3 важные вещи о танталовом конденсаторе

Введение

Тантал (Ta) - редкий, твердый, голубовато-серый и блестящий переходный металл, обладающий высокой коррозионной стойкостью и тепло- и электропроводностью. Он обладает отличной устойчивостью к агрессивной водной среде при температуре 150℃. Благодаря своим хорошим физическим и химическим свойствам, тантал в основном используется в электронике, сплавах и других областях. На рисунке 1 показана отгрузка тантала в 2016 году [1]. Большая часть тантала используется в конденсаторах в качестве анодов, которые относятся к электронике, а другие в основном применяются в сплавах, химикатах и мишенях для напыления. В 2021 году около 70 % спроса на тантал придется на электронную промышленность: аноды для конденсаторов, полупроводниковые мишени и спекаемые подложки для анодов [2]. Сначала поговорим о танталовых конденсаторах.

Рисунок 1: Отгрузка танталовой продукции в 2016 году [1]

Как изготавливается танталовый конденсатор?

Как и другие конденсаторы, танталовый конденсатор состоит из 3 компонентов: анода, катода и электролита. Для изготовления анода используется чистый танталовый порошок и проволока.

Сжимая танталовый порошок вокруг танталовой проволоки, мы получаем "гранулы" тантала. Затем гранулу спекают при температуре от 1200 до 1800℃ для удаления примесей. Во время этого процесса порошок также приобретает пористую структуру, что может увеличить его емкость. Другими словами, танталовые конденсаторы имеют более высокое значение емкости/объем по сравнению с другими конденсаторами, такими как алюминиевые.

После спекания на поверхности частиц тантала образуется диэлектрик путем превращения внешнего слоя тантала в Ta2O5. Этот процесс называется анодированием. Толщина диэлектрика напрямую связана с устойчивостью конденсаторов к напряжению. Каждый конденсатор должен иметь запас по толщине оксидного слоя, чтобы обеспечить надежную работу.

Последний шаг - добавление катода за пределы диэлектрика. В мокрых танталовых конденсаторах используется жидкий электролит для погружения танталовой части, а корпус покрывает мокрые танталовые конденсаторы. Корпус и жидкий электролит работают как катод в мокром танталовом конденсаторе. Для твердого танталового конденсатора погружение анода в раствор Mn(NO3)2 и запекание при температуре около 250℃ позволяет сформировать слой MnO2 вне диэлектрика. Повторите несколько раз, пока не образуется достаточно толстый слой MnO2 снаружи "таблетки". Затем окуните ее в графит и серебро, чтобы обеспечить хорошее соединение катода MnO2 с внешним катодным выводом. Рисунок 2 дает более краткое представление о твердотельном танталовом конденсаторе.

Рисунок 2: поперечное сечение твердого танталового конденсатора

Преимущества и недостатки танталового конденсатора

Преимущества

Танталовые конденсаторы имеют лучшие частотные характеристики и более длительный срок службы по сравнению с алюминиевыми или керамическими конденсаторами. Их эквивалентное последовательное сопротивление также меньше, что означает, что большие токи могут проходить через конденсатор с меньшим нагревом. Более того, танталовые конденсаторы обладают самой высокой емкостью на объем, как уже упоминалось ранее. Благодаря этим преимуществам танталовые конденсаторы популярны в электронных устройствах, таких как ноутбуки, смартфоны и так далее.

Недостатки

Однако танталовые конденсаторы не так широко используются, как алюминиевые, многослойные керамические (MLCC) или даже ниобиевые. Одна из причин заключается в нестабильности поставок и цен на металл тантал. В некоторых случаях люди начинают использовать MLCC для замены маленьких танталовых конденсаторов, а алюминиевые конденсаторы - для замены больших танталовых конденсаторов.

Поскольку они поляризованы, танталовые конденсаторы можно использовать только в постоянном, а не в переменном токе. Кроме того, когда аноды контактируют с катодами MnO2 во время скачков напряжения, танталовые конденсаторы могут иметь опасный режим отказа, такой как химическая реакция, которая производит дым и пламя. Чтобы предотвратить это, танталовые конденсаторы следует использовать вместе с ограничителями тока или тепловыми предохранителями.

Применение танталовых конденсаторов

Танталовые конденсаторы используются в основном благодаря их наибольшей емкости/объему, хорошей стабильности и превосходным частотным характеристикам. Танталовые конденсаторы могут быть использованы для замены алюминиевых электролитических в военных приложениях из-за их стабильности емкости с течением времени. Медицинская электроника также использует танталовые конденсаторы благодаря этому преимуществу. Среди электронных продуктов наибольшее количество танталовых конденсаторов используется в настольных ПК и ноутбуках. И, как ни странно, в смартфонах и мобильных телефонах используется очень мало танталовых конденсаторов.

Переработка тантала

С ростом потребления танталовых изделий образуется большое количество отходов, содержащих тантал. Значительно увеличилось количество производственных отходов при изготовлении суперсплавов и мишеней для напыления, а также отбросов, образующихся в конце срока службы изделий электронной промышленности. Напротив, разрыв между спросом и предложением тантала становится все больше и больше. Чтобы ликвидировать этот разрыв, переработка танталовых отходов начинает развиваться снова.

Переработку можно разделить на две части: переработку до потребления и переработку после потребления [3]. В основном тантал перерабатывается из предпроизводственного лома из-за его низкого загрязнения и низкой сложности. Предварительная переработка может эффективно улучшить общий производственный процесс с образованием минеральных отходов. Концентрация тантала, стоимость очистки, размер и экономика являются основными факторами, влияющими на стратегии переработки.

Послепотребительская переработка тантала развита не очень хорошо из-за низкой концентрации тантала по сравнению с другими металлами, такими как Cu и Au. Для пирометаллургических танталовых продуктов процесс пост-потребительской переработки тантала очень сложен. Танталовые конденсаторы меньшего размера еще больше усугубляют ситуацию. Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы создать экономичный и безопасный для окружающей среды метод переработки танталовых изделий.

Цитировать

1. Агравал, М., Сингх, Р., Ранитович, М., Камберович, З., Экберг, К., и Сингх, К. К. (2021). Тенденции мирового рынка тантала и методы переработки отработанных танталовых конденсаторов: Обзор. Устойчивые материалы и технологии, 29, e00323.
2. Зогби, Д. М. (2021, 10 мая). Цепочка поставок тантала: обновление глобального рынка в 2021 году. TTI, Inc. Получено 4 января 2023 г. с https://www.tti.com/content/ttiinc/en/resources/marketeye/categories/passives/me-zogbi-20211005.html.
3. Агравал, М., Сингх, Р., Ранитович, М., Камберович, З., Экберг, К., и Сингх, К. К. (2021). Тенденции мирового рынка тантала и методы переработки отработанных танталовых конденсаторов: Обзор. Устойчивые материалы и технологии, 29, e00323.