- Конструкція і виробництво твердотільних танталових конденсаторів
- Пробій танталових конденсаторів
- Основні параметри танталових конденсаторів
- Визначення безпечних робочих напруг
- Визначення безпечних рівнів струмів на низьких частотах
- Визначення безпечних рівнів струмів на високих частотах
- Облік впливу різних чинників на максимальне значення середньоквадратичного струму
- Приклад розрахунку допустимих значень струмів і напруг
- Особливості проектування друкованих плат
- Особливості монтажу танталових конденсаторів
- Укладення
- Додаткові матеріали
Метою даної статті є ознайомлення користувачів з особливостями експлуатації, монтажу і зберігання танталових конденсаторів. Стаття містить опис механізмів пробою танталових конденсаторів, пропонує варіант розрахунку допустимих рівнів робочих струмів і напруг для різних частотних діапазонів.
Електронна промисловість рухається в сторону зменшення габаритів електронних пристроїв і в бік збільшення частот перемикання: за останні десять років робочі частоти перетворювачів зросли з 10 кГц до 100 кГц і вище. Вимога високих робочих частот і малих габаритів призводять до розширення застосування твердотільних танталових конденсаторів. твердотільні танталові конденсатори мають відмінні характеристиками: високою питомою ємністю, малими габаритами (рисунок 1, таблиця 1) [1]. Значення ESR таких конденсаторів залишається незмінним з ростом частоти або навіть зменшується, а значення імпедансу на частотах 100 кГц і вище досягає мінімального значення. Крім того, вони відрізняються високою надійністю і сумісні з усіма загальноприйнятими технологіями монтажу.
Малюнок 1 - Габарити танталових чіп-конденсаторів
Таблиця 1 - Габарити загальноприйнятих типорозмірів танталових чіп-конденсаторів
Типорозмір Габаритні розміри дюйм [мм] L W H P TW TH (хв.) A 0.126 ± 0.008 0.063 ± 0.008 0.063 ± 0.008 0.031 ± 0.012 0.047 ± 0.004 0.028 [3.2 ± 0.20] [1.6 ± 0.20] [1.6 ± 0.20] [0.80 ± 0.30] [1.2 ± 0.10] [0.70] B 0.138 ± 0.008 0.110 ± 0.008 0.075 ± 0.008 0.031 ± 0.012 0.087 ± 0.004 0.028 [3.5 ± 0.20] [2.8 ± 0.20] [1.9 ± 0.20] [0.80 ± 0.30] [2.2 ± 0.10] [0.70] C 0.236 ± 0.012 0.126 ± 0.012 0.098 ± 0.012 0.051 ± 0.012 0.087 ± 0.004 0.039 [6.0 ± 0.30] [3.2 ± 0.30] [2.5 ± 0.30] [1.3 ± 0.30] [2.2 ± 0.10] [1.0] D 0.287 ± 0.012 0.169 ± 0.012 0.110 ± 0.012 0.051 ± 0.012 0.094 ± 0.004 0.039 [7.3 ± 0.30] [4.3 ± 0.30] [2.8 ± 0.30] [1.3 ± 0.30] [2.4 ± 0.10] [1.0] E 0.287 ± 0.012 0.169 ± 0.012 0.157 ± 0.012 0.051 ± 0.012 0.094 ± 0.004 0.039 [7.3 ± 0.30] [4.3 ± 0.30] [4.0 ± 0.30] [1.3 ± 0.30] [2.4 ± 0.10] [1.0] V 0.287 ± 0.012 0.169 ± 0.012 0.079 max 0.051 ± 0.012 0.094 ± 0.004 0.039 [7.3 ± 0.30] [4.3 ± 0.30] [2.0 max] [1.3 ± 0.30] [2.4 ± 0.10] [1.0]
Головним завданням при експлуатації танталових конденсаторів є збільшення терміну служби і скорочення числа відмов. Аналіз показав, що це можливо тільки при обліку їх особливостей на всіх етапах життя: виробництво, зберігання, монтажу, експлуатації. Для того щоб визначити причини виходу танталових конденсаторів з ладу, необхідно розглянути їх конструкцію і особливості виробництва.
