Полимерный конденсатор

Полимерный конденсатор , или точнее полимерный электролитический конденсатор , представляет собой электролитический конденсатор (e-cap) с твердым проводящим полимерным электролитом . Существует четыре различных типа:

• Полимерный танталовый электролитический конденсатор (Polymer Ta-e-cap)
• Полимерно- алюминиевый электролитический конденсатор (Polymer Al-e-cap)
• Гибридный полимерный конденсатор (Hybrid polymer Al-e-cap)
• Полимерные ниобиевые электролитические конденсаторы

Полимерные Ta-e-caps доступны в виде прямоугольных кристаллов поверхностного монтажа ( SMD ). Полимерные Al-e-caps и гибридные полимерные Al-e-caps доступны в виде прямоугольных кристаллов поверхностного монтажа (SMD), в виде цилиндрических SMD (V-chips) или в виде радиальных выводных версий (несимметричных).

Полимерные электролитические конденсаторы характеризуются особенно низкими внутренними эквивалентными последовательными сопротивлениями (ESR) и высокими значениями пульсирующего тока. Их электрические параметры имеют схожую температурную зависимость, надежность и срок службы по сравнению с твердыми танталовыми конденсаторами, но имеют гораздо лучшую температурную зависимость и значительно более длительный срок службы, чем алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами. В целом полимерные электронные конденсаторы имеют более высокий номинальный ток утечки, чем другие твердые или нетвердые электролитические конденсаторы.

Полимерные электролитические конденсаторы также доступны в гибридной конструкции. Гибридные полимерно-алюминиевые электролитические конденсаторы объединяют твердый полимерный электролит с жидким электролитом. Эти типы характеризуются низкими значениями ESR, но имеют низкие токи утечки и нечувствительны к переходным процессам, ^[1] однако они имеют зависящий от температуры срок службы, аналогичный нетвердым электронным конденсаторам.

Полимерные электролитические конденсаторы в основном используются в источниках питания интегральных электронных схем в качестве буферных, байпасных и развязывающих конденсаторов, особенно в устройствах с плоской или компактной конструкцией. Таким образом, они конкурируют с конденсаторами MLCC , но предлагают более высокие значения емкости, чем MLCC, и не демонстрируют микрофонного эффекта (например, керамические конденсаторы классов 2 и 3 ). ^{[ необходима цитата ]}

Алюминиевые электролитические конденсаторы (Al-e-caps) с жидким электролитом были изобретены в 1896 году Чарльзом Поллаком .

Танталовые электролитические конденсаторы с электролитами из твердого диоксида марганца (MnO ₂ ) были изобретены Bell Laboratories в начале 1950-х годов как миниатюрный и более надежный низковольтный опорный конденсатор для дополнения недавно изобретенного транзистора , ^{[2] [3]} см. Танталовый конденсатор . Первые Ta-e-caps с электролитами из MnO ₂ имели в 10 раз лучшую проводимость и более высокую пульсирующую токовую нагрузку, чем более ранние типы Al-e-caps с жидким электролитом. Кроме того, в отличие от стандартных Al-e-caps, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) Ta-caps стабильно при изменении температуры.

В 1970-х годах растущая цифровизация электронных схем сопровождалась снижением рабочих напряжений, увеличением частот переключения и пульсирующих токовых нагрузок. Это имело последствия для источников питания и их электролитических конденсаторов. Требовались конденсаторы с более низким ESR и более низкой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) для байпасных и развязывающих конденсаторов, используемых в линиях электроснабжения. ^[4] см. Роль ESR, ESL и емкости.

Прорыв произошел в 1973 году с открытием А. Хигером и Ф. Вудлом ^[5] органического проводника — соли с переносом заряда TCNQ. TCNQ ( 7,7,8,8-тетрацианохинодиметан или N-н-бутилизохинолиний в сочетании с TTF ( тетратиафульваленом )) — это цепочечная молекула почти идеальной одномерной структуры, которая имеет в 10 раз лучшую проводимость вдоль цепей, чем MnO ₂ , и в 100 раз лучшую проводимость, чем нетвердые электролиты.

Первыми Al-e-caps, в которых в качестве твердого органического электролита использовалась соль переноса заряда TTF-TCNQ, была серия OS-CON, предложенная в 1983 году компанией Sanyo . Это были намотанные цилиндрические конденсаторы с 10-кратной электропроводностью электролита по сравнению с MnO ₂ ^{[6] [7]}

Эти конденсаторы использовались в устройствах для приложений, которым требовался максимально низкