¿Son seguros los condensadores de tantalio para su uso en nuevos diseños?

Resumen:

Los capacitores de tantalio "cuando se usan correctamente" son altamente confiables.
Tienen la ventaja de una alta capacitancia por volumen y buenas características de desacoplamiento debido a una resistencia interna relativamente baja y una baja inductancia en comparación con las alternativas tradicionales, como los condensadores electrolíticos húmedos de aluminio.

La 'captura' está en el calificador "cuando se usa correctamente".
Los capacitores de tantalio tienen un modo de falla que puede desencadenarse por picos de voltaje solo "ligeramente más" que su valor nominal. Cuando se usa en circuitos que pueden proporcionar energía sustancial al capacitor, la falla puede provocar una fuga térmica con llama y explosión del capacitor y cortocircuito de baja resistencia en los terminales del capacitor.

Para ser "seguros", se debe garantizar que los circuitos en los que se utilizan se han diseñado rigurosamente y se deben cumplir los supuestos de diseño. Esto 'no siempre sucede'.
Los capacitores de tantalio son 'lo suficientemente seguros' en manos de verdaderos expertos, o en circuitos poco exigentes, y sus ventajas los hacen atractivos. Las alternativas como los capacitores de "aluminio sólido " tienen ventajas similares y carecen del modo de falla catastrófica.

Muchos capacitores de tantalio modernos tienen mecanismos de protección incorporados que implementan fusibles de varios tipos, que están diseñados para desconectar el capacitor de sus terminales cuando falla y para limitar la carbonización de PCB en la mayoría de los casos.
Si 'cuándo', 'límite' y 'la mayoría' son criterios de diseño aceptables y/o usted es un experto en diseño y su fábrica siempre hace todo bien y su entorno de aplicación siempre se entiende bien, entonces los condensadores de tantalio pueden ser una buena opción para usted. .

Más extenso:

Los condensadores de tantalio sólido son potencialmente desastres a punto de ocurrir.
Un diseño e implementación rigurosos que garanticen que se cumplan sus requisitos pueden producir diseños altamente confiables. Si siempre se garantiza que sus situaciones del mundo real no tendrán excepciones fuera de especificación, entonces los límites de tantalio también pueden funcionar bien para usted.

Algunos capacitores de tantalio modernos tienen mecanismos integrados de mitigación de fallas (en lugar de prevención). En un comentario sobre otra pregunta de intercambio de pila, Spehro señala:

• La hoja de datos de las tapas de polímero-tantalio de Kemet dice (en parte): "El KOCAP también exhibe un modo de falla benigno que elimina las fallas de encendido que pueden ocurrir en los tipos estándar de tantalio MnO2".

Extrañamente, no puedo encontrar nada sobre la función de "fallo de encendido" en sus otras hojas de datos.

Los capacitores electrolíticos de tantalio sólido han tenido tradicionalmente un modo de falla que hace cuestionable su uso en circuitos de alta energía que no pueden ser o no han sido diseñados rigurosamente para eliminar cualquier posibilidad de que el voltaje aplicado exceda el voltaje nominal en más de un pequeño porcentaje.

Las tapas de tantalio generalmente se fabrican sinterizando gránulos de tantalio para formar un todo continuo con un área de superficie inmensa por volumen y luego formando una capa dieléctrica delgada sobre la superficie exterior mediante un proceso químico. Aquí, "delgado" adquiere un nuevo significado: la capa es lo suficientemente gruesa como para evitar la ruptura en el voltaje nominal, y lo suficientemente delgada como para que la atraviesen voltajes que no excedan mucho el voltaje nominal. Para un límite nominal de, por ejemplo, 10 V, el funcionamiento con, digamos, picos de 15 V aplicados puede estar a la altura de jugar a la ruleta rusa. A diferencia de las capas electrolíticas húmedas de Al que tienden a curarse solas cuando se perfora la capa de óxido, el tantalio tiende a no curarse. Pequeñas cantidades de energía pueden provocar daños localizados y la eliminación de la ruta de conducción. Cuando el circuito que proporciona energía a la tapa puede proporcionar una energía sustancial, la tapa puede ofrecer un cortocircuito de resistencia correspondientemente bajo y comienza una batalla. Esto puede provocar olor, humo, llamas, ruido y explosión. He visto todo esto suceder secuencialmente en una sola falla. Primero hubo un mal olor desconcertante durante quizás 30 segundos. Luego, un fuerte chillido, luego un chorro de llamas durante quizás 5 segundos con un gratificante silbido y luego una impresionante explosión. No todos los fracasos son tan sensorialmente satisfactorios. luego un chorro de llamas durante quizás 5 segundos con un gratificante silbido y luego una explosión impresionante. No todos los fracasos son tan sensorialmente satisfactorios. luego un chorro de llamas durante quizás 5 segundos con un gratificante silbido y luego una explosión impresionante. No todos los fracasos son tan sensorialmente satisfactorios.