Конструкція і виробництво твердотільних танталових конденсаторів
Тантал обраний в якості основного матеріалу для конденсаторів не випадково [1]. Справа в тому, що існує всього кілька металів, які при окисленні здатних створювати щільні і непровідні оксидні плівки: титан, цирконій, ніобій, тантал, алюміній і деякі інші. Однак, серед перерахованих металів, тільки при використанні алюмінію і танталу вдається технологічно контролювати товщину оксидної плівки.
Твердотільні танталові конденсатори є електролітичними конденсаторами, які складаються з чотирьох основних частин: анода, діелектрика, електроліту (рідкого або твердого) і катода (малюнок 2).
Малюнок 2 - Конструкція твердотільного танталового чіп-конденсатора
Виробництво конденсаторів є складною ланцюжок технологічних операцій [2].
Створення анода. У твердотільних танталових конденсаторах анод представляє собою пористу гранульовану структуру, схожу на губку (малюнок 2), виготовлену з пресованого танталового порошку високого ступеня очищення. Ця губку отримують в процесі спікання в умовах глибокого вакууму при високих температурах, які, як правило, лежать в діапазоні від 1300 до 2000 ° C. Очевидно, що така структура має високе співвідношення обсягу і сумарною площі поверхні завдяки високому ступеню пористості.
Формування діелектрика. Діелектрик являє собою плівку пентаоксиду танталу (Ta2O5), сформовану на поверхні анода за допомогою електрохімічного окислення. Товщину оксидної плівки можна задавати, змінюючи величину прикладеної напруги в ході процесу електрохімічного окислення. Як правило, товщина плівки надзвичайно мала - від декількох сотень до декількох тисяч ангстрем (1 ангстрем = 1.0 · 10-10 метра).
Оксидна плівка (Ta2O5) має аморфну, а не кристалічну структуру. Це є важливим фактором, так як така структура забезпечує високий електричний опір.
З іншого боку, Ta2O5 може перебувати і в кристалічному стані. Кристалічний оксид танталу є провідним матеріалом і не забезпечує вимог, що пред'являються до діелектрика. Нижче буде показано, що наявність кристалів Ta2O5 є вкрай негативним фактором.
Формування електроліту. В якості електроліту використовують діоксид марганцю (MnO2), який являє собою твердотільний напівпровідниковий матеріал. Діоксид марганцю формується в ході окислювально-відновної реакції при термічній обробці солей марганцю. В процесі виготовлення конденсатора отриману раніше губчасту структуру просочують солями марганцю і піддають нагріванню до отримання діоксиду марганцю на поверхні (малюнок 2). Цей процес просочення і нагрівання повторять кілька разів, до повного покриття всієї структури.
Створення катода. Для поліпшення ступеня контакту поверхню діоксиду марганцю покривають шаром графіту, а на графіт наносять проводить металеве покриття, зазвичай срібло.
Отриману структуру запресовують в компаунд (малюнок 2).
Представлене опис конструкції дозволяє визначити механізми виходу конденсатора з ладу. Основною причиною відмов є пробою танталових конденсаторів.
Пробій танталових конденсаторів
Пробій танталових конденсаторів (breakdown) пов'язаний з різким зростанням струмів витоку ( «leakage current») [2]. Як і всі конденсатори, танталові конденсатори мають струми витоку. Величина їх мала і постійна, але їх наявність все одно необхідно враховувати. Так, наприклад, у времязадающих ланцюгах струм заряду конденсатора повинен перевищувати струм витоку як мінімум в 10 разів. Наприклад, при заряді 47 мкФ конденсатора через резистор 100 кОм напругою 5 В струм витоку не повинен перевищувати 5 мкА в усьому робочому діапазоні температур.
Зростання струму витоку пов'язано з пробоєм діелектрика (Ta2O5). Механізм пробою досить добре вивчений. Діелектрик, спочатку має аморфну структуру, на окремих ділянках поверхні кристалізується під дією різних факторів (температура, висока напруга). Кристалічний пентаоксид танталу є провідним матеріалом, що призводить до різкого зростання струмів витоку (рисунок 3).
Малюнок 3 - Зростання струмів витоку при кристалізації діелектрика
Якщо пробою стався при додатку високої напруги і високих температур, то реакція може швидко поширитися на всю поверхню діелектрика - лавиноподібний ефект ( «avalanche effect»). Ступінь поширення лавиноподібного ефекту може бути різною. Тому і ступінь пошкоджень варіюється від відносно невеликих «вигорілих» точок до звивистих випалених ділянок на поверхні діелектрика, при цьому можливо навіть пошкодження танталовой основи і металевих контактів.
