Ein Vergleich zwischen Tantal- und keramischen Mehrschichtkondensatoren

Einführung

Tantalkondensatoren (Ta) und keramische Vielschichtkondensatoren (MLCC) sind zwei weit verbreitete Kondensatoren in elektronischen Anwendungen. Obwohl die Konstruktionstechnologien und Materialien für Tantalkondensatoren und MLCCs recht unterschiedlich sind, sind ihre grundlegenden Funktionen immer noch dieselben. Als temporäre Batterie halten Kondensatoren eine konstante Gleichspannung aufrecht, indem sie Ladungen bereitstellen. Kondensatoren können auch in Bypass-Kanalschaltungen als einpolige Filter verwendet werden. Sie können sogar mit Widerständen und Induktivitäten verbunden werden, um Filterschaltungen höherer Ordnung zu bilden.

Obwohl Tantalkondensatoren und MLCCs beide als Kondensatoren arbeiten, gibt es viele Unterschiede von der Herstellung bis hin zu ihren Parametern während der Verwendung. Bevor wir uns mit den Unterschieden befassen, sollten wir uns zunächst einige grundlegende Informationen über Kondensatoren verschaffen. Für einen Parallelplattenkondensator sollte sein Kapazitätswert nach folgender Gleichung berechnet werden

C = εr*ε0*A/d

C = Kapazität (F)

A = die Überlappungsfläche der beiden Platten (m2)

εr = die relative Dielektrizitätskonstante (εr wird durch das Material zwischen den Platten bestimmt)

ε0 = die elektrische Konstante (8,854 * 10-12 F*m-1)

d = der Abstand zwischen zwei Platten (m)

Die Kapazität ist einer der wichtigsten Parameter, wenn es um die Wahl des richtigen Kondensators geht. Aufgrund des geringen Abstands, der großen Plattenflächen und der hohen Dielektrizitätskonstante von Ta2O5 haben Tantalkondensatoren in der Regel große Kapazitätswerte/Volumen.

In diesem Artikel werden Tantalkondensatoren und MLCCs unter folgenden Aspekten verglichen: Impedanzkurve, parasitäre Induktivität (ESL), äquivalenter Serienwiderstand (ESR), Temperanzeffekte und Mikrofonieeffekte. Alle Vergleiche sind auf Kondensatoren mit ähnlicher Kapazität und Größe beschränkt.

Grundlegende Informationen über Tantal- und MLCC-Kondensatoren

Was ist ein Tantal-Kondensator?

Tantalkondensatoren verwenden Tantalpulver und -drähte als Ausgangsmaterial. Durch das Pressen von Tantalpulver um einen Tantaldraht wird ein Tantalpellet geformt. Dieses Tantalpellet ist die Anode für den Kondensator. Da das Pellet sehr porös ist, können sich viele Ladungen darin sammeln. Dies ist ein Grund für die hohe Kapazität/Volumen von Tantalkondensatoren. Durch die Bildung von Ta2O5 außerhalb der Anode bildet sich ein Dielektrikum. Der letzte Schritt besteht darin, eine Kathode außerhalb des Dielektrikums zu bilden, indem Mn(NO3)2 zur Herstellung der MnO2-Kathodenschicht verwendet wird.

Abbildung 1a zeigt einen herkömmlichen Tantalkondensator mit einem Tantaldraht, der die Anode mit dem Stromkreis verbindet. Abbildung 1b ist ein neuer, kleiner Tantalkondensator, der in den letzten Jahren auf dem Markt eingeführt wurde. Er wird häufig in Umgebungen mit hoher Komponentendichte und begrenztem Platz auf der Platine eingesetzt. Seine Anode wird durch Pressen eines Tantalwafers mit Tantalpulver hergestellt [2].

Abbildung 1a & b: ein Tantalkondensator in gegossener Ausführung (oben) und ein Tantalkondensator in Mikrochip-Ausführung (unten) [2]

Was ist ein Keramik-Vielschichtkondensator?

Im Gegensatz zu Tantalkondensatoren haben Keramikkondensatoren eine dickere Schicht und eine kleinere überlappende Plattenfläche, was eine geringere Kapazität/Volumen bedeutet. TiO2 und BaTiO3 sind die beiden am häufigsten verwendeten Materialien für MLCCs. Abbildung 2 zeigt die Komponenten eines MLCC.

Abbildung 2: Ein keramischer Vielschichtkondensator [2]

Bei den MLCCs gibt es 2 verschiedene Gruppen: Klasse 1 und Klasse 2. Keramikkondensatoren der Klasse 1 verwenden keramische Materialien, die unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen sind. Daher ändert sich ihre Kapazität nicht wesentlich von einer niedrigen zu einer hohen Temperatur, z. B. von -25℃ auf 80℃. Kondensatoren der Klasse 1 werden in der Regel aus TiO2 hergestellt und haben ein relativ niedriges εr.

