탄탈럼 커패시터

Brian_Lee · October 19, 2023, 8:03am

소자 구조 및 구별되는 특성

탄탈럼 커패시터는 비교적 안정적인 파라미터를 가진 소형의 내구성이 뛰어난 소자가 필요하고, 적당한 정전 용량과 전압 정격이면 충분한 곳에 주로 사용되는 전해 소자입니다. 전통적으로 알루미늄 전해 대비 탄탈럼의 장점은 체적당 정전 용량, 온도에 대한 파라미터 안정성 그리고 수명 측면에서 찾을 수 있었습니다. 일반적으로 탄탈럼은 장기간 방전 상태로 보관할 때 증발 문제나 유전체 저하 문제를 겪지 않습니다. 그러나, 탄탈럼은 일반적으로 고가이며, 사용할 수 있는 정전 용량과 전압 값의 범위가 좁고, 공급 차질을 빚기 쉬운 희귀한 소재로 만들어지며, 일부 하위 유형은 매우 열렬히 고장나는 경향이 있어서 설계 시 특별한 주의가 필요할 수 있습니다.

아래 차트는 게시글 작성 당시 DigiKey에서 이용 가능한 다양한 종류의 탄탈럼 커패시터에 대한 전압과 전류 정격의 조합을 보여줍니다. 하위 유형에 관계없이, 탄탈럼 커패시터의 애노드 구조는 매우 유사합니다. 고순도의 미세 분말 탄탈럼 금속을 원하는 모양으로 성형하고, 개별 금속 분말 입자를 체적에 비해 내부 표면적이 매우 높은 "슬러그(slug)"라고 하는 고다공성 물질에 융합시키기 위해 고온에서 소결합니다. 그렇게 하면, 커패시터의 유전체가 액체 수조에서 전기화학적으로 형성되어 슬러그의 내부 표면적 전체에 걸쳐 오산화 탄탈럼(Ta2O5) 층을 만들며, 이는 알루미늄 전해 커패시터가 형성되는 방식과 거의 동일합니다. 여기서부터 다양한 유형의 특성을 발생시키는 다양한 캐소드 시스템이 사용되어 다양한 탄탈럼 하위 유형 구조로 나뉘어집니다.

탄탈럼-이산화 망간(Ta-MnO2) 커패시터

세 가지 기본 캐소드 시스템이 탄탈럼 커패시터의 하위 유형을 발생시킵니다. 이산화 망간(MnO2), 전도성 폴리머 그리고 "습식"입니다. 이산화망간 시스템은, 유전체 형성 후 탄탈럼 슬러그를 일련의 질산 망간(Mn(NO3)2) 용액에 담근 후 매번 구워서, 탄탈럼 슬러그의 미세 구조에 완전히 스며들어 소자의 캐소드 역할을 하도록 액체 용액을 (반)고체 전도성 이산화 망간으로 변환시킵니다. 그런 다음, 전체를 에폭시로 패키징하기 전에 리드를 부착하기 위해 필요한 금속층(일반적으로 은)과 이산화 망간이 반응하지 않도록 흑연과 같은 계면 소재를 도포하고 출하 전에 테스트합니다. 최종 제품은 비정전 용량이 높고, 증발 문제가 없으며, 신뢰성이 양호하고, 온도에 대한 안정성도 비교적 양호하며, 그리고 고장 모드가 다소 심각한 고체 상태의 전해 커패시터입니다. Ta-MnO2 커패시터의 조성과 구조는 폭죽(가열되면 산소를 방출하는 물질과 잘게 쪼개진 금속의 균질한 혼합물)과 유사하기 때문에 이 커패시터들은 폭발 및/또는 격한 화염 분출이 특징인 불꽃 방식으로 고장나는 것으로 잘 알려져 있습니다. 이러한 이유로 선택과 적용에 있어 특별한 주의가 권장됩니다.

군사용/고신뢰성/페일 세이프(Fail Safe)

기본 Ta-MnO2 커패시터 기술에 대해 몇 가지 실직적인 개선이 이루어졌으며, 고장의 위험을 줄이거나 또는 최소한 정량화하기 위한 메커니즘을 사용할 수 있습니다. 군사용으로 지정되거나 MIL-spec 부품 번호로 조달되는 제품들은 신뢰성의 통계적 보증을 확립할 수 있도록 로트 테스트와 선별 절차를 일반적으로 포함하는 관련 MIL-spec의 규정에 따라 생산되고 테스트됩니다. 또한 MIL-spec은 종종 (RoHS 미준수인) 납을 포함하는 단자 마감을 요구하는데, 이는 주석 휘스커(tin whisker) 형성의 위험을 감소시키고 조립 과정 중 최고 온도를 낮출 수 있기 때문에 시스템 신뢰성에 전반적으로 도움이 됩니다. 고신뢰성 부품은 흔히 레이블과 단자 마감이 다른 MIL-spec 소재로 만들어지지만, MIL-spec 관리 기구에 의해 아직 채택되지 않은 기술 개선 사항을 포함할 수도 있습니다. 어쨌든 이름에 걸맞게, 고신뢰성 제품은 신뢰성의 통계적 보증을 제공할 수 있도록 선별, 테스트 및/또는 번인 되어 있을 것입니다. 페일 세이프 소자는 실화할 수 있는 고장으로 진행되기 전에 단락 회로 고장을 개방 회로 고장으로 전환시키기 위한 일종의 퓨즈 메커니즘을 내장하고 있습니다. 이러한 메커니즘은 완벽하지는 않지만, 발화 고장의 위험을 소수점 이하로 줄여줍니다.

