Tantal-Kondensatoren:
Hermetisch dicht und bis 230 °C belastbar
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Verhalten bei Temperatoren über 200 °C
Nachfolgend werden die wichtigsten Eigenschaften dieses Kondensators bei Temperaturen oberhalb von 200 °C diskutiert. So zum Beispiel zeigten sich bei längerem Betrieb in einer 230-°C-Umgebung - abhängig von der jeweils anliegenden Spannung - gewisse Verschleißerscheinungen. Das bei diesen Kondensatoren im Temperaturbereich oberhalb 200 °C beobachtete Verschleiß-Phänomen sowie der Einfluss der Arbeitsspannung auf die Lebensdauer bei 230 °C werden im Folgenden genauer beschrieben.
Lebensdauertests haben ergeben, dass die hermetisch dichten SMD-Tantal-Kondensatoren bei 200 °C und einer Arbeitsspannung bis 60 % der Nennspannung (UR) eine gute Stabilität aufweisen. Bei 230 °C zeigten die Bauteile im spannungslosen Zustand immer noch eine perfekte Stabilität. Und auch bei Arbeitsspannungen bis 33 % der Nennspannung war die Stabilität immer noch sehr gut. Bei höheren Arbeitsspannungen indes wurden nach 500 h ein erhöhter ESR und ein geringfügiger Kapazitätsverlust gemessen. Zudem beginnt nach 500 h der DC-Leckstromwert (DCL) anzusteigen. Mittels einer FESEM-Analyse (Field Emission Scanning Electron Microscopy) konnte ein potenzieller Verschleißmechanismus identifiziert werden: Demzufolge traten bei erhöhten Temperaturen und anliegender Spannung chemische und morphologische Veränderungen an der MnO2-Kathode auf.
Durch eine umfassende Analyse der Bauteile nach den Tests bei 230 °C und weiteren Tests bis hin zum vollständigen Kapazitätsverlust konnte der Ausfallmechanismus identifiziert werden. Der Kapazitätsverlust ist unmittelbar auf Änderungen der Leitfähigkeit des Katodenmaterials MnO2 zurückzuführen.
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Das in Bild 1 gezeigte FESEM-Foto lässt einen hohen Kontrast und scharfe Kanten erkennen, was ein Zeichen für hohe Leitfähigkeit des MnO2-Materials ist. Nach dem Lebensdauertest (siehe Bild 2) sind die Kanten unscharf, und das deutet auf eine verminderte Leitfähigkeit des MnO2-Materials hin. Die Verschlechterung der Leitfähigkeit und die morphologischen Veränderungen bei erhöhten Temperaturen lassen sich durch chemische Veränderungen an der MnO2-Kathode erklären. Durch Sauerstoffverlust könnte es zur Bildung nichtleitender Mn-Oxide (wie Mn3O4) kommen. Die thermische Zersetzung von MnO2 ist in der Fachliteratur ausführlich beschrieben. Zudem haben die Tests an hermetisch dichten Kondensatoren ergeben, dass die anliegende Spannung der wichtigste Auslöser für die Zersetzung bei hohen Temperaturen ist.
Der hier beobachtete, bislang unbekannte Verschleißmechanismus bei Festtantal-MnO2-Kondensatoren kann bei Einsatztemperaturen oberhalb 200 °C die Lebensdauer selbst hermetisch dichter Kondensatoren begrenzen. Nichtsdestotrotz lässt sich die wichtigste Forderung der Anwender, nämlich eine Lebensdauer von 1.000 h Dauerbetrieb bei 230 °C, erfüllen, sofern die Arbeitsspannung auf maximal 50 % der Nennspannung begrenzt wird (50 % Derating). Es konnte ferner nachgewiesen werden, dass ein 100-μF-/ 35-V-Kondensator bei einer Arbeitsspannung von 17,5 V über 1.000 h bei 230 °C eine gute Stabilität und einen finalen ESR von weniger als 100 mΩ aufweist. Mit derartigen Stabilitätswerten stellen diese hochkapazitativen, kompakten SMD-Kondensatoren einen neuen Klassenrekord auf.
- Hermetisch dicht und bis 230 °C belastbar
- Verhalten bei Temperatoren über 200 °C