Im Gegensatz dazu sind Kondensatoren der Klasse 2 temperaturabhängig. Sie werden aus ferroelektrischen Materialien wie BaTiO3, Al2SiO5 und MgO:XSiO2 hergestellt. Kondensatoren der Klasse 2 haben einen relativ hohen εr-Wert, aber eine geringe Genauigkeit und Stabilität.

Bei keramischen Kondensatoren wird der EIA-Code verwendet, um die Stabilität der Kondensatoren über einen bestimmten Temperaturbereich anzugeben. Abbildung 3 zeigt die Bedeutung der einzelnen Codes. X7R bedeutet zum Beispiel, dass die Kapazität um ±15% von -55℃ bis 125℃ schwankt.

Abbildung 3: EIA-Code-Tabelle [2]

Was ist der Unterschied zwischen Tantal-Kondensatoren und MLCCs?

Impedanz und äquivalenter Serienwiderstand

Die Impedanz, die parasitäre Induktivität (ESL) und der äquivalente Serienwiderstand (ESR) geben Aufschluss darüber, wie gut der Kondensator funktioniert. ESL und ESR können mit Impedanzanalysatoren berechnet werden. Kleinere ESL und ESR bedeuten bessere Kondensatoren. Abbildung 4 zeigt die Impedanz und den ESR für einen 4,7µF, Y5V, 16V MLCC und einen 4. 7µF, 16V Tantalkondensator [1].

Abbildung 4: Impedanz- und ESR-Kurven für 4,7uf Tantal- und Keramikkondensatoren [1]

Bei niedrigen Frequenzen sind ihre Impedanzen gleich, was bedeutet, dass auch ihre Kapazitätswerte gleich sind. Mit steigender Frequenz ist der ESR des Keramikkondensators viel niedriger als der des Tantalkondensators. Was die Impedanzkurven betrifft, so zeigen beide eine "V"-Form, die zunächst abnimmt und dann ansteigt. Der erste abnehmende Teil wird durch die Erhöhung des kapazitiven Wertes beeinflusst. Dann findet eine induktive Konstitution (ESL) statt, die die Impedanzkurve nach oben treibt. Zurück zu Abbildung 4: Die ESL des Keramikkondensators ist viel kleiner als die des Tantalkondensators, wenn man das Ende der Impedanzkurven betrachtet. Dies ist hauptsächlich auf die im Tantalgehäuse verwendeten Leadframes zurückzuführen [1].

Auswirkungen der Temperatur

Wie bereits erwähnt, sind Keramikkondensatoren der Klasse 1 temperaturunempfindlich, während Keramikkondensatoren der Klasse 2 temperaturabhängig sind. Abbildung 5 zeigt, dass die Kapazität von Tantalkondensatoren eine lineare Beziehung zur Temperatur hat, während die Kapazität von Keramikkondensatoren der Klasse 2 eine unregelmäßige Beziehung zur Temperatur hat.

Abbildung 5: Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur für Tantal-, Klasse-1- und Klasse-2-Keramikkondensatoren [2]

Mikrophonische Effekte

Wenn Kondensatoren in Audioanwendungen eingesetzt werden, ist der mikrofonische oder piezoelektrische Effekt eines der wichtigsten Merkmale bei der Auswahl von Kondensatoren [1]. BaTiO3, das häufig in MLCCs verwendet wird, zeigt mikrofonische Effekte. Tantalkondensatoren hingegen zeigen keine mikrofonischen Effekte. Wenn wir 1µF-Kondensatoren testen, erhalten wir Abbildung 6, die weiter bestätigt, dass Keramikkondensatoren der Klasse 2 mikrofonische Effekte aufweisen.

Abbildung 6: Mikrofonische Wirkung von Tantal- und Keramikkondensatoren [1]

Schlussfolgerung

Es gibt keine einfache Antwort auf die Frage, welcher Kondensator besser ist, da beide eine gute Wahl sind. Tantalkondensatoren haben eine längere Lebensdauer, eine höhere Kapazität/Volumen und eine höhere Stabilität; MLCCs haben eine geringere Induktivität und einen niedrigeren ESR. Sie können je nach Ihrer spezifischen Anwendung wählen. In der nachstehenden Tabelle sind die Unterschiede zwischen Tantalkondensatoren und Keramik-Vielschichtkondensatoren aufgeführt.

Stanford Advanced Materials (SAM) bietet sowohl Tantalkondensatoren als auch keramische Vielschichtkondensatoren an. Wenn Sie bei der Wahl des richtigen Kondensators Schwierigkeiten haben, können Sie unsere technischen Mitarbeiter mit Ihren Anwendungsinformationen um Rat fragen.

Referenz:

Cain, J. (n.d.). Vergleich von Keramik- und Tantal-Vielschichtkondensatoren.

Zedníček, T. (2022, 1. Juni). Die Grundlagen und Vorteile von Tantal- und Keramikkondensatoren. Passive Komponenten Blog. Abgerufen am 11. Januar 2023, von https://passive-components.eu/the-basics-benefits-of-tantalum-ceramic-capacitors/.