vPolyTan™ 폴리머 탄탈륨 커패시터, Hi-Rel COTS, 초저 ESR

이 현대화 노력의 부산물로는 더 높은 부피 효율, 신뢰성, 전압 등급 및 대량 커패시턴스를 가진 커패시터에 대한 필요성이 있습니다. 이러한 필요를 충족시키기 위해 엔지니어들은 Vishay Intertechnology의 vPolyTan™ 솔리드 폴리머 탄탈 커패시터를 사용하고 있습니다.

폴리머 탄탈륨 커패시터란 무엇인가요?

대부분의 커패시터 기술과 달리, 솔리드 폴리머 탄탈륨 디바이스는 애노드와 캐소드에 플레이트를 사용하지 않습니다. 애노드는 탄탈륨 분말로 구성되며, 이는 탄탈륨 펠릿으로 소결됩니다. 그런 다음 이 펠릿은 애노드 전체 표면에 탄탈륨 오산화물(Ta2O5) 유전체 층을 형성하기 위해 양극화됩니다. 산화된 펠릿은 고도로 전도성의 폴리머로 침투되어 캐소드 역할을 합니다. 이 단계에서 전도성 폴리머 층은 흑연으로 코팅되고, 그 뒤에 금속 실버 층이 추가 코팅되어 커패시터 요소와 외부 종단(리드 프레임 등) 사이에 전도성 표면을 제공합니다.

성형 칩 폴리머 탄탈륨 커패시터는 요소를 에폭시 소재와 같은 플라스틱 수지로 감싸고 있습니다. 성형 컴파운드는 UL 94 V-0 요구 사항과 ASTM E-595의 가스 배출 요구 사항을 충족하도록 선택되었습니다(그림 1 참조).

조립 후, 커패시터는 긴 수명과 신뢰성을 보장하기 위해 테스트 및 검사됩니다.

도전성 폴리머 vs. 망간 이산화물(MNO2) 탄탈

전도성 폴리머 커패시터의 구조는 이산화망간(MnO2) 탄탈럼 커패시터의 구조와 유사합니다. 주요 차이점은 고체 전해질을 생성하는 데 사용되는 소재에서 나타납니다. 일반적인 MnO2 커패시터는 일반적인 반도체의 전도성을 가집니다. 전도성 폴리머 커패시터는 본질적으로 전도성이 있는 폴리머(ICP) 소재를 사용하며, 이는 전기 전도성이 일반적인 반도체보다 몇 배 더 높은 특징을 가집니다. 그 결과, 전도성 폴리머 커패시터는 훨씬 낮은 등가 직렬 저항(ESR)을 가지며 MnO2 커패시터에 비해 더 낮은 수준의 전압 디레이트가 필요합니다.

고분자에서 화약 효과/점화 실패 없음

전도성 폴리머 커패시터의 또 다른 특징은 재료 내 산소 함량이 적어 점화 실패 모드가 발생하지 않는다는 점입니다.

커패시터의 유전체에 불순물이 존재하면 높은 전류 누설 지점이 발생할 수 있습니다. MnO2 탄탈 커패시터에서 작동하는 자기 복구 메커니즘은 MnO2 분자가 열에 의해 Mn2O3 + O로 변환되는 과정을 기반으로 합니다. 누설 전류로 인해 온도가 충분히 상승하면 Mn2O3가 형성되어 결함을 절연하고 추가적인 전류 흐름을 방지하거나 "자기 복구"를 수행합니다. 이 과정에서 생성된 자유 산소 분자가 충분히 높은 온도에서 탄탈과 상호작용할 경우, 이것이 점화되어 불꽃 효과를 일으킬 수 있습니다.

폴리머 커패시터의 유전체에 동일한 불순물이 발생하면 연소에 사용할 수 있는 산소가 없어 점화 실패가 일어나지 않습니다. 자가 복구가 발생하여 불완전한 부분 주위에 고저항성 물질이 형성됩니다.

Vishay의 Hi-Rel 제품 제공

전압 감압

논의된 바와 같이, 고분자 기술은 전압 허용 범위가 증가하여 더 낮은 전압 디레이팅 요구사항을 가능하게 합니다. 현저히 낮은 ESR 뿐만 아니라, 도전성 고분자 캐소드에는 위에서 논의된 바와 같은 온화한 실패 모드가 특징이 있으므로 MnO2와 관련된 안전 문제를 위한 추가 디레이팅이 필요하지 않습니다.

아래 그림 2에서, 정격 전압(VR)이 10V 이하인 경우에는 단지 10%의 디레이팅만 요구되며, VR이 10V를 초과할 경우 20% 디레이팅이 권장된다는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 지침은 최대 105°C까지 일관적으로 적용됩니다. 105°C를 초과하면, 권장 디레이팅이 점진적으로 감소하여 125°C에서 VR 10V에 대해 40% 디레이팅을 권장하는 것을 볼 수 있습니다. 또한, VR이 10V를 초과하는 커패시터의 경우 권장 디레이팅이 46%로 감소합니다.