탄탈럼 폴리머

탄탈럼 폴리머 커패시터는 캐소드 소재로 이산화 망간을 완전히 제거하고 전도성 폴리머를 대신 사용하여, 불꽃 고장의 위험이 거의 없습니다. MnO2에 비해 사용된 폴리머 소재의 낮은 저항으로 인해, 탄탈럼 폴리머 커패시터가 일반적으로 ESR과 리플 전류 사양이 더 좋을 뿐만 아니라 MnO2 기반의 대응 제품에 비해 고주파에서의 성능도 더 좋습니다. 폴리머 캐소드 시스템의 단점은 온도 범위가 더욱 제한되고, 수분에 대한 민감도가 더 커지며, 감소된 자기 회복 효능이 더 많은 누설 전류의 한 원인이 된다는 점입니다.

습식 탄탈럼

이름에서 알 수 있듯이, 습식 탄탈럼 커패시터는 캐소드 시스템에 액체 전해질을 사용합니다. 액체에 납땜하는 것은 어렵기 때문에, 소결된 탄탈럼 애노드 슬러그까지의 회로를 완성하기 위해서는 캐소드 상대 전극(counter electrode)이 필요하며, 이 상대 전극의 설계가 다양한 라인의 습식 탄탈럼 소자 중에서 차별화할 수 있는 요소 중 하나입니다. 최신 소자들은 완전히 밀폐/용접된 탄탈럼 케이스를 사용해서, 은 케이스 소재와 엘라스토머로 밀폐된 이전 소자들보다 전해질 누출의 가능성이 적으며 발생할 수 있는 전압 역전에도 더 잘 견딜 수 있습니다. 습식 탄탈럼 소자의 주요 장점은 신뢰성과 상대적으로 높은 비정전 용량으로, 액체 전해질이 유전체에 대해 지속적인 자기 회복 작용을 가해 낮은 누설 전류와 높은 범위의 적용 가능한 동작 전압을 야기합니다. 그러나 액체 전해질의 저항으로 인해, 대부분의 습식 탄탈럼은 ESR이 특히 좋지 않고 그 결과 비교적 낮은 주파수에서도 정전용량이 손실됩니다. 또한 습식 탄탈럼은 꽤나 고가로, 비슷한 등급의 알루미늄 전해 소자의 대략 100배입니다. 종합해 보면, 이러한 요소들이 습식 탄탈럼을 우주/위성 응용 분야 또는 생명과 직결된 항공전자 시스템 등과 같이 고장이 없어야 하고 돈이 목적이 아닌 응용 분야와 같은 곳에서 주로 발견되는 일종의 틈새 기술로 만듭니다.

고장 메커니즘과 설계 고려 사항

일반 탄탈럼의 경우

탄탈럼 커패시터에서 유전체 결함의 주요 원인은 애노드 슬러그를 형성하는 탄탈럼 분말의 불순물입니다. 도로에 선을 그릴 때 고속도로 대원이 로드킬 당한 사체를 도로에서 일부러 치우지 않으면 틈이 발생하는 것과 같이, 탄탈럼의 불순물은 절연층에 흠을 초래합니다. 탄탈럼 커패시터의 유전체는 처음에는 나노미터 두께에 불과하기 때문에 아주 작은 불순물도 문제를 일으킬 수 있습니다.

탄탈럼 커패시터의 다른 유전체 결함은 기계적으로 유발됩니다. 다소 부서지기 쉬운 유리와 같은 물질인 오산화 탄탈럼 유전체는 기계적인 스트레스가 가해지면 균열이 발생하기 쉽습니다. 특히 중요한 것은 부품을 보드에 조립할 때 납땜 작업 동안의 열팽창 스트레스입니다. 이러한 스트레스는 생산 당시에는 존재하지 않아 감지할 수 없었던 결함을 유발할 수 있기 때문에, 조립 후 첫 전원 인가 시 발생하는 탄탈럼 커패시터의 고장은 알려진 현상입니다. 이산화 망간에 비해 폴리머 캐소드 소재(와 액체 캐소드도 명백히)의 부드럽고 유연한 특성 때문에, 이 유형은 초기 고장(infant mortality) 측면에서 MnO2 기반 커패시터보다 유리합니다.

MnO2 기반 소자의 경우

Ta-MnO2 커패시터에서 동작하는 자기 회복 메커니즘은 MnO2 소재가 전도성이 훨씬 떨어지는 Mn2O3로 열 분해되는 것에 기반하고 있습니다. 결함 부위 근처의 누설 전류가 주변 온도를 충분히 높게 상승시키면, 결함 부위에 전류를 공급하고 있는 MnO2 캐소드 소재 영역이 파괴되어 결함으로 인해 더 이상의 전류가 흐르지 않도록 합니다. 안타깝게도 이 과정에서 산소가 떨어져 나옵니다: 2(MnO2) + (에너지) → Mn2O3 + O. 성공적인 자기 회복 이벤트와 불꽃 고장의 차이는 이 산소가 자동 점화가 가능할 정도의 고온에서 탄탈럼 금속을 발견하느냐 아니냐 여부입니다. 주변 온도와 결함 부위에 옴 가열(ohmic heating)을 유발할 수 있는 전기적 결함 전류의 양 모두 결과에 영향을 미치는 요인입니다.

MnO2 설계 고려 사항

제조업체의 응용 문서에 대한 세심한 연구가 권장되지만, 인내력이 부족하다면 Ta-MnO2 커패시터 적용에 대한 다음 지침을 참고해 보십시오:

직렬 저항을 사용하십시오: 결함 부위로 흐를 수 있는 외부 전류를 제한하면 결함 부위가 임계 점화 온도에 도달할 가능성을 크게 줄입니다. 과거에는 인가 전압당 1~3옴의 직렬 저항이 권장되곤 했습니다. 현대의 설계는 이 정도의 ESR을 견딜 수 없으며, 대형 소자는 충전되면 자연 발화할 정도의 충분한 전기 에너지를 지니고 있어서 결함이 갑자기 발생할 수 있습니다. 이러한 경우, 디레이팅과 소자 선별 작업이 특히 중요합니다.
전압을 디레이팅 하십시오: 정상 상태 신뢰성을 (상당히) 높이기 위해서는, 정격 전압의 절반까지 디레이팅 하고, 직렬 저항이 대략 인가 전압당 0.01옴 이하로 지극히 낮다면 70%까지 디레이팅 하십시오. 전류가 외부적으로 제한되고 있다면, 20% 정도의 디레이팅이면 충분합니다. 고온 제품 계열은 다를 수 있지만, 온도의 경우 0 @ 85°C에서 33% @ 125°C까지 선형적으로 증가하는 (복합적인) 추가 디레이팅 요인이 권고됩니다.
조심히 번인 하십시오: 조립으로 인한 유전체 결함으로 인해 조립된 소자에 처음으로 전원을 넣을 때 많은 탄탈럼 고장이 발생합니다. 전류가 제한된 전원을 통해 점진적으로 전압을 인가하여 자기 회복을 성공적으로 수행하면 이러한 고장의 일부를 방지할 수 있습니다. 주어진 스트레스로부터 살아남은 Ta-MnO2 커패시터는 거의 무한정 살아남을 가능성이 높기 때문에, 뒤 이은 최대 예상 전기 및 환경 스트레스에 대한 노출은 보증 시험의 역할을 할 것입니다.
과도 전류를 제한하십시오: 배터리 또는 전원 공급 장치의 핫 플러그, 시스템 출력의 단락 결함 등과 같은 일상적이지 않은 사건으로부터 발생하는 전류를 포함해서 제조업체가 명시한 서지 전류 한계를 초과하는 전류는 피해야 합니다. 서지 전류 사양이 없는 경우, Imax<Vrated/(1+ESR) 값이 제시되어 왔습니다.
리플 전류/온도 한계를 준수하십시오: 리플 전류 정격은 일반적으로 주변 온도보다 소자 온도를 특정한 만큼 상승시키기 위해 필요한 리플의 양에 기반합니다. 결과 파형이 전압 또는 서지 전류 한계를 넘어서는 경우를 제외하면, 리플 전류 한계는 열 관리 문제입니다. 리플 한계 수치가 지정된 규격서의 테스트 조건을 평가하고, 실제 적용 조건에 따라 해당 한계를 조정합니다.

폴리머 및 습식 탄탈럼의 경우

탄탈럼 폴리머 커패시터는 고장이 나면 뜨거운 가스 구름과 파편이 급속하게 퍼져 나가는 대신 따듯한 저항이 되는 성향이 있습니다. 이런 이유와 조립으로 인한 결함의 위험이 줄어든 이유로, 일반적인 적용 원칙이 조금 더 간단합니다. 전압을 20% 디레이팅하고, 권장 리플 전류 한계를 준수하며, 고온에서의 제조업체 권장 디레이팅 스케쥴을 따르십시오.

습식 탄탈럼의 경우, 부품 비용을 합리화할 수 있는 그런 응용 분야도 부품 단위의 시스템에 대한 상세한 신뢰성 분석이 필요할 수 있어서, 다른 응용 분야에서와는 달리 일반적인 원칙의 가치가 떨어지게 됩니다. 그래서, 20% 표준 디레이팅 계수가 제안되며, 사용자는 이러한 소자에서 공통적인 상대적으로 낮은 주파수 응답 특성을 염두에 두는 것이 좋습니다.

영문 원본: Tantalum Capacitors