Festelektrolyt-Tantal-Kondensator mit eingebauter Sicherung und geringem ESR Dünnfilm anstelle von Draht

AVX hat ein vereinfachtes Verfahren für die Herstellung eines Festelektrolyt-Tantal-Kondensators mit eingebauter Sicherung entwickelt. Zum Einsatz kommen dabei vorgefertigte Dünnfilmsicherungen, die sich einfacher im Gehäuse platzieren lassen als Drahtsicherungen. Zudem verbessern sich Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit der Sicherungen, und die Entwicklung eines applikationsspezifischen Kondensators fällt kürzer aus.

Festelektrolyt-Tantal-Kondensator mit eingebauter Sicherung und geringem ESR

AVX hat ein vereinfachtes Verfahren für die Herstellung eines Festelektrolyt-Tantal-Kondensators mit eingebauter Sicherung entwickelt. Zum Einsatz kommen dabei vorgefertigte Dünnfilmsicherungen, die sich einfacher im Gehäuse platzieren lassen als Drahtsicherungen. Zudem verbessern sich Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit der Sicherungen, und die Entwicklung eines applikationsspezifischen Kondensators fällt kürzer aus.

Tantal-Kondensatoren widerstehen den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen in Bezug auf Temperatur, Feuchte, Stöße, Vibrationen sowie andere mechanische und elektrische Belastungen (Spannung, Strom, Welligkeit, kurzzeitige Strom- und Spannungsspitzen). Allerdings müssen bei Festelektrolyt-Tantal-Kondensatoren die Anwendungshinweise beachtet werden, um sicherzustellen, dass die Zuverlässigkeit des Kondensators in vollem Umfang ausgeschöpft werden kann.

Aufgrund ihrer prinzipbedingten Zuverlässigkeit werden Tantal-Kondensatoren immer mehr in Anwendungen mit widrigen Umgebungsbedingungen verwendet. Dabei besteht das Risiko, dass es bei einem Überschreiten bestimmter Spezifikationen (z.B. der maximal zulässigen kurzzeitigen Strom- und Spannungsbelastung) zu einem Ausfall, einem Überhitzen und möglicherweise zu einem Durchbrennen des Bausteins kommt. Diese Bedenken bestehen hauptsächlich bei Produkten für hohe Spannungen, da die Selbstheilungsfähigkeit hier wegen der hohen Energiemengen unter Umständen an ihre Grenzen stoßen kann.

Auf dem Markt werden Tantal-Kondensatoren mit eingebauter Sicherung angeboten, die in diesen seltenen Fällen Schutz bieten, indem sie den Stromkreis bei zu hohen Stromstärken unterbrechen. Hierbei kommt ein bimetallischer Schmelzdraht zur Anwendung, der jedoch die Design-Flexibilität beeinträchtigt und dazu führen kann, dass sich der Ersatzserienwiderstand (ESR) des kompletten Bausteins gegenüber dem Kondensator allein um den Faktor 2 oder mehr erhöht.

AVX hat Festelektrolyt-Tantal-Kondensatoren mit eingebauter Dünnfilm-Sicherung entwickelt, die sich auszeichnen durch Sicherheit, einheitliche Eigenschaften, Zuverlässigkeit, äußerst kurze Ansprechzeiten, kompakte Abmessungen und einen niedrigeren ESR als die bislang üblichen Festelektrolyt-Tantal-Kondensatoren mit eingebauter Sicherung. Aufgrund der Konstruktionsweise lassen sich die Eigenschaften der Sicherung zielgerichteter spezifizieren und/oder der ESR kann direkter auf die Applikation abgestimmt werden, ohne die im Ge-häuse verfügbare Kapazität einzuschränken. Aufgrund der Verfügbarkeit von Sicherungen mit einer breiten Palette von Nennströmen und Ansprechzeiten kann für jede Applikation der passende Stromkreisschutz vorgesehen werden. Im Folgenden werden das Design, die Konstruktion und die Charakterisierungsdaten dieses Produkts erläutert.

Welche Arten von Sicherungen gibt es?

Eine verbreitete Methode zum Herstellen eines abgesicherten Kondensators besteht darin, eine Schmelzsicherung in das Kondensatorgehäuse einzubauen. Der Schmelzdraht wird mit dem internen Leadframe des Bausteins verschweißt, sodass das fertige Produkt eine Serienschaltung aus Schmelzbrücke und Kondensator aufweist. Die Schmelzbrücke besteht aus zwei oder mehr Metallen (Palladium, Ruthenium und Aluminium), mit denen sich durch Erhitzen auf ca. 650 °C eine exotherme Reaktion initiieren lässt. Zu der Erwärmung kommt es bei überhöhten Stromstärken. Mit einer schützenden Beschichtung wird verhindert, dass die exotherme Reaktion mit Temperaturen von 2800 °C zu einem Verkohlen des Kondensatorkörpers führt. Man bezeichnet dies als elektrisch aktivierte Sicherung [2]. In einer anderen Bauart hat der Schmelzdraht einen niedrigen Schmelzpunkt, sodass er bei Überlastung einfach duchschmilzt, anstatt eine exotherme Reaktion auszulösen. Dies wird als thermisch aktivierte Sicherung bezeichnet. Bei der Herstellung solcher Schmelzdraht-Sicherungen müssen der elektrische Widerstand, die Ansprechgeschwindigkeit und die Wärmeempfindlichkeit gegeneinander abgewogen werden. Die verschiedenen Parameter einer Sicherung lassen sich durch die Länge, den Durchmesser und die Zusammensetzung des Schmelzdrahts variieren.

