Tantal-Kondensatoren:
Hermetisch dicht und bis 230 °C belastbar
Bestimmte Elektronik-Anwendungen wie Öhlbohrsysteme erfordern immer höhere Betriebstemperaturen. Im Zuge der Entwicklung neuer Öhlbohrköpfe und Sensoren, die fürs Bohren in größerer Tiefe oder unter schwierigeren geologischen Bedingungen ausgelegt sind, ist die maximale Arbeitstemperatur von 200 auf 230 °C gestiegen. Für solche Anwendungen werden Elektronikbauteile - u.a. Kondensatoren - benötigt, die bei dieser Temperatur eine Lebensdauer von 1.000 h oder mehr aufweisen.
Die in solchen Anwendungen eingesetzten Elektronik-Boards enthalten u.a. auch hochkapazitive Kondensatoren. Die Auswahl an Kondensatoren, die für Arbeitstemperaturen von über 125 °C/175 °C ausgelegt sind, ist jedoch sehr klein. Die Tantal-SMD-Kondensatortechnologie hat sich bei Temperaturen bis 175 °C als zuverlässig erwiesen, und einige Spezialausführungen bringen es sogar auf 200 °C. Langlebige Nasstantal-Kondensatoren für den Betriebstemperaturbereich bis 200 °C werden von mehreren Herstellern angeboten; ein einziger Hersteller indes bietet 230-°C-Typen an, die jedoch nur eine sehr kurze Lebensdauer aufweisen.
Das herkömmliche Katodenmaterial MnO2 ist mechanisch robust und weist eine relativ gute, für viele Anwendungen ausreichende Temperatur- und Feuchtigkeitsstabilität auf. Die beiden gravierendsten Nachteile von MnO2-Tantal-Kondensatoren sind
- der riskante Ausfallmechanismus, denn es kann zum thermischen Durchbruch mit Selbstentzündung kommen, und
- der relativ große äquivalente Serienwiderstand (ESR, Equivalent Series Resistance).
Beide Nachteile lassen sich durch Verwendung von Kathoden auf der Basis von Leitpolymeren eliminieren. Diese Materialien bieten kleinere ESR-Werte und einen sichereren Ausfallmechanismus, begrenzen jedoch die maximal mögliche Betriebstemperatur ganz erheblich.
Hermetisch dichtes Gehäuse verbessert die Langzeitqualität
Das Problem der begrenzten Stabilität beim Einsatz in Hochtemperatur-Umgebungen lässt sich durch Verwendung einer MnO2-Kathode lösen; allerdings können auch MnO2-Kathoden unter extremen Umgebungsbedingungen degradieren. Auch das zum Umhüllen verwendete Epoxidharz kann degradieren, wenn es lange Zeit Temperaturen über 125 °C (oder sehr hohen Temperaturen außerhalb der Spezifikationen für relativ kurze Zeit) ausgesetzt ist. Auch das kann die elektrischen Eigenschaften des Kondensators negativ beeinflussen. Durch Oxidation, morphologische Veränderungen und weitere Degradationsmechanismen kann sich die Leitfähigkeit der Kathode verschlechtern, und das hat einen höheren ESR und/oder Kapazitätsverlust zur Folge. Die Hochtemperaturfestigkeit eines Kondensators lässt sich signifikant verbessern, indem man verhindert, dass seine interne Struktur mit Feuchtigkeit oder Sauerstoff in Berührung kommt. Dies lässt sich durch ein schutzgasgefülltes, hermetisch dichtes Gehäuse erreichen. Zudem lässt sich der relativ hohe ESR von MnO2-Kathoden durch Parallelschalten mehrerer Kondensatoren in einem gemeinsamen Gehäuse verringern.
AVX hat eine neue SMD-Tantal-Kondensator-Struktur entwickelt und getestet, bei der die Kondensatorelemente in einem hermetisch dichten Keramikgehäuse untergebracht und über einen gemeinsamen Anschluss am Gehäuse befestigt sind. Das Gehäuse ist mit einem chemisch inerten Gas, konkret mit Stickstoff, gefüllt, das bei einem Ausfall des Bauteils einen thermischen Durchbruch und eine Selbstentzündung des festen Mangandioxid-Elektrolyten verhindert. Nach dem Einbringen des Kondensatorelements in das Gehäuse wird dieses durch einen Deckel (typischerweise aus Metall) verschlossen, der auf den Keramik-Seitenwänden sitzt. Das Keramikgehäuse und das Kondensatorelement haben die gleiche Form. Dadurch wird die Volumeneffizienz maximiert. Alle hergestellten Bauteile werden verschweißt und auf hundertprozentige hermetische Dichtheit getestet.
AVX hat dieses neue Design eines hermetisch dichten 100-μF-/35-V-MnO2-SMT-Tantal-Kondensators getestet und analysiert.
Jobangebote+ passend zum Thema
- Hermetisch dicht und bis 230 °C belastbar
- Verhalten bei Temperatoren über 200 °C
