In der Welt der modernen Elektronik spielen zahlreiche Trends und Dynamiken eine Rolle. Zu den wichtigsten von ihnen zählt die Anforderung, aus einem eingeschränkten Platzangebot mehr Leistung herauszuholen. Das kann etwa die Verfügbarkeit von mehr Rechen-/Verarbeitungsleistung oder Datenspeicherkapazität sein, oder auch die Steigerung der Leistungsdichte. Dieser grundlegende Trend gilt auch für passive Bauelemente. Die Möglichkeit, mehr Kapazität in kleinerem Volumen bereitzustellen, ist einer der Hauptgründe dafür, dass Tantal-Kondensatoren ursprünglich entwickelt wurden und ausschlaggebend dafür, dass sie so beliebt sind.

Was ist ein Tantal-Kondensator?

Tantal-Kondensatoren sind im Grunde Elektrolytkondensatoren, wenngleich ein sehr spezieller Typ. Die meisten denken bei Elektrolytkondensatoren an die sehr gängigen Aluminium-Elektrolyte, die üblicherweise eine zylindrische Form haben. Tantal-Kondensatoren sind innen ähnlich aufgebaut und haben einige Eigenschaften mit Aluminium-Elektrolyten gemeinsam, bieten jedoch völlig andere Leistungsdaten.

Der Hauptvorteil von Tantal-Kondensatoren besteht darin, dass sie im Verhältnis zu ihrem Volumen und Gewicht eine hohe Kapazität bieten. Dies ist ein wesentlicher Vorteil für Entwickler moderner Systeme, da ihnen fast immer nur begrenzter Platz zur Verfügung steht. Tantal-Kondensatoren haben zudem einen geringeren äquivalenten Serienwiderstand (kurz ESR, vom Englischen Equivalent Series Resistor), was insbesondere für Leistungsanwendungen vorteilhaft ist, bei denen der ESR zu unerwünschten Verlusten und verringerter Effizienz führt. Tantal-Kondensatoren können auch bei höheren Temperaturen eingesetzt werden. Dies ist eine weitere nützliche Eigenschaft für moderne Systeme, die oftmals eng bestückt sind und bei denen wenig Kühlung verfügbar ist.

Konstruktion, Materialien und Typen

Als Elektrolytbauelemente sind Tantal-Kondensatoren polarisiert und bestehen aus einer Anode und einer Kathode sowie einem Elektrolyt. Die Anode besteht aus einem sehr kleinen Kügelchen aus Tantalmaterial, das zu einem feinen Pulver zermahlen und bei hohen Temperaturen gesintert wird. Dadurch hat sie eine sehr poröse Struktur mit einer großen Oberfläche, was zu hohen Kapazitätswerten führt. Die Anode wird durch einen sorgfältig kontrollierten Anodisierungsprozess mit einer sehr dünnen isolierenden Oxidschicht überzogen. Dieses Oxid dient als Dielektrikum zwischen der Anode und der leitenden Kathode. Da das Dielektrikum sehr dünn ist, können mit einem relativ kleinen Volumen hohe Kapazitäten erzeugt werden. Das Oxid ist zudem dauerhaft stabil, auch wenn es verschiedenen Betriebsfrequenzen ausgesetzt wird.

Bei Nasstantal-Kondensatoren wird die oxidierte Anode einfach in ein flüssiges Elektrolyt gesetzt. Der Elektrolyt für feste Tantal-Kondensatoren entsteht durch ein Verfahren namens Pyrolyse, bei dem die Anode in eine Lösung eingetaucht und dann erhitzt wird, sodass eine Manganoxid-Beschichtung (MnO2) entsteht, die abschließend in Graphit und Silber getaucht wird, um eine gute Verbindung zur Kathode herzustellen.

Häufig stellt man sich unter Tantal-Kondensatoren kleine vergossene Bauelemente, aus denen zwei Drähte ragen. Dabei handelt es sich um den ursprünglichen Tantal-Kondensatorentyp. Diese Kondensatoren hatten eine helle Farbe und ihre Werte und die wichtigen Informationen zur Polarität waren direkt auf die Epoxidbeschichtung gedruckt. Ihre charakteristische Form hat ihnen den Spitznamen „Tantal-Perlen“ eingebracht. Früher einmal waren fast alle Kondensatoren bedrahtete Bauelemente und eine der größten Herausforderungen bestand darin, dass die beliebten Aluminiumelektrolyte die Temperaturen nicht gut vertrugen, die beim Reflow-Verfahren der Oberflächenmontage entstanden. Deshalb setzten sich schließlich Tantal-Kondensatoren durch, wenn ein kosteneffizienter, hochwertiger Kondensator in kleinem Format benötigt wurde.