Die Herstellung einer Schmelzdraht-Sicherung gliedert sich in mehrere Arbeitsgänge: Der Draht muss einem Schneidgerät zugeführt, abgelängt, auf dem Leadframe positioniert, verschweißt und mit einem nicht verkohlenden Überzug versehen werden. Wünschenswert wäre hier ein Verfahren, bei dem an Stelle des Ablängens, Positionierens, Verschweißens und Beschichtens des Schmelzdrahts eine fertige Sicherung verbaut wird. Kommerziell verfügbare Dünnfilm-Sicherungen wären für ein solches Modul aus Kondensator und Sicherung eine sehr gute Wahl.

Ist die passende Sicherung für die vorliegende Anwendung gefunden, erfolgt die Montage der Sicherung an einer vorbestimmten Stelle im Gehäuse, bevor das Festelektrolyt-Tantal-Kondensatorelement montiert und das Gesamtmodul mit einer schützenden Umhüllung versehen wird.

Große Bedeutung hat die Konfiguration des Leadframes. So wird beispielsweise ein ausreichender Abstand zwischen den Befestigungsstellen der Sicherung ebenso gefordert wie Flexibilität hinsichtlich der Platzierung der Sicherungen in unterschiedlich großen Gehäusen usw. Überdies ist die Konstruktion für das größte vorkommende Kondensatorelement auszulegen.

Da es im 0402- und 0603-Format Dünnfilm-Sicherungen mit geeigneten Schmelzeigenschaften und ESR-Werten gibt, wurde ein für diese Formate geeigneter Leadframe konstruiert (Bild 2). Letzteres ist für bis zu zwei Sicherungs-Konfigurationen geeignet und erlaubt die Verwendung automatischer Bestückungsmaschinen zum Platzieren und Befestigen der Sicherung. Je nach Anwendung kommen verschiedenene Befestigungsmethoden in Frage – z.B. leitendes Epoxidmaterial, Hochtemperatur-Lot usw.

Nach erfolgter Kapselung und vor Beendigung der Fertigung wird die mittlere Bypass-Verbindung entfernt (Bild 3), damit der Strom von der Leiterplatte über den externen Leadframe durch die Sicherung zum Tantal-Kondensator fließen kann. Die Bypass-Verbindung für die Sicherung kann übrigens wahlweise vor oder nach dem Einbrenn- und Stoßstromtest usw. entfernt werden. Diese Entscheidung sollte je nach den Anforderungen der Applikation und der Schaltung vor der Produktion getroffen werden.

Die elektrischen Parameter eines mit Sicherung versehenen Kondensatormoduls sind recht einfach. Die ESR-Werte von Kondensator und Sicherung sind bekannt und müssen, da es sich um eine Serienschaltung handelt, schlicht addiert werden. Die folgenden Diagramme geben die Frequenzabhängigkeit von Impedanz und ESR für zwei Kondensatoren mit eingebauter Sicherung wieder. Bild 4 zeigt den Frequenzgang für eine Konfiguration mit einer Sicherung bei einem D-Case-Baustein mit 6,8 µF/35 V, Bild 5 den Frequenzgang für eine Konfiguration mit einer Sicherung und ein D-Case-Produkt mit 4,7 µF/50 V. Die ESR-Kurve bricht bei etwas über 400 kHz ab, während die Impedanz oberhalb dieser Frequenz steil zunimmt. Die Ursache hierfür ist der bei höheren Frequenzen zu Tage tretende induktive Blindwiderstand.

Um die möglichen Design-Optionen auszuloten, wurde ein Modul mit zwei Sicherungen hergestellt, die parallelgeschaltet sind (Bild 6). In Frage kommt diese Konfiguration beispielsweise, wenn ein D-Case-Baustein mit 4,7 µF/50 V oberhalb von 400 kHz eingesetzt werden soll. Das Sys-tem mit zwei Sicherungen weist bis 10 MHz einen flachen Frequenzgang auf. Obwohl sich der Ansprechstrom durch die Parallelschaltung im Prinzip verdoppelt, wird der Kondensator wegen der kurzen Ansprechzeit der Sicherungen nach wie vor wirksam geschützt.

nach Unterlagen der AVX Tantalum Corp
Alfred Goldbacher, Elektronik

Literatur

[1] ‑Reynolds, Ch.: Reliability Management of Tantalum Capacitors. AVX Tantalum Corp.
[2] ‑Gouvernelle, D.: Surface Mount Tantalum Capacitor with Built-In Fuse. CARTS-Europe ’89, October 1989, Amsterdam.
[3] ‑Fuse Terminology, User Guide. Bel Fuse Inc., Jersey City.
[4] ‑Chamberlain, M.: Tyco Fuse Selection Guide. Tyco Electronics, Menlo Park.