Cuando no se pueda garantizar la ausencia total de picos de alta energía de sobrevoltaje, que sería el caso en muchos, si no en la mayoría, de los circuitos de suministro de energía, el uso de tapas electrolíticas sólidas de tantalio sería una buena fuente de llamadas de servicio (o departamento de bomberos). Según la referencia de Spehro, Kemet puede haber eliminado los aspectos más emocionantes de tales fallas. Todavía advierten contra sobretensiones mínimas.

Algunos fracasos del mundo real:

Wikipedia - condensadores de tantalio

• La mayoría de los condensadores de tantalio son dispositivos polarizados, con terminales positivos y negativos claramente marcados. Cuando se somete a polaridad invertida (incluso brevemente), el capacitor se despolariza y la capa de óxido dieléctrico se rompe, lo que puede causar que falle incluso cuando se opera más tarde con la polaridad correcta. Si la falla es un cortocircuito (la ocurrencia más común) y la corriente no está limitada a un valor seguro, puede ocurrir una fuga térmica catastrófica (ver a continuación).

Kemet: notas de aplicación para condensadores de tantalio

• Lea la sección 15., página 79 y aléjese con las manos a la vista.

AVX: reglas de reducción de voltaje para capacitores de niobio y tantalio sólido

• Durante muchos años, cada vez que la gente pedía a los fabricantes de condensadores de tantalio recomendaciones generales sobre el uso de su producto, el consenso era que "se debe aplicar una reducción de voltaje mínima del 50 %". Desde entonces, esta regla general se ha convertido en la pauta de diseño más frecuente para la tecnología de tantalio. Este documento revisa esta declaración y explica, dada la comprensión de la aplicación, por qué este no es necesariamente el caso.

Con la reciente introducción de las tecnologías de capacitores de niobio y óxido de niobio, la discusión sobre la reducción de potencia también se ha extendido a estas familias de capacitores.

Vishay - Preguntas frecuentes sobre condensadores de tantalio sólido

• . ¿CUÁL ES LA DIFERENCIA ENTRE UN CONDENSADOR DE TANTALIO CON FUSIBLES (VISHAY Sprague 893D) Y ESTÁNDAR, SIN FUSIBLES (VISHAY Sprague 293D Y 593D)?

R. La serie 893D fue diseñada para operar en aplicaciones de alta corriente (> 10 A) y emplea un mecanismo de fusión "electrónico". ... El fusible 893D no se "abrirá" por debajo de 2 A porque el I2R está por debajo de la energía requerida para activar el fusible. Entre 2 y 3 A, el fusible eventualmente se activará, pero puede ocurrir algo de “carbonización” en el capacitor y en la placa de circuito. En resumen, los capacitores 893D son ideales para circuitos de alta corriente donde la "falla" del capacitor puede provocar fallas en el sistema.

Los capacitores tipo 893D evitarán que el capacitor o la placa de circuito se “carbonicen” y, por lo general, evitarán cualquier interrupción del circuito que pueda estar asociada con la falla del capacitor. Un capacitor en “cortocircuito” a través de la fuente de energía puede causar transitorios de corriente y/o voltaje que pueden desencadenar el apagado del sistema. El tiempo de activación del fusible 893D es lo suficientemente rápido en la mayoría de los casos para eliminar el drenaje excesivo de corriente o las oscilaciones de voltaje.