Es ist zu beachten, dass Tantal (neben Wolfram, Zinn und Gold) zu den vier Mineralien zählt, für die internationale Konfliktmineralien-Vorschriften gelten. Alle Hersteller von Produkten auf Basis dieser Mineralien, die bei Mouser erhältlich sind, erfüllen die geltenden Gesetze. Auf der Website von Mouser sind ausführliche Erklärungen dazu hinterlegt.

Designüberlegungen bei Tantal-Kondensatoren

Tantal-Kondensatoren haben auf der einen Seite zahlreiche Vorteile, sind jedoch auch ziemlich sensible Bauelemente mit vielen Ausfallmodi, die Unwissende kalt erwischen können. Die sehr dünne dielektrische Oxidschicht – verantwortlich für viele der wichtigsten Vorteile – ist nicht sehr robust, und Entwicklungsingenieure müssen Sorge tragen, dass sie die spezifizierten Grenzwerte einhalten.

Als polarisierte Bauelemente müssen die Kondensatoren richtig auf der Platine ausgerichtet sein. Dies war vor allem in der Vergangenheit eine Herausforderung, als noch manuelle Bestückungsverfahren angewendet wurden. Herbei traten allzu häufig Fehler auf, die in der Testphase zu Ausfällen führten. Dank automatisierter Produktionsprozesse für oberflächenmontierte Komponenten treten Fehler dieser Art nun extrem selten auf.

Unter der Voraussetzung, dass sie innerhalb der für sie vorgegebenen Grenzen genutzt werden, sind Tantal-Kondensatoren sehr zuverlässig und erbringen gute Leistungen. Viele Konstruktionsrichtlinien und Zuverlässigkeitsstandards empfehlen das Derating der Arbeitsspannung um bis zu 50 %, um eine ausreichende Sicherheitsmarge zur Vermeidung von Schäden zu gewährleisten. Einige Hersteller geben hingegen an, dass ihre Produkte auch mit einem geringeren Derating von 10 % zuverlässig funktionieren.

Einsatzbereiche für Tantal-Kondensatoren

Viele Anwendungen können von der Fähigkeit der Tantal-Kondensatoren profitieren, eine hohe Kapazität mit geringem Leckstrom und langfristiger Stabilität zu bieten. Sie werden häufig für das Filtern von Stromversorgungsschienen eingesetzt, insbesondere wenn nur wenig Platz zur Verfügung steht, wie etwa bei Smartphones und Tablets. Sie werden auch für sensible Analog-Anwendungen verwendet, weil es der geringe Leckstrom erlaubt, dass Abtast-Halte-Schaltungen Signalniveaus länger halten können. Durch ihre Langzeitstabilität kommen sie auch häufig im medizinischen Bereich sowie in High-End-Audioverstärkern zum Einsatz. Hochwertige Tantal-Festkondensatoren sind zuweilen auch in militärischer oder anderer hochzuverlässiger Hardware (auch im Automobilbereich) zu finden, hauptsächlich weil sie dauerhaft stabil sind und – anders als Aluminiumelektrolyte – nicht austrocknen.

Neueste Trends und Bauelemente

Es sind zahlreiche Tantal-Universalprodukte erhältlich, darunter die POSCAP-Tantal-Polymer-Festkondensatoren, die eine stabile Kapazität bei hohen Frequenzen und Temperaturen sowie geringe ESR-Werte (äquivalenter Serienwiderstand) aufweisen. Es sind mehrere POSCAP-Baureihen verfügbar. Sie decken einen Bereich von 3,9 bis 1500 mF ab und haben eine Größe von 2,0 mm x 1,25 mm bis 7,3 mm x 4,3 mm. Durch ihre starke Frequenzleistung werden POSCAP-Kondensatoren häufig in HF-Digitalgeräten genutzt.