Якщо площа кристалізації діелектрика не велика, може проявитися ефект самовідновлення ( «healing effect». У цьому випадку струм, що протікає через кристалізований діелектрик, викликає його перегрів, що призводить до хімічних перетворень в структурі електроліту (MnO2). Ці перетворення відбуваються в наступному порядку:
(MnO2) → (MnO2O3) → (MnO3O4) → (MnO)
Рівень перегріву визначає ступінь перетворення. Перше перетворення (MnO2) → (MnO2O3) вимагає розігріву до 530 ° C, а останнє відбувається при 1000 ° C. Кожне наступне перетворення призводить до появи оксиду з меншим значенням провідності, ніж у попереднього. В результаті проводить кристалічний ділянка виявляється ізольованим непровідним оксидом марганцю (рисунок 4).
Малюнок 4 - Ефект самовідновлення ( "healing effect")
Крім пробою, що виникає в процесі неписьменною експлуатації, можливе порушення цілісності діелектрика через різних дефектів, що виникли в процесі виробництва і транспортування [2]. Існує кілька основних видів дефектів.
- Механічні дефекти діелектрика.
- Домішки і включення в діелектрику.
- Ділянки кристалічного діелектрика, що виникли при виробництві.
Механічні дефекти можуть бути двох видів. Перший вид дефектів виникає при пошкодженні шару діелектрика після того, як він був вирощений на металевій підкладці. Це може статися, наприклад, при ударі структури конденсатора про тверду поверхню.
Другий вид механічних дефектів виникне при формуванні шару електроліту (MnO2). Справа в тому, що відновлення MnO2 з солей марганцю є досить бурхливу реакцію з утворенням пара, виділенням газів і тепла. Так як структура поверхні танталового анода пориста, то всередині пір на поверхню діелектрика чиниться тиск. Спільна дія теплового удару і тиску газів всередині малих пір може викликати пошкодження діелектрика.
Дефекти, пов'язані з домішками виникають через наявність на поверхні танталу різних включень (домішок або забруднень). Такими домішками можуть бути: вуглець і метали (залізо, кальцій і ін.). При відсутності поверхневих включень шар діелектрика буде рівномірним. Однак при наявності забруднень освіти оксиду танталу в цих місцях не буде (так як в цих місцях не буде достатньої кількості танталу). При великій товщині наращиваемого діелектрика ці місця будуть заращіваться оксидом, але товщина його буде нижче, ніж у всій структурі в цілому (малюнок 5).
Малюнок 5 - Порушення шару діелектрика при наявності забруднень на аноді
Наявність кристалічних вкраплень в шарі аморфного оксиду танталу (Ta2O5) є третьою причиною порушення шару діелектрика при виробництві. Кристалізація може відбуватися по ряду причин: матеріал або концентрація електроліту не відповідає вимогам, недотримання температурного режиму, наявність домішок у вихідних матеріалах. Крім того, кристалізація може виникати при надлишку кисню в середовищі при створенні танталового анода (цей процес, як говорилося вище, повинен проходити в умовах глибокого вакууму). При наявності кисню на поверхні танталового анода виникають пірамідальні шари кристалічного оксиду танталу. Як було сказано вище ці ділянки є провідними. Саме тому виробники танталового порошку прикладають великі зусилля, щоб мінімізувати кількість кисню в порошку, перш ніж постачати його виробнику конденсаторів. У свою чергу виробник конденсаторів намагається максимально контролювати параметри спікання анода.
Таким чином, якість, надійність і термін служби багато в чому визначається ще на етапі виробництва. Чим відповідальніше виробник конденсаторів стежить за виконанням технології виготовлення і якістю матеріалів, тим надійніше буде підсумковий продукт.
Наступним важливим етапом, що визначає термін служби конденсаторів, є правильний розрахунок робочих режимів: визначення допустимих рівнів струмів і напруг. Для цього розрахунку необхідно визначити основні параметри танталових конденсаторів і їх особливості.
Основні параметри танталових конденсаторів
Розрахунок безпечних режимів роботи має на меті визначення рівнів допустимих напруг і струмів [3]. Для цього розрахунку потрібно використання основних параметрів танталових конденсаторів, які можуть бути знайдені в документації на відповідні компоненти.