Guía de condensadores - condensadores de tantalio

• ... La desventaja de usar capacitores de tantalio es su modo de falla desfavorable que puede provocar un escape térmico, incendios y pequeñas explosiones, pero esto se puede prevenir mediante el uso de dispositivos externos a prueba de fallas, como limitadores de corriente o fusibles térmicos.

Que cap-astrophe

• Estaba trabajando en un fabricante que estaba experimentando una falla inexplicable en el capacitor de tantalio. No era que los condensadores simplemente estuvieran fallando, sino que la falla era catastrófica y hacía que las PCB (placas de circuito impreso) no se pudieran reparar. Parecía no haber explicación. No encontramos problemas de aplicación incorrecta para esta PCB de microcomputadora pequeña y dedicada. Peor aún, el proveedor nos culpó.

Investigué un poco en Internet sobre las fallas de los capacitores de tantalio y descubrí que los gránulos de los capacitores de tantalio contienen defectos menores que deben eliminarse durante la fabricación. En este proceso, el voltaje aumenta gradualmente a través de una resistencia hasta el voltaje nominal más una banda de protección. La resistencia en serie evita que la fuga térmica incontrolada destruya la pastilla. También aprendí que la soldadura de PCB a altas temperaturas durante la fabricación provoca tensiones que pueden causar microfracturas dentro de la pastilla. Estas microfracturas pueden, a su vez, provocar fallas en aplicaciones de baja impedancia. Las microfracturas también reducen la clasificación de voltaje del dispositivo, por lo que el análisis de fallas indicará una falla clásica por sobrevoltaje. ...

Relacionado:

AVX - sobretensión en condensadores de tantalio sólido

Modos y mecanismos de falla en capacitores de tantalio sólido : resumen Sprague / IEEE solamente. - ANTIGUO 1963.

AVX - MODOS DE FALLA DE LOS CONDENSADORES DE TANTALIO FABRICADOS POR DIFERENTES TECNOLOGÍAS - ¿Edad? - alrededor de 2001?

Efecto de la humedad en las características de los condensadores de tantalio sólido de montaje en superficie - NASA con asistencia de AVX - ¿alrededor de 2002?

Hearst - Cómo detectar componentes falsificados

A veces es fácil :-) :

Añadido 1/2016:

Relacionado:

Prueba de polaridad inversa para condensadores de lata de metal de aluminio húmedo estándar.

Breve:

Para la polaridad correcta, el potencial de la lata es ~= tierra. Para la polaridad inversa, el potencial de la lata es un porcentaje significativo del voltaje aplicado.
Una prueba muy confiable en mi experiencia.

Más extenso:

Para las tapas estándar de aluminio húmedo, hace mucho tiempo descubrí una prueba para la inserción inversa que nunca he visto mencionada en ningún otro lugar, pero que probablemente sea lo suficientemente conocida. Esto funciona para las tapas que tienen la lata de metal accesible para la prueba; la mayoría tiene un lugar despejado conveniente en la parte superior central debido a la forma en que se agrega la funda.

Encienda el circuito y mida los voltajes desde tierra hasta la lata de cada tapa. Esta es una prueba muy rápida con un voltímetro: conecte a tierra el cable y cierre las latas.

• Las tapas de polaridad correcta tienen la lata casi en el suelo.

• Las tapas de polaridad inversa tienen latas en alguna fracción del suministro, tal vez ~~~= 50%.

Funciona de manera confiable en mi experiencia.

Por lo general, puede verificar usando marcas de latas, pero esto depende de que la orientación prevista sea conocida y clara. Si bien eso suele ser consistente en un buen diseño, esto nunca es seguro.

Con la llegada de los capacitores cerámicos compactos, económicos y de alto valor (10 uF y más, clasificados en 6.3, 10, 16 V, etc.) X5R y X7R (dieléctricos razonables), parece haber muchas menos razones para considerar los capacitores de tantalio.

Una de las diferencias es que las tapas de tantalio tienen una ESR del orden de ohmios. En algunos reguladores LDO, eso es una ventaja, ya que el LDO no oscilará como un alma en pena. En tales casos, preferiría usar un capacitor cerámico y una resistencia en serie.

