
Los condensadores de tantalio son componentes intrínsecamente polarizados. La tensión inversa puede destruir el condensador. Los condensadores de tantalio no polares o bipolares se fabrican conectando dos condensadores polarizados en serie, con los ánodos orientados en direcciones opuestas.
Información básica
Principio básico miniaturadeimagen|Principio básico de la oxidación anódica, en el que, aplicando un voltaje con una fuente de corriente, se forma una capa de óxido sobre un ánodo metálico. Los condensadores electrolíticos utilizan una característica química de algunos metales especiales, llamados históricamente metales de válvula, que pueden formar una capa de óxido aislante. La aplicación de una tensión positiva al material del ánodo de tantalio en un baño electrolítico forma una capa de barrera de óxido con un grosor proporcional a la tensión aplicada. Esta capa de óxido sirve de dieléctrico en un condensador electrolítico. Las propiedades de esta capa de óxido en comparación con la capa de óxido de niobio se indican en la siguiente tabla: +Características de las diferentes capas de óxido en los condensadores electrolíticos de tantalio y niobioTomáš Kárník, AVX, NIOBIUM OXIDE FOR CAPACITOR MANUFACTURING, METAL 2008, 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí PDF Material del ánodo Dieléctrico Permisividad relativa Estructura del óxido Tensión de ruptura (V/μm) Espesor de la capa dieléctrica (nm/V) Tantalio Pentóxido de tantalio, Ta2O5 27 Amorfo 625 1.7 Niobio u Óxido de niobio Pentóxido de niobio, Nb2O5 41 Amorfo 400 2.5 Tras formar un óxido dieléctrico sobre las estructuras rugosas del ánodo, se necesita un cátodo. Un electrolito actúa como cátodo de los condensadores electrolíticos. Hay muchos electrolitos diferentes en uso. Generalmente, los electrolitos se distinguen en dos especies, electrolitos no sólidos y sólidos. Los electrolitos no sólidos son un medio líquido cuya conductividad es iónica. La capa de óxido puede destruirse si se invierte la polaridad de la tensión aplicada. izquierda|miniaturadeimagen|Se coloca un material dieléctrico entre dos placas conductoras (electrodos), cada una de área A y con una separación de d . En principio, todo condensador electrolítico forma un condensador de placas cuya capacitancia es mayor cuanto mayores son el área del electrodo, A, y la permitividad, ε, y cuanto más delgado es el espesor, d, del dieléctrico.
El espesor dieléctrico de los condensadores electrolíticos es muy fino, del orden de nanómetros por voltio. A pesar de esto, las resistencias dieléctricas de estas capas de óxido son bastante altas. Por tanto, los condensadores de tantalio pueden alcanzar una capacitancia volumétrica elevada en comparación con otros tipos de condensadores.
Todos los ánodos grabados o sinterizados tienen una superficie total mucho mayor en comparación con una superficie lisa de las mismas dimensiones totales. Este aumento de la superficie multiplica el valor de la capacitancia por un factor de hasta 200 (dependiendo de la tensión nominal) para los condensadores electrolíticos de tántalo sólido.I. Horacek, T. Zednicek, S. Zednicek, T. Karnik, J. Petrzilek, P. Jacisko, P. Gregorova, AVX, "High CV Tantalum Capacitors: Challenges and Limitations" PDF
El volumen de un condensador electrolítico viene definido por el producto de la capacitancia y la tensión, el llamado volumen CV. Sin embargo, al comparar las permitividades de distintos materiales de óxido, se observa que el pentóxido de tántalo tiene una permitividad aproximadamente 3 veces mayor que el óxido de aluminio. Por lo tanto, los condensadores electrolíticos de tántalo de un valor CV dado pueden ser más pequeños que los condensadores electrolíticos de aluminio.
Construcción básica de condensadores electrolíticos de tantalio sólido. Un condensador de tantalio típico es un condensador de chip y consiste en polvo de tantalio prensado y sinterizado en una pastilla como ánodo del condensador, con la capa de óxido de pentóxido de tantalio como dieléctrico y un electrolito sólido de dióxido de manganeso como cátodo.
Materiales, producción y estilos.
Ánodo alt=A picture of three tantalum powder sizes.|derecha|miniaturadeimagen| Figura 1: Polvo de tantalio CV /g. Los condensadores de tantalio se fabrican a partir de un polvo de metal de tantalio elemental relativamente puro.H. Haas, H. C. Starck GmbH, Magnesium Vapour Reduced Tantalum Powders with Very High Capacitances Una cifra de mérito común para comparar la eficiencia volumétrica de los polvos se expresa en capacitancia (C, normalmente en μF) por voltios (V) por gramo (g). Desde mediados de la década de 1980, los polvos de tántalo fabricados han mostrado una mejora de alrededor de diez veces en los valores de CV/g (de aproximadamente 20k a 200k). El tamaño típico de las partículas oscila entre 2 y 10 μm. La figura 1 muestra polvos de grano sucesivamente más fino, lo que se traduce en una mayor superficie por unidad de volumen. Obsérvese la gran diferencia de tamaño de partícula entre los polvos. alt=A picture of tantalum powder sintered together.|izquierda|miniaturadeimagen| Figura 2: Ánodo sinterizado. El polvo se comprime alrededor de un alambre de tántalo (conocido como alambre ascendente) para formar un "gránulo".VISHAY, DC LEAKAGE FAILURE MODE, PDF El alambre se convierte en la conexión anódica del condensador. Esta combinación de gránulo y alambre se sinteriza al vacío a alta temperatura (normalmente entre 1.200 y 1.800 °C), lo que produce un gránulo mecánicamente fuerte y elimina muchas impurezas del polvo. Durante la sinterización, el polvo adquiere una estructura esponjosa, con todas las partículas interconectadas en una red espacial monolítica. Esta estructura tiene una resistencia mecánica y una densidad predecibles, pero también es muy porosa, lo que produce una gran superficie interna (véase la figura 2).