Номінальна ємність ( «Capacitance»). Танталові конденсатори мають високу питому ємність, що пояснюється досить просто. Як відомо, ємність конденсатора визначається за формулою:
C = εrε0S / d, (1)
де εr- діелектрична проникність матеріалу, ε0 - електрична постійна, S - площа електродів, d - товщина діелектрика.
Діелектрик (Ta2O5) має високе значення діелектричної проникності ε = 26 (таблиця 2) [1]. Крім того, сама по собі поверхню анода в структурі конденсатора є гранульованої і має велику площу. В результаті, ємність танталових конденсаторів становить сотні і тисячі микрофарад (таблиця 3).
Таблиця 2 - Діелектрична проникність різних матеріалів
Тип діелектрика Діелектрична проникність, ε Повітря (вакуум) 1.0 Папір 2.0 ... 6.0 Пластик 2.1 ... 6.0 Мінеральне масло 2.2 ... 2.3 Силіконова олія 2.7 ... 2.8 Кварц 3.8 ... 4.4 Скло 4.8 ... 8.0 Фарфор 5.1 ... 5.9 Слюда 5.4 ... 8.7 Al2O3 8.4 Ta2O5 26 Керамика 12 ... 400000
Таблиця 3 - Номенклатура і параметри танталових конденсаторів серії 293D (Vishay)
Ємність. мкФ 4 В 6.3 У 10 В 16 В 20 В 25 В 35 В 50 В 63 В 75 В 0.10 A A A A 0.15 A A / B B 0.22 A A / B B 0.33 A AA A / B B 0.47 A A A A / B A / B / C B 0.68 A A A A / B B / C C 1.0 A A A / B A / B A / B B / C D 1.5 A A A / B A / B A / B B / C B / C / D D 2.2 A A A / B A / B A / B A / B / C B / C B / C / D D 3.3 A A / B A / B A / B A / B / C A / B / C B / C / D C / D D 4.7 A / B A / B A / B / C A / B / C A / B / C A / B / C / D B / C / D C / D / E D E 6.8 A / B A / B A / B / C A / B / C A / B / C B / C / D C / D D / E 10 A / B A / B / C A / B / C A / B / C / D B / C / D B / C / D C / D D / E E 15 A / B / C A / B / C A / B / C B / C B / C / D B / C / D D / E E 22 A / B / C A / B / C A / B / C / D B / C / D B / C / D C / D / E / V D / E 33 A / B / C A / B / C B / C / D B / C / D C / D D / E 47 A / B / C A / B / C / D B / C / D C / D / E D / E D / E 68 B / C / D B / C / D B / C / D / E / V D / E D / E E 100 A / B / C / D B / C / D / E B / C / D / E / V D / E / V D / E 120 D D E 150 B / C / D C / D / E C / D / E D / E 220 B / C / D / E C / D / E D / E / V E 330 D / E D / E D / E 470 D / E D / E E 680 D / E E 1000 E E
Номінальна напруга ( «Rated Voltage»). Сучасні твердотільні танталові конденсатори випускаються на номінальну напругу до 75 В (таблиця 3). Слід зазначити, одну особливість даного параметра: для нормального функціонування в складі різних пристроїв, танталові конденсатори повинні використовуватися при напружених менших, ніж номінальна [4].
Це правило з'явилося в 50-і роки, і було пов'язане з особливостями військової приймання танталових конденсаторів, і встановленими тоді ж процедурами визначення надійності. Ці стандартні випробування на увазі визначення надійності з витримкою конденсаторів при номінальній напрузі протягом 1000 годин, температурі 85 ° C і токогранічітельном резисторі менше 3 Ом. Приймання «М» має на увазі, що кількість відмов за 1000 годин не перевищує 1%. Як військові, так і комерційні компоненти розроблялися з урахуванням вимог цього стандарту.
Ці умови залишаються промисловим стандартом досі, але сучасні нізкоімпедансние схеми (з мінімальним обмежувальним опором) вимагають більш високої надійності, ніж забезпечує приймання «М». Так як останнім часом стали доступні дані по числу відмов (в основному дані про військову електроніці), то стало можливим проведення фактичних розрахунків і створення нового стандарту Mil-Std-217, який враховує вимоги всіх типів конденсаторів.
Дослідження показали, що для підвищення надійності необхідно знижувати робочу напругу. Пониження робочої напруги до 50% від номінальної напруги RV ( «Rated Voltage»), призводить до зниження показника відмов FIT ( «Failures In Time») до 5% (рисунок 6).
Малюнок 6 - Зниження числа відмов при зменшенні робочої напруги
Опір алюмінієвого електролітичного конденсатора (імпеданс). Як відомо, еквівалентна схема заміщення конденсатора (рисунок 7) крім ємнісний складової містить ряд додаткових елементів:
- індуктивну складову (L), яка враховує індуктивність висновків;
- паралельне опір (Rp), яке дозволяє врахувати струм витоку через діелектрик і поверхневі струми витоку;
- послідовне еквівалентний опір ( «Equivalent Series Resistance», ESR).
Малюнок 7 - Еквівалентна схема конденсатора
Опір схеми має складну частотну залежність (рисунок 8). Головною особливістю цієї залежності є той факт, що з ростом частоти імпеданс зменшується аж до мегагерцового діапазону. Це дозволяє використовувати танталові конденсатори в сучасних джерелах живлення, що працюють на частотах від 100 кГц і вище.
Малюнок 8 - Типова частотна залежність імпедансу і ESR
Еквівалентний послідовний опір ( «Equivalent Series Resistance», ESR). При роботі на змінній напрузі конденсатор володіє послідовним опором. На низьких частотах це опір визначається опором діелектрика (Ta2O5). На високих частотах починає переважати опір електроліту (MnO2). Типова частотна залежність визначає зменшення ESR з ростом частоти аж до мегагерцового діапазону (рисунок 8).
Так як опір діоксиду марганцю обернено пропорційно температурі, то ESR твердотільного танталового конденсатора на високих частотах зменшується з ростом температури.
Максимальна потужність, що розсіюється ( «Power dissipation»). Коли до твердотельному танталові конденсатори прикладена змінна напруга, наявність послідовного опору призводить до виділення тепла, згідно з формулою:
P = I²ESR, (2)
Допустиме підвищення температури конденсатора за рахунок виділеної потужності визначається експериментально. Наприклад, значення перегріву в 20 ° C є максимальним для стандартних танталових чіп-конденсаторів. У свою чергу цей перегрів визначає і максимальну виділяється потужність (таблиця 4).
Таблиця 4 - Максимальна потужність, що розсіюється конденсаторів серії 293D
Тіпорозмір Максимальна розсіює Потужність (25 ° С). Вт A 0.075 B 0.085 C 0.11 D 0.15 E 0.165 V 0.125
Ознайомившись з конструкцією, механізмами пробою і основними параметрами танталових конденсаторів, можна визначити основні обмеження, що накладаються на робочі рівні струмів і напруг.
Визначення безпечних робочих напруг
При експлуатації конденсаторів необхідно вибирати робочі напруги з урахуванням цілого ряду особливостей [2,3].
1. Робота конденсаторів при напружених вище номінального не допускається. Робота конденсатора на підвищеній напрузі знижує термін його служби (рисунок 6). В документації на конкретні серії часто наводяться рекомендовані значення для рівнів напруги (таблиця 5). Ці значення є компроміс між надійністю (потенційним терміном служби) і необхідною напругою живлення
Таблиця 5 - Рекомендовані значення робочої напруги для серії 293D (Vishay)
Номінальна напруга, В Рекомендована робоча напруга (стандартні умови, наприклад вихідний фільтр), В Рекомендована робоча напруга (важкі умови, наприклад вхідний фільтр), В 4.0 2.5 2.5 6.3 3.6 3.3 10 6.0 5.0 16 10 8.0 20 12 10 25 15 12 35 24 15 50 28 24 63 36 31 75 42 37
* - для температури навколишнього середовища нижче + 85 ° С
2. Сумарна напруга постійної і змінної складових напруги не повинні перевищувати номінальну напругу.
3. Максимально допустимий середньоквадратичне напруга визначається з урахуванням наявності постійної складової.
Якщо постійний зсув більше половини граничного напруження (Vbias> 0.5 · Vpp), то допустима середньоквадратичне напруга обчислюється за формулою:
Vrms = (Vpp-Vbias) / √2, (3)
Якщо Vbias <0.5 · Vpp, то
Vrms = Vbias / √2, (4)
Як видно з таблиці 5, оптимальна складова дорівнює приблизно половині номінальної напруги. В цьому випадку Vbias = 0.5 · Vpp і формули (3) і (4) приймуть вигляд:
Vrms = Vpp / 2√2, (5)
Чи не складно розрахувати значення допустимого середньоквадратичної напруги для цього випадку (таблиця 6).