En algunos circuitos analógicos sensibles, creo que los tantalios pueden tener una ventaja sobre las tapas de cerámica en microfonía reducida (en tapas de cerámica, debido a la actividad piezoeléctrica).

Una pauta al usarlos: si la corriente a través de la tapa está estrictamente limitada en caso de falla, adelante.

¿Limitado a qué? Yo sugeriría 0.1A. Me sentiría cauteloso al usarlos para desacoplar un riel de suministro de 1A o superior, y personalmente no los usaría en un suministro de 10A. (Estuve allí, vi los fuegos artificiales; las imágenes de Russell no exageran.) Debo decir que no tengo evidencia sólida de una corriente verdaderamente "segura" y cualquier comentario sobre estas cifras sería bienvenido.

Pero muchos suministros o voltajes de polarización en circuitos analógicos tienen impedancias de fuente relativamente altas o corrientes estrictamente limitadas, y los usaría allí.

EDITAR basado en información nueva (¡para mí!) ...

Al menos un fabricante ofrece capacitores de óxido de niobio en empaques y rangos de valores y voltajes muy similares. En lo que podría interpretarse como una admisión tácita de los problemas del tantalio que se describen aquí, la hoja de datos contiene la declaración "OxiCap® fallido no se quemará hasta el voltaje de categoría" y un lindo y pequeño logotipo...

[Descargo de responsabilidad: ¡No he usado estos capacitores ni he intentado verificar el reclamo!]

Una breve nota sobre "por qué tantalio en lugar de grandes MLCC":

Los MLCC con X5R y dieléctricos similares se caracterizan con una polarización de 0 V. Sin embargo, cuando funciona, por ejemplo, al 100 % de la tensión nominal, la capacidad diferencial efectiva puede ser solo el 10 % de la nominal (!). Especialmente las tapas muy pequeñas con clasificación de alto voltaje muestran una disminución dramática en la capacidad cuando están sesgadas.

Ejemplo 1: 0402 MLCC, X5R, 10 µF, 6,3 V: 3,5 µF dejados a unos 3 V.

Ejemplo 2: 0402 MLCC, X5R, 2,2 µF, 25 V: 1,0 µF (!) a unos 3 V.

Esos datos se muestran bien en las hojas de datos en línea de TDK.

Algunas cosas adicionales de mi parte:
Sí, se puede afirmar que las cápsulas de tantalio son seguras.
No solo se utilizan en el entorno "difícil" de los dispositivos portátiles de consumo (portátiles, teléfonos inteligentes; nunca he oído hablar de un incendio en un teléfono inteligente debido a las tapas), sino que también se utilizan en implantes médicos como marcapasos cardíacos, implantes cocleares o implantes espinales. estimuladores de cordón

Con respecto a la confiabilidad, el voltaje de operación tiene el impacto más fuerte (mucho más que la temperatura). El factor de aceleración es
AF=exp{(V/VR-1)*18.772} según el siguiente documento de la NASA: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110015254.pdf

Para los implantes médicos, la reducción propuesta por, por ejemplo, Vishay es del 40 % (por lo que usaría un límite de 16 V para aplicaciones de 10 V o 10 V para aplicaciones de 6 V). Según la fórmula superior, el aumento de la vida útil es un factor de 1140.

por favor siempre tenga en cuenta que no hay sistema que no falle: La única cuestión es el tiempo del error acumulativo. Hice mi tesis de maestría en Infineon. Creo que puedo recordar que los MOSFET dentro de los sistemas automotrices críticos para la seguridad tenían una tasa de falla permitida de 10 ppm dentro de las 10.000 horas cuando funcionaban con un máximo. condiciones (temperatura y voltaje)

Puede haber aplicaciones con espacio limitado donde los bronceados son mejores, pero eso es todo. Evito los bronceados si puedo. Las piezas comunes fallan al dejar salir el humo. No les gustan las sobretensiones de altas corrientes de encendido, lo que los convierte en una mala elección para la mayoría de los filtros de suministro de energía. Al menos use la parte de mayor voltaje que pueda. No les gusta la alta humedad que puede dañar la autocuración. La cerámica ha mejorado y puede reemplazarla en muchas aplicaciones, al igual que el aluminio algunas veces.