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Tantalkondensatoren für Automotive

Schlüsselfaktor Gehäuse

15. Dezember 2014, 11:34 Uhr | Ralf Higgelke

Der ESR von Tantalkondensatoren ist durch die Einführung organischer Polymere für die Kathoden deutlich gesunken. Allerdings eignen sich Polymere nicht für die hohen Temperaturen und Feuchtigkeitswerte, wie sie im Fahrzeugbereich auftreten. Ein neues Gehäuse soll das nun ändern.

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von Axel Schmidt, Senior Field Applications Engineer bei Kemet.

Tantal ist als Kondensatormaterial deshalb so beliebt, da es gegenüber anderen Technologien zahlreiche Vorteile bietet. Tantalkondensatoren sind meist kleiner als vergleichbare Bauteile. Die Anode besteht aus gesintertem Tantalpulver mit einer dielektrischen Schicht aus Tantalpentoxid (Ta₂O₅). Da die Pulverpartikel sehr klein sind, ergibt sich auf kleinem Raum eine sehr große Anodenoberfläche (Bild 1). Der daraus resultierende hohe volumetrische Wirkungsgrad bedeutet, dass Tantalkondensatoren selbst mit den kleinsten Kondensatoren am Markt konkurrieren können.

Für anspruchsvolle Applikationen in den Bereichen Industrie und Automobilelektronik, wo elektronische Bausteine sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind, bieten Tantalkondensatoren eine sehr gute Stabilität. Zu den hochtemperaturtauglichen Varianten zählen jene mit Mangandioxid-Kathoden (MnO₂), die Temperaturen bis +200 °C standhalten. Eine besondere Eigenschaft dieser Kathodenart ist die Selbstheilung: Jeder Fehler beziehungsweise Riss sorgt in bestimmten Bereichen für einen höheren Stromfluss, was zu einer Wärmeentwicklung führt, die MnO₂ in Dimangantrioxid (Mn2O₃) umwandelt, das eine niedrigere Leitfähigkeit besitzt. Die Fehlerstelle heilt und eine weitere Beschädigung beziehungsweise Risse verhindert.

Mit dem Fokus auf effizientere Fahrzeuge steigt auch die Nachfrage der Automobilhersteller und Zulieferer nach Kondensatoren mit einem niedrigeren ESR-Wert (äquivalenter Serienwiderstand). Wo immer keine hohen Temperaturen herrschen, wird diese Nachfrage durch Tantalkondensatoren erfüllt, deren Kathode aus einem leitfähigen organischen Polymer besteht.

Damit ergeben sich ein wesentlich geringerer ESR-Wert sowie eine gute Kombination aus Performance, Herstellbarkeit und Zuverlässigkeit für eine Vielzahl von Anwendungen.

Allerdings eignen sich Kondensatoren mit Polymerkathode derzeit nicht in hochanspruchsvollen Umgebungen in den Bereichen Industrie und Automotive. Gängige Bausteine bieten einen Betriebstemperaturbereich bis +105 °C – nicht ausreichend, um Standards wie AEC-Q200 im Automobilbereich zu erfüllen. Tabelle 1 zeigt die Anforderungen an Tantalkondensatoren für eine Zertifizierung nach AEC-Q200.

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Stresstest	Bedingungen	MnO₂	Polymer
Lagerungstest	+125 °C, spannungsfrei, 1000 Stunden	ja	nein
Temperaturzyklen	-55 °C bis +125 °C, 1000 Zyklen	ja	ja
Betrieb bei Feuchte	+85 °C, 85% r.F., Bias-Spannung, 1000 Stunden	ja	nein
Lebensdauer	+125 °C, Bias-Spannung, 1000 Stunden	ja	nein
Widerstand gegen Lösungsmittel	MIL-STD-202, Meth. 215	ja	ja
mechanischer Schock	MIL-STD-202, Meth. 213, Cond. F	ja	ja
Vibration	MIL-STD-202, Meth. 204, 5 g für 20 Minuten	ja	ja
Widerstand gegen Lötwärme	MIL-STD-202, Meth. 210, Cond. D	ja	ja
elektrostatische Entladung	AEC-Q200-02 oder ISO/DIS 10605	ja	ja
Lötbarkeit	J-STD-002	ja	ja
Festigkeit der Anschlüsse	AEC-Q200-06	ja	ja

Tabelle 1: AEC-Q-200-Anforderungen an Tantalkondensatoren; während Bausteine mit Kathoden aus Mangandioxid alle Kriterien erfüllen, tun Polymer-Varianten dies nicht