Таблиця 6 - Максимальна середньоквадратичне напруга танталових конденсаторів
Номінальна напруга, В Vrms max, В 4 1.42 10 5.30 20 7.07 25 8.84 35 12.37 40 14.14 50 17.68
4. Не допускається прикладати до твердотілим танталові конденсаторів зворотного напруги [1,4]. Згідно з документацією танталові конденсатори здатні витримувати кидки зворотного напруги амплітудою до 10% від номінальної напруги при температурі + 25 ° C, і 5% від номінальної напруги при температурі + 85 ° C. Однак додаток зворотної напруги вкрай не рекомендується.
Визначення безпечних рівнів струмів на низьких частотах
Для визначення максимально допустимого значення середньоквадратичного струму необхідно розділити значення Vrms на значення імпедансу на заданій частоті:
Irms = Vrms / Z, (6)
Значення імпедансу може бути визначено графічно (рисунок 8), взято з документації, або розраховане як:
Z = √X² + ESR², (7)
де
X = 1 / Cω + Lω, (8)
Так як значення індуктивної складової (L) становить всього кілька нГн, то індуктивна складова у формулі (8) починає позначатися на значенні імпедансу тільки на частотах в декілька МГц. Для фільтрації сигналів в діапазоні 100 кГц і нижче, індуктивної складової імпедансу можна знехтувати:
Z = √ (1 / Cω) ² + (DF / Cω) ² = (1 / Cω) √1 + DF², (9)
При значеннях тангенса кута втрат DF <10%, його внесок в значення імпедансу не перевищує 1%, і їм можна знехтувати. В результаті формула для визначення імпедансу набирає вигляду
Z = 1 / Cω = 1 / 2πfC, (10)
З формули (10) видно, що найбільше значення імпедансу вийде при найменших значеннях ємності, тому в розрахунках необхідно використовувати мінімальне значення ємності з урахуванням точності номіналу.
Розглянемо окремий випадок: частота 120 Гц, постійна складова дорівнює половині номінальної напруги (= 0.5 · Vpp). З урахуванням формул (5), (6) і (10), можна отримати розрахункову формулу для максимального середньоквадратичного струму, вираженого в міліампер:
Irms = 0.266 · CVpp, (11)
де - максимально допустимий середньоквадратичне значення струму (мА); С - мінімальна ємність конденсатора з урахуванням точності (мкФ); Vpp - максимальне значення напруги (В).
Визначення безпечних рівнів струмів на високих частотах
На частотах від 10 КГц до декількох сотень кГц, значення струму обмежується в першу чергу значенням допустимої потужності, що розсіюється. Наступна формула дозволяє розрахувати максимально допустимий середньоквадратичне значення змінного струму:
Irms = √Pmax / ESR, (12)
де Pmax - максимальна потужність, яку може розсіювати конденсатор; ESR - максимальне значення еквівалентного послідовного опору на заданій частоті.
Як було зазначено вище значення максимальної потужності, що розсіюється визначається виробником експериментально. Типові значення знаходяться в документації на компоненти (таблиця 4).
Максимальне значення ESR, як правило, приводиться в документації в графічній формі (рисунок 8), або у вигляді значень для конкретних частот.
Облік впливу різних чинників на максимальне значення середньоквадратичного струму
Формула (12) може бути застосована при впливі синусоїдальної напруги високої частоти при температурі + 25 ° C. Очевидно, що якщо форма сигналу відрізняється від синусоїдальної, або температура середовища відрізняється від + 25 ° C, то необхідно додатково коригувати розраховані значення.
- У разі несинусоидального сигналу, результат розрахунку за формулою (9) слід додатково розділити на коефіцієнт заповнення ( «duty cycle»).
- Якщо температура вище + 25 ° C, результат додатково необхідно помножити на коригувальний коефіцієнт (таблиця 7).
Таблиця 7 - Коригувальні множники для різних температур
Температура, ° C Коригувальний множник +25 1.0 +85 0.9 +125 0.4
Залежність коригуючого множника в документації наводиться, як правило, у вигляді графіка і додатково враховує необхідність зниження струму при різних рівнях робочої напруги (рисунок 9).