Las áreas de superficie más grandes producen una mayor capacitancia; por lo tanto, los polvos de alto CV/g, que tienen tamaños medios de partícula más bajos, se utilizan para piezas de baja tensión y alta capacitancia. Eligiendo el tipo de polvo y la temperatura de sinterización adecuados, se puede conseguir una capacitancia o tensión nominal específica. Por ejemplo, un condensador de 220 μF y 6 V tendrá una superficie cercana a los 346 cm2, es decir, el 80% del tamaño de una hoja de papel (el papel US Letter, de 8,5×11 pulgadas, tiene una superficie de ~413 cm2), aunque el volumen total del granulado sea sólo de unos 0,0016 cm3.
Dieléctrico alt=Picture of sintered tantalum with dielectric layer.|miniaturadeimagen| Figura 3: Capa dieléctrica. Luego, el dieléctrico se forma sobre todas las superficies de las partículas de tantalio mediante el proceso electroquímico de anodización. Para lograr esto, el "gránulo" se sumerge en una solución muy débil de ácido y se aplica tensión continua. El espesor dieléctrico total viene determinado por la tensión final aplicada durante el proceso de conformación. Inicialmente, la fuente de alimentación se mantiene en un modo de corriente constante hasta que se ha alcanzado la tensión correcta (es decir, el grosor dieléctrico); a continuación, mantiene esta tensión y la corriente decae hasta cerca de cero para proporcionar un grosor uniforme en todo el dispositivo y el lote de producción. Las ecuaciones químicas que describen el proceso de formación del dieléctrico en el ánodo son las siguientes:
2 Ta → 2 Ta5+ + 10 e− 2 Ta5+ + 10 OH− → Ta2O5 + 5 H2O
El óxido se forma en la superficie del tántalo, pero también crece dentro del material. Por cada unidad de espesor de crecimiento del óxido, un tercio crece hacia fuera y dos tercios hacia dentro. Debido a los límites del crecimiento del óxido, existe un límite en la tensión nominal máxima del óxido de tántalo para cada uno de los polvos de tántalo disponibles actualmente (véase la figura 3).
El espesor de la capa dieléctrica generado por la tensión de formación es directamente proporcional a la tensión de prueba de los condensadores electrolíticos.K. H. Thiesbürger: Der Elektrolyt-Kondensator. 4. Auflage. Roederstein, Landshut 1991, OCLC 313492506 Los condensadores electrolíticos se fabrican con un margen de seguridad en el espesor de la capa de óxido, que es la relación entre la tensión utilizada para la creación electrolítica del dieléctrico y la tensión nominal del condensador, para garantizar un funcionamiento fiable.
El margen de seguridad de los condensadores de tantalio sólido con electrolito de dióxido de manganeso suele estar entre 2 y 4. Esto significa que para un condensador de tantalio de 25 V con un margen de seguridad de 4, la prueba de tensión dieléctrica puede soportar 100 V para proporcionar un dieléctrico más robusto.J. Qazi, Kemet, An Overview of Failure Analysis of Tantalum Capacitors Este factor de seguridad tan elevado se ve corroborado por el mecanismo de fallo de los condensadores de tantalio sólidos, la "cristalización de campo".B. Goudswaard, F. J. J. Driesens, Failure Mechanism of Solid Tantalum Capacitors, Philips, Electrocomponent Science and Technology, 1976, Vol. 3. pp 171-179 H. W. Holland, Kemet, Solid Tantalum Capacitor Failure Mechanism and Determination of Failure RatesT.Zednicek, AVX, A Study of Field Crystallization in Tantalum Capacitors and its effect on DCL and Reliability, P. Vasina, T. Zednicek, AVX, J. Sikula, J. Pavelka, AVX, Failure Modes of Tantalum Capacitors made by Different Technologies, CARTS USA 2001 Para los condensadores de tantalio con electrolito de polímero sólido, el margen de seguridad es mucho menor, normalmente alrededor de 2.R. Faltus, AVX Corp.EET Asia, Choosing the right capacitors to ensure long-term control-circuit stability
Cátodo alt=Picture of tantalum with manganese dioxide layer.|miniaturadeimagen| Figura 4: Capa de dióxido de manganeso