vPolyTan™ ポリマータンタルコンデンサ、Hi-Rel COTS、超低ESR

容量タンタルポリマー23 2月 2023

太陽電池パネルを備えた衛星が地球を周回している様子が示されており、Vishay社製電子部品のディスプレイが添えられています。

航空電子機器、軍事、宇宙（AMS）関連の用途は、旧式システムの有用性を超えたため、それらを置き換える新しい高度な装置の必要性から高い成長を遂げています。これらの新しいシステムは、次世代の航空、戦場、宇宙の要件を満たすよう設計されています。たとえば、敵味方識別装置（IFF）やフェーズドアレイレーダーによる追跡および目標検出、航空電子機器の制御および表示、電力システムなどのシステムは、MIL-STD-704のような過酷な環境および電気的特性に対応するよう設計されています。AMSの顧客が競争力を維持する必要があることが、市場成長を促進する要因となっています。

この近代化努力の副産物として、より高い容積効率、信頼性、電圧定格、大容量のキャパシタが求められるようになりました。このニーズを満たすために、エンジニアたちはVishay IntertechnologyのvPolyTan™固体ポリマータンタルキャパシタに注目しています。

ポリマータンタルコンデンサとは何ですか?

ほとんどのコンデンサ技術とは異なり、固体高分子タンタルデバイスでは、アノードとカソードにプレートを使用しません。アノードはタンタル粉末を焼結して形成されたタンタルペレットで構成されています。このペレットは、アノードの表面全体にタンタルペントオキシド（Ta2O5）誘電層を形成するために陽極酸化されます。酸化されたペレットはその後、高導電性ポリマーで含浸され、カソードとして機能します。この時点で、導電性ポリマー層はグラファイトでコーティングされ、さらに金属銀の層が追加され、この銀層がコンデンサ要素と外部端子部（リードフレームまたはその他）との間に導電性の表面を提供します。

成形チップポリマータンタルコンデンサは、エポキシ材料などのプラスチック樹脂で素子を包み込んでいます。成形化合物は、UL 94 V-0の要件およびASTM E-595のガス放出要件を満たすように選択されています（図1を参照）。

組み立て後、コンデンサは長寿命と信頼性を保証するためにテストと検査が行われます。

図1: 成形ポリマー断面の例

導電性ポリマー vs. 二酸化マンガン (MNO2) タンタル

導電性ポリマーコンデンサの構造は、二酸化マンガン (MnO2) を使用したタンタルコンデンサの構造と似ています。主な違いは、固体電解質を生成するために使用される材料にあります。標準的なMnO2コンデンサは、通常の半導体の導電率を持っています。一方、導電性ポリマーコンデンサでは、先天的に導電性を有するポリマー（ICP）材料が使用されており、その電気伝導率は何桁も高くなっています。その結果、導電性ポリマーコンデンサは、MnO2に比べて非常に低い等価直列抵抗 (ESR) を持ち、必要な電圧軽減レベルも低くなります。

高分子材料での火薬技術/点火不良なし

導電性ポリマーコンデンサのもう一つの特徴は、材料内の酸素含有量が少ないため、発火故障モードが存在しない点です。

コンデンサの誘電体内の不純物は、高い漏れ電流が発生するポイントを引き起こす可能性があります。MnO2タンタルコンデンサにおける自己修復メカニズムは、MnO2分子が熱によってより抵抗の高いMn2O3 + Oに変化する現象に基づいています。漏れ電流によって温度が十分に上昇すると、Mn2O3が形成され、欠陥部分を絶縁してそれ以上の電流の流れを遮断、つまり「自己修復」を行います。しかし、このプロセスで生成される酸素分子が十分高温の状態でタンタルと相互作用すると、発火して火工現象を引き起こす可能性があります。

ポリマーコンデンサーの誘電体に同じ不純物が発生した場合、燃焼に必要な酸素が利用できないため、発火が起こることはありません。その結果、自己修復が行われ、欠陥の周囲に高抵抗性の材料が形成されます。

VishayのHi-Rel製品提供

タイプ	説明	電圧範囲	容量範囲	ESR（等価直列抵抗）	DLA
T54	リードなし成形積層ポリマー、高信頼性COTS	16 V ～ 75 V	15 µF ～ 2800 µF	5 mΩ ～ 150 mΩ	DLA 20021
T56	成形ケースポリマー、高信頼性COTS	2.5 V ～ 50 V	10 µF ～ 470 µF	25 mΩ ～ 200 mΩ	DLA 04051
T27	密閉型ポリマー	16 V ～ 75 V	15 µF ～ 470 µF	25 mΩ ～ 100 mΩ	–

表1: 高電圧定格ポリマー

電圧降格

前述の通り、ポリマー技術の電圧耐性の向上により、電圧デレーティング要件を低く抑えることができます。さらに、著しく低いESRに加えて、導電性ポリマー陰極は（上記で述べたような）穏やかな故障モードを特徴としており、MnO2に関連する安全上の懸念に対する追加のデレーティングは必要ありません。