Малюнок 9 - Коригування розрахункових значень струму
Приклад розрахунку допустимих значень струмів і напруг
Як приклад розглянемо розрахунок граничних значенні струмів і напруг для конденсатора серії 293D (Vishay): типорозмір B, 1 мкФ ± 20%, 35 В. Мінімальне значення ємності з урахуванням похибки 20%, становить 0.8 мкФ.
Розрахуємо значення струмів і напруг для двох значень частоти: 120 Гц і 100 кГц.
Розрахунок для частоти 120 Гц
Граничне значення Vrms може бути визначено з формул (3), (4), (5) в залежності від рівня постійної складової прикладеної напруги. Якщо обраний окремий випадок з постійним зміщенням рівним половині номінальної напруги (Vbias = 0.5 · Vpp), то можна скористатися таблицею 6: для конденсаторів з номінальною напругою 35 В, значення Vrms становить 12.37 В.
Для визначення значення максимального середньоквадратичного струму, необхідно визначити значення імпедансу (формула 10):
Z = 1 / 2πfC = 1 / 2π · 120 · (0.8 · 10-6) = 1.66 кОм, (10)
Максимальний середньоквадратичний ток (формула 6):
Irms = Vrms / Z = 12.37 / 1660 = 0.007 A
Ще раз варто нагадати, що в розрахунках використовувалося мінімальне значення ємності з урахуванням точності номіналу.
Розрахунок для частоти 100 кГц
На високих частотах основне обмеження на величину струму вносить допустима розсіює потужність. Максимальний середньоквадратичний ток може бути обчислений за формулою (12), знаючи значення Pmax і ESR.
Значення допустимої потужності, що розсіюється для типорозміру B можна взяти з таблиці 3: Pmax (тип B) = 0.085 Вт.
Значення ESR вибирається одним із запропонованих способів:
- При визначенні ESR за графіком (рисунок 8). ESR = 1.5 Ом.
- При використанні табличного значення: ESR (+ 25 ° C) = 5 Ом.
У розрахунках необхідно використовувати максимальне значення ESR. Підставляючи знайдені значення в формулу (12), отримуємо:
Irms = √Pmax / ESR = √0.085 / 5 = 0.13 A
Значення максимального середньоквадратичної напруги можна визначити з формули (3). Значення імпедансу визначено за графіком (рисунок 8).
Vrms = Irms · Z = 0.13 · 3 = 0.39 B
Крім грамотного розрахунку робочих режимів необхідно дотримуватися вимог зберігання і технологію монтажу танталових конденсаторів.
Особливості проектування друкованих плат
Твердотільні танталові конденсатори не накладаються будь-яких специфічних обмежень на матеріал друкованої плати. Можуть бути використані всі загальноприйняті матеріали: FR4, FR5, G10, алюмінієві плати, фторопластові (PTFE) плати.
Форма і розмір контактних майданчиків, як правило, надаються виробниками конденсаторів. Креслення посадкового місця супроводжується зазначенням способу монтажу.
Якщо потрібно використовувати форму або розміри майданчиків відмінні від рекомендованих, слід подбати про налагодження процесу монтажу. Це може зажадати коригування температурних режимів пайки.
Особливості монтажу танталових конденсаторів
Нанесення паяльної пасти. Рекомендована товщина паяльної пасти становить 0.178 ± 0.025 мм. Не дивлячись на те, що особливих вимог до паяльною пасті не пред'являється, необхідно пам'ятати, що флюс, який використовується в пасті повинен досить ефективно видаляти оксиди з контактних площадок, для ефективного розтікання пасти і тепла при пайку. На практиці цього домагаються підбором оптимального режиму пайки. Зазвичай для поліпшення видалення окислів стадію предпрогрева збільшують [1].
Установка і позиціонування конденсаторів. Твердотільні танталові чіп-конденсатори мають загальноприйняту систему маркування, яка включає позначення ємності, номінальної напруги і полярності (рисунок 10). У разі корпусів типу B , C , D , E , V використовується повна версія маркування. У разі корпусу А використовується скорочена маркування, в якій замість значення напруги наводиться літерний код. Маркування може мати додаткові поля: код дати, індивідуальний код (логотип) виробника, додаткове маркування виконання [1].
Малюнок 10 - Маркування танталових чіп-конденсаторів Vishay
Установка конденсаторів стандартних типорозмірів на плати може здійснюватися як вручну, так і з використанням автоматизованих систем. Особливих обмежень на тип автоматизованого обладнання, як правило, не пред'являється.
Пайка. Пайка танталових конденсаторів можлива практично будь-яким із загальноприйнятих способів: вручну, в конвекційних печах, в інфрачервоних печах, пайка хвилею. Однак варто розуміти, що при необхідно дотримуватися тих способів, які дозволяють дотримуватися рекомендованого температурного режиму (рисунок 11, таблиця 8). Рекомендований температурний режим пайки передбачає предпрогрев зі швидкістю наростання температури, що не перевищує 3 ° C / с [1].
Можна відзначити, що SnPb конденсатори можуть використовувати температурні режими, розроблені для (Pb) -free конденсаторів.
Малюнок 11 - Рекомендований режим пайки танталових чіп-конденсаторів
Таблиця 8 - Параметри рекомендованого режиму пайки
Значення SnPb LEAD (Pb) -FREE Предпрогрев Мінімальна Температура предпрогрева (Ts min), ° C 100 150 Температура предпрогрева максимальна (Ts max), ° C 150 200 Час переходу від Ts min до Ts max, з від 60 до 120 Прогрівання Максимально допустима швидкість прогрівання при переході від TL до Tp, ° C / с 3 температура ликвидуса (TL), ° C 183 217 Час перебування при температурі вище температури ліквідусу (tL), з від 60 до 150 Пікова температура (Tp), ° C типорозміри A, B, C, V 235 260 типорозміри D, E, W 220 250 час перебування в температурному діапазоні від Tp до (Tp - 5) ° C (tp), c 20 30 Максимально допустимий час виходу на пікову температуру, хв 6 8 Охолодження Швидкість охолодження при переході від Tp до TL, ° C / с 6
Очищення плат після пайки. При очищенні допустимо використовувати практично всі загальновідомі отмивочного кошти (TES, TMS, Prelete, Chlorethane, Terpene). Виняток становлять отмивочного кошти на базі дихлорметана (methylene chloride) і інших речовин, здатних розчиняти компаунди корпусу.
При використанні ультразвукової чистки варто пам'ятати про те, що суть методу полягає в створенні вібрації плати, що може привести до порушення паяних з'єднань.
Особливості зберігання танталових конденсаторів
Твердотільні конденсатори зберігають свої характеристики протягом довгого часу, це пов'язано з відсутністю явних механізмів старіння. При строгому дотриманні умов зберігання (температура не більше 40 ° C, вологість 60%), тривалість зберігання цих конденсаторів обмежується тільки погіршенням здатності до пайки.
Після 1999/2000 року відбулося різке зниження попиту на танталові конденсатори, що призвело до утворення на складах надлишків зберігалися більше двох років. За результатами досліджень проведених компанією Vishay, навіть в разі тривалості зберігання перевищує 3 або 4 роки, здатність до якісної пайку конденсаторів Vishay зберігалася на чудовому рівні [4]. При цьому тестова пайка проводилася відповідно до ANSI / J-002, MIL-STD-202, Method 208, яка має на увазі 8-годинне вплив пара.
Укладення
Твердотільні танталові конденсатори завдяки відмінним електричним і частотним характеристикам, а також малим розмірам отримують все більш широке поширення у всіх областях електроніки.
Одним із завдань, яке стоїть перед розробниками і виробниками, є збільшення терміну служби і зниження кількості відмов танталових конденсаторів. Вона вирішується на всіх етапах життя танталового конденсатора:
- дотриманням технології виготовлення на етапі виробництва;
- ретельним контролем готових компонентів різними методами;
- виконанням вимог умов зберігання і монтажу;
- грамотним вибором безпечних режимів роботи, визначенням оптимальних і допустимих рівнів напруг і струмів;
- дотриманням вимог експлуатації (температурних, вібраційних та ін.).
Підберіть потрібний вам танталовий конденсатор по параметрам
Проаналізуйте надійність обраного вами конденсатора
FIT (failures in time) - число відмов за час, мільярд годин
MTBF (mean time between failures) - середнє напрацювання до відмови, мільйонів годин.
Додаткові матеріали
•••