Abbildung 1: Beispiel aus der F9H-Serie von AVX

Abbildung 1: Beispiel aus der F9H-Serie von AVX

Mouser Electronics

Bei vielen der Tantal-Kondensatoren, die in letzter Zeit auf den Markt gekommen sind, stehen Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit im Fokus. Angesichts der ständig zunehmenden Fahrzeugelektrifizierung, auch im Antriebsbereich, der verbesserten Technologie im Infotainment, Fahrerassistenz und der Getriebetechnik ist der Markt für elektronische Bauelemente in diesem Bereich enorm groß. Die F9H-Tantal-Festkondensatoren von AVX sind äußerst zuverlässige aus Harz geformte Bauelemente, die AEC-Q200-konform sind. Diese oberflächenmontierten Komponenten arbeiten in einem Temperaturbereich von -55°C bis +150°C und haben eine Nenntemperatur von 105°C. Die Kondensatoren sind mit einer Nennspannung von 10 V und 16 V verfügbar, und die Kapazitätswerte der Serie reichen von 10 mF bis 47 mF. Ebenfalls von AVX kommt die TCQ-Serie. Sie wurde für Anwendungen im Automobilbereich konzipiert. Diese robusten AEC-Q200-konformen Bauelemente haben einen Kapazitätsbereich von 10  mF bis 470mF. Alle verfügen über eine leitfähige Polymerelektrode und bieten darüber hinaus einen unkritischen Ausfallmodus, wenn sie entsprechend den Empfehlungen im Datenblatt eingesetzt werden. Sie eignen sich für Karosserieelektronik, Infotainment und Kabinensteuerungen.

Abbildung 2: Eine der T543-Serien von KEMET

Abbildung 2: Eine der T543-Serien von KEMET Mouser Electronics

Die T543-Serie organischer Kondensatoren von KEMET sind Bauelemente mit Tantal-Anode und einem Ta2O5-Dielektrikum, was zu einem sehr niedrigen ESR (15mW), verbesserter Kapazität bei hohen Frequenzen und branchenführender Wechselstrombelastbarkeit führt. Die Kondensatoren der T543-Serie sind als COTS-Produkte (Commercial off-the-shelf) mit einem Temperaturbereich von -55°C bis +105°C erhältlich. Diese Serie verbindet die Vorteile von MLCCs (geringer ESR), Aluminium-Elektrolyten (höhere Kapazität, unkritischer Ausfallmodus) und Tantal-Festkondensatoren (Volumeneffizienz, oberflächenmontiertes Gehäuse, lange Lebensdauer).

Zu den härtesten Einsatzbereichen zählt die Bohrindustrie. Hier werden Daten weit unter der Oberfläche am Bohrkopf erfasst. Die MnO2-Tantal-Kondensatoren der T502-Serie von KEMET wurden speziell für die Bohrlochvermessung konzipiert. Diese äußerst zuverlässigen Bauelemente sind für 1.000 Stunden bei 230°C qualifiziert und bieten eine Drei-Sigma-Abschirmung für iL, DF und ESR. Die vollvergossenen Bauelemente bestehen aus einem einzigartigen Hochtemperatur-Material, das Schutz vor den extremen Stoß- und Vibrationskräften bietet, die in der Bohrlochvermessung auftreten.

Zusammenfassung

Tantal-Kondensatoren erfüllen zahlreiche Anforderungen moderner Elektronikentwicklungen, insbesondere im Hinblick auf die Volumeneffizienz, denn sie bieten ein hohes Maß an Kapazität in kleinen, einfach handhabbaren oberflächenmontierten Gehäuseformaten. Unter der Voraussetzung, dass sie entsprechend den im Datenblatt empfohlenen Parametern genutzt werden, um Ausfälle zu vermeiden, sind sie bei adäquatem Derating höchst zuverlässige Bauelemente, die eine gute Langzeitstabilität aufweisen.

Tantal-Kondensatoren werden zunehmend in Bereichen eingesetzt, die Belastbarkeit unter rauen Umgebungsbedingungen erfordern. Führende Hersteller wie AVX und KEMET haben deshalb Produkte entwickelt, die den zuverlässigen Betrieb speziell für Anwendungen im Automobilbereich, der Industrie und Tiefbohranwendungen gewährleisten sollen.