以下の図2では、定格電圧（VR）が10 V以下の場合、必要なデレーティングはわずか10%であることがわかります。一方、VRが10 Vを超える場合は20%のデレーティングが推奨されます。このガイドラインは105°Cまで一貫しています。105°Cを超えると、定格電圧に対して推奨されるデレーティングが125°CでVRが10 Vの場合は40%まで線形的に減少することがわかります。同様に、VRが10 Vを超えるコンデンサは推奨デレーティングが46%まで減少します。

図2: 電圧ディレーティング

高電圧

より優れたディレーティングガイドラインは、より高い動作電圧を可能にし、その結果、より高い体積効率を実現します。一般的なポリマーコンデンサの定格電圧は50 Vですが、Vishay SpragueのvPolyTan™技術では現在、最大75 Vの定格を達成しています。これにより、最大125 °Cでの電圧ディレーティングが必要なMIL-STD-704、28 VDCバス（定常状態で22 VDCから29 VDC）の用途でポリマーコンデンサを使用することが可能になります。

これらの高電圧定格は、ポリマーが必要とする低いデレーティングと相まって、他のコンデンサ技術に比べて体積効率の面で大きな利点をもたらします。

低ESR

陰極の構造は本質的に導電性の高いポリマーであるため、ポリマーコンデンサは非常に低いESR（等価直列抵抗）を持ち、通常はMnO2タンタルコンデンサよりも10%低くなっています。この特性により、これらのデバイスは高周波および高リプル電流用途に特に適しています。

高信頼性

ポリマーは固体電解質を使用しているため、液体やゲル状の電解コンデンサのように乾燥してしまうことはありません。この乾燥プロセスはアルミ電解コンデンサの故障の一般的な原因であり、過熱につながる可能性があります。液体が蒸発すると圧力が高まり、漏れ、膨らみ、さらには破裂や爆発を引き起こすことがあります。固体ポリマーコンデンサはこの故障メカニズムを示さないため、はるかに信頼性が高く、寿命が長いです。アルミ電解コンデンサとは異なり、ポリマーコンデンサは高温環境下でも長期間問題なく動作することができます。

MAPテクノロジー

Vishayのマルチアレイパッケージング（MAP）技術は、特定の容積内で最大の容量を実現します。この技術は、リードフレームを最小限に抑え、実際のコンデンサがより多くの容積を占有できるようにすることで実現しています（図3を参照）。

図3: MAP対Molded

Hi-Rel T54ファミリーは、MAP技術を活用して容積効率を向上させています。MAPとデュアルアノード設計を組み合わせることで、さらに低いESR値を実現します（下記の図4を参照）。

図4: 超低ESR、デュアルアノード設計を備えたT54 MAP技術

積層コンデンサ

MAP技術を活用し、Vishayは高い容量を小型のフットプリントで必要とする用途向けにT54ファミリーに積層オプションを追加しました。積層構造では、複数のコンデンサがクランプされ、並列アレイで組み合わせられます。コンデンサが並列に配置されることで、容量が増加し、ESR（等価直列抵抗）が低減されます。積層オプションには1 x 2（一列にコンデンサ1つ、縦に2つ）、1 x 3、2 x 2、2 x 3、そして3 x 2の構成があります。定格は75 VDCで130 μFから16 VDCで2800 μFまで対応可能です。また、カスタムの配置も対応できます。これらの積層型バルク容量構成は、設計者のPCB上の貴重なスペースを大幅に節約することが可能です。

図5: T54スタッカーポリマーアレイ

エネルギー貯蔵/バルク容量

VishayのMAPおよびスタック型アレイ技術は体積効率を大幅に向上させます。このバルクキャパシタンスの改善により、ポリマーはエネルギー貯蔵や急速な充電および放電サイクルを必要とする可能性があるアプリケーション、例えばパルスレーダー、LiDAR、ホールドアップなどに適した選択肢となります。

コンデンサに蓄えられるエネルギーの式を以下に示します。

E = ½ x CV²

どこで、

Eはジュール単位のエネルギーです。
Cはファラッド単位の静電容量です。
V は定格電圧（ボルト単位）です。

T54シリーズは、理想的な条件下で900μF / 35VDC定格積層ポリマーソリューションを使用し、E6パッケージ（2 x 3配列）内に最大5 J/in²を収容可能です。

長期的な信頼性

TeaserCard

多層セラミックやアルミ電解コンデンサのような競合技術とは異なり、ポリマーコンデンサは上記で説明した特性により、摩耗しない特性を持っています。これにより、高信頼性が求められる軍事および宇宙用途での長期的な信頼性が確保されます。図6はポリマー技術で見られる長期的な安定性を示しており、時間の経過による容量、漏れ電流、ESRの変化が非常に少ないことがわかります。