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폴리머 커패시터 소개

전해콘덴서의 용량측정방법 : 히오키 LCR미터 IM3536 (12 월 2018).

Anonim

폴리머는 탄탈보다 몇 가지 중요한 이점을 제공합니다

콘덴서는 두 개의 전극 판이 유전층으로 분리되어있는 단순한 장치입니다. 커패시터는 종종 세라믹 또는 필름과 같이 유전체 층에 사용되는 재료의 이름을 따서 명명됩니다. 그들은 또한 알루미늄 또는 탄탈 같이 전극 격판 덮개의 이름을 따서 명명 될지도 모른다. "폴리머 커패시터"로 알려진 유형은 극성 커패시터의 음극 플레이트를 의미합니다. 유기 전도성 고분자 인 poly-ethylenedioxythiophene (PEDOT라고도 함)은 1990 년대 후반 커패시터에 도입되었습니다. 그것은 탄탈 커패시터에 사용되는 전통적인 이산화 망간 (MnO2)에 대한 흥미 진진한 대안입니다.

그림 1 : SMT 탄탈 단면

고분자와 MnO2 탄탈륨의 차이

폴리머와 MnO2 탄탈륨 커패시터 사이의 유일한 물리적 차이는 사용 된 음극 재료입니다. 그림 1 은 탄탈 칩의 단면을 보여줍니다. 애노드 "pellet"은 양극 재료에 대해 동일합니다. 이 펠렛은 일련의 단계로 형성됩니다. 먼저, 탄탈 입자의 그룹이 함께 소결되어 단일 구조를 형성하여 애노드 전극 판을 형성한다. 다음으로 펠릿을 전압이 가해지는 전해질에 침지시켜 5 산화 탄탈 (Ta2O5)의 유전체층이 성장하도록한다.

이 시점에서, MnO2 또는 폴리머의 음극 층이 유전체 구조 위에 성장 될 수있다. 마지막으로, 펠렛은 리드 프레임에 부착되고 에폭시로 덮힌 다. 이 결과로 동일한 모양의 커패시터가 생성되지만 내부 구조가 다릅니다.

그림 2 : 탄탈 -MnO 2의 SEM .

도 2 는 실제 탄탈 -MnO2 펠릿의 단면을 도시한다. 이 그림은 탄탈과 이산화 망간이 경질 재료 인 Ta 2 O 5를 어떻게 둘러싼다고 강조합니다. 도 3 은 폴리머 - 탄탈 펠렛에 대한 유사한 단면을 도시한다.

그림 3 : 폴리머 - 탄탈 펠렛의 단면.

고분자 장점

훨씬 낮은 ESR, 증가 된 신뢰성, 양호한 고장 모드, 감소 된 전압 디 레이팅 (under-rating) 및보다 낮은 비용과 같은 폴리머 사용에 상당한 이점이있다.

PEDOT는 기술적으로 반도체로 분류됩니다. 그러나, 그것은 MnO2에 비해 매우 전도성이있다. PEDOT의 전도도는 100 내지 1, 000 S / cm의 범위이고, MnO 2 는 1 내지 10 S / cm의 범위이다. 실제 구성 요소의 경우 이것은 ESR의 크기가 더 낮아질 수 있음을 의미합니다. 그림 4 는 MnO2와 폴리머 탄탈의 ESR 차이를 보여준다. 이 경우, 양극 펠릿은 동일하다; 유일한 차이점은 음극 층입니다.

그림 4 : 탄탈과 폴리머에 대한 ESR 비교.

온도 변화에 따라 폴리머 캐소드는 전통적인 캐소드 재료와 비교하여 전도도 (또는 저항률)가 거의 변하지 않습니다. 탄탈 - MnO2 나 폴리머 - 탄탈륨 커패시터는 전해액을 포함하고 있지 않으므로 마모 메커니즘을 가지고 있지 않다. 그것들은 HAST 분석에 기초하여 수십억 년이라는 명목상의 수명을 갖는 고체 상태의 구조입니다. 폴리머 - 탄탈륨에 가장 적합한 고려 사항은 MnO 2 와 비교할 때 "턴 - 온 (turn-on)"성능이다. 탄탈 콘덴서는 전압이 처음 적용될 때 실패 할 가능성이 가장 큽니다. 탄탈 콘덴서가 리플 로우 솔더링 공정을 거칠 때 탄탈륨, Ta2O5 및 음극 물질 사이의 CTE 불일치는 섬세한 Ta2O5에 스트레스를 유발하여 어느 정도 손상을 입힌다.

전통적인 MnO 2 는 전도성 중합체보다 유전체 층에 더 많은 손상을 초래한다. 그 결과 폴리머를 사용할 때보다 견고한 구성 요소가됩니다. 또한, 쇼트 - 쇼트 (short-short) 상태가 발생하면 폴리머가 점화되지 않습니다.

B 실패를 초래하십시오

실패시 탄탈을 잡는 탄탈륨의 경험은 실제로 탄탈륨 또는 그 산화물이 아닌 음극으로 사용되는 MnO2와 관련이 있습니다. 폴리머가 음극으로 사용될 때, 커패시터가 점화 될 기회가 없다.