고전압

더 나은 디레이트 지침은 더 높은 작동 전압을 의미하며, 이는 결과적으로 더 높은 체적 효율성을 제공합니다. 일반적인 폴리머 커패시터는 50 V의 전압 등급을 가지고 있지만, Vishay Sprague vPolyTan™ 기술은 현재 최대 75 V 등급을 구현하고 있습니다. 이는 폴리머를 MIL-STD-704, 28 VDC 버스(22 VDC ~ 29 VDC 안정 상태) 응용 분야에서 사용하도록 하며, 여기서 전압 디레이트가 최대 125 °C까지 요구됩니다.

이 높은 전압 등급은 폴리머에서 필요한 낮은 디레이팅과 결합되어 다른 커패시터 기술 대비 부피 효율성 측면에서 큰 이점을 제공합니다.

낮은 ESR

음극의 구조는 본질적으로 높은 전도성을 가진 전도성 고분자로 이루어져 있기 때문에, 폴리머 커패시터는 일반적으로 MnO2 탄탈륨 커패시터보다 ESR(등가 직렬 저항)이 약 10% 낮습니다. 이는 이 장치를 고주파 및 높은 리플 전류 응용 분야에 특히 적합하게 만듭니다.

높은 신뢰성

고분자는 고체 전해질을 사용하기 때문에 액체 또는 젤 전해 커패시터처럼 건조되지 않습니다. 이러한 건조 과정은 알루미늄 전해 커패시터에서 흔히 발생하는 고장 방식이며 과열을 초래할 수 있습니다. 액체가 증발함에 따라 압력이 상승하여 누출, 팽창, 심지어 폭발이 발생할 수 있습니다. 고체 고분자 커패시터는 이러한 고장 메커니즘을 가지지 않으므로 훨씬 더 신뢰성이 높고 수명이 깁니다. 알루미늄 전해 커패시터와 달리 고분자 커패시터는 높은 온도에서도 문제 없이 장기간 작동할 수 있습니다.

MAP 기술

비쉐이(Vishay)의 멀티 배열 패키징(MAP) 기술은 주어진 부피 내에서 최대 커패시턴스를 구현합니다. 이 기술은 리드 프레임을 최소화하고 실제 커패시터가 더 많은 부피를 차지하도록 함으로써 이를 실현합니다(그림 3 참조).

Hi-Rel T54 패밀리는 MAP 기술을 활용하여 부피 효율성을 향상시킵니다. MAP을 듀얼 애노드 설계와 결합하면 더욱 낮은 ESR 값을 구현할 수 있습니다(아래 그림 4 참조).

적층 커패시터

MAP 기술을 활용하여 Vishay는 소형 공간에서 높은 용량을 필요로 하는 애플리케이션을 위해 T54 제품군에 적층 옵션을 추가했습니다. 적층 방식에서는 여러 개의 커패시터가 병렬 배열로 함께 고정됩니다. 커패시터들이 병렬로 구성됨에 따라 용량은 증가하고 ESR(등가 직렬 저항)은 감소합니다. 적층 옵션은 1 x 2 (커패시터 한 줄, 두 단), 1 x 3, 2 x 2, 2 x 3, 3 x 2로 제공됩니다. 사용 가능한 등급은 75 VDC에서 130 μF부터 16 VDC에서 2800 μF까지 다양합니다. 맞춤형 배열도 가능합니다. 이러한 적층 대용량 커패시턴스 구성은 디자이너의 PCB에서 상당한 공간을 절약할 수 있습니다.

에너지 저장/ 대용량 커패시턴스

Vishay의 MAP 및 스택 배열 기술은 보다 우수한 체적 효율성을 가능하게 합니다. 대용량 커패시턴스의 이러한 개선은 에너지 저장 및/또는 빠른 충전 및 방전 주기가 필요한 펄스 레이더, 라이다, 홀드업 등의 애플리케이션에 폴리머를 좋은 선택으로 만듭니다.

커패시터에 저장된 에너지에 대한 방정식이 주어졌을 때

E = ½ x CV²

다음은,

T54 시리즈는 900 μF / 35 VDC 등급의 적층 폴리머 솔루션을 사용하여 이상적인 조건에서 E6 패키지(2 x 3 배열) 내 최대 5 J/in²을 처리할 수 있습니다.

장기적인 신뢰성

다층 세라믹이나 알루미늄 전해 콘덴서와 같은 경쟁 기술과 달리, 폴리머 콘덴서는 위에서 논의된 특징들로 인해 마모가 발생하지 않는 특성을 갖추고 있습니다. 이는 고신뢰성 군사 및 우주 응용 분야에 필요로 하는 장기적인 신뢰성을 가능하게 합니다. 그림 6은 폴리머 기술에서 관찰되는 장기적인 안정성을 보여주며, 시간 경과에 따라 정전 용량, 누설 전류, ESR이 거의 변하지 않는 모습을 나타냅니다.

응용 프로그램

고급 서버 마더보드, MIL-STD-704 전원 공급 장치, 위상 배열 레이더, IFF, 네트워크 인프라, 에너지 저장, 전력 조절, 디커플링, 평활화, 필터링, 홀드업 등.