Ta2O5 내의 누설 부위가 충분한 전류를 흐르게하면, 국부적 인 열이 음극 층에서 생성된다. 온도가 400 ℃를 초과하면 MnO2는 비전 도성 인 Mn2O3로 전이됩니다. 그러나이 과정은 또한 무한대의 산소 원자를 만든다. 전류가 제한적인 상황에서이 프로세스는 누설 부위를 실제로 치유하거나 교정하여 부품을 더욱 강력하게 만듭니다. 전류가 제한되지 않는 상황에서는 발열 반응이 너무 빨리 일어나서 발열 반응이 시작되며이 무한대의 산소 원자에 의해 공급됩니다. 열과 산소가 있으면 화재가납니다.

유사한 치유 과정이 폴리머 - 탄탈륨에서 발생합니다. 독특한 이점은 고분자가 가열 될 때 산화되어 고분자 사슬을 분해한다는 것입니다. 이것은 또한 물질을 비전도 상태로 바꿉니다. 폴리머의 치유 과정의 장점은 자유 산소가 사용 가능하지 않다는 것입니다. 또한 열 전도성이 훨씬 뛰어나 점화 능력을 감소시킵니다.

전압 디 레이팅 감소

언급 한 바와 같이, 이들 부품이 리플 로우 오븐을 통과 할 때, 유전체 층에 약점이 형성된다. 이러한 약점은 누설 전류가 유전체 층을 통해 흐르게하고 또한 탄탈 커패시터의 "파워 온 (power-on)"장애를 일으키는 원인이된다.

MnO2에서 야기 된 손상은 중합체보다 더 광범위하게되는 경향이있다. 이러한 이유로 MnO 2 기반 탄탈은 일반적으로 50 % 전압 디 레이팅과 함께 사용하는 것이 좋습니다. 10 V 이하의 폴리머는 10 % 만 필요하고 10 V를 초과하는 폴리머는 20 %의 디 레이팅이 필요합니다. 흥미롭게도, 단지 20 %의 전압 디 레이팅으로도, 폴리머는 50 %의 경감을 갖는 유사한 MnO2보다 여전히 파워 온 실패율이 낮다.

폴리머 트레이드 오프

응용 분야에서 폴리머 - 탄탈륨을 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 단점이 있습니다. 전도성 중합체는 작동 온도에 한계가있다. 일부 폴리머 커패시터는 125 ° C까지 등급이 매겨 질 수 있지만, 대부분은 85 ° C 또는 105 ° C 어플리케이션으로 제한됩니다. 재료의 한계를 감안할 때, 이 상한은 가까운 장래에 크게 증가 할 것 같지 않습니다.

폴리머 기반 커패시터는자가 치유 능력을 갖지만, 높은 전도성은보다 적은 국부 가열을 의미합니다. 국부 가열이 적 으면 음극 층에서자가 치유 또는 교정이 적습니다. 그 결과 누설 전류가 증가합니다. 예를 들어 1nA의 누설 전류를 갖는 MnO2 설계는 폴리머 캐소드가 대신 사용될 때 1μA의 누설 전류를 가질 수 있습니다.

전도성 고분자를 사용할 때 더 많은 제조 단계가 있습니다. 이것은 이러한 커패시터가 항상 더 비싸다는 결론에 이르게 할 수있다. 이러한 커패시터는 종종 스위칭 전원 공급 장치에 사용되기 때문에 스위칭 주파수를 고려해야한다.

MnO2- 탄탈륨 대 폴리머 - 탄탈륨 스위칭 예.

그림 5 는 다양한 온도에서 MnO 2 와 폴리머 탄탈륨의 주파수 응답을 보여준다.

그림 5 : 탄탈과 폴리머 탄탈륨에 대한 커패시턴스 대 주파수.

실온 (25 ℃)에서, MnO2 (표준) 탄탈은 약 10kHz 후에 정전 용량을 잃기 시작하는 반면 폴리머 탄탈은 200kHz를 초과하는 정전 용량을 유지합니다. 이것은 동일한 전압, 동일한 커패시턴스 및 동일한 케이스 크기로 정격 된 두 커패시터와 함께 사용됩니다. 그러나 표준 탄탈륨이 여러 개 사용되면 단일 폴리머로 교체 할 수 있습니다. 단품 가격이 더 높을지라도 전체 솔루션 가격은 더 낮을 수 있습니다. 전압, 커패시턴스 및 크기 외에도 생산량은 커패시터의 가격에서 중요한 역할을합니다. 매년 탄탈륨 생산량이 증가하면서 MnO 2 탄탈륨이 감소합니다. 이 두 가지 결합 된 비용은 잠재적으로 중립적 인 트레이드 오프 또는 때로는 비용 절감을 초래합니다.

By James Lewis, 기술 및 응용 분야 수석 기술 전문가, KEMET Electronics, www.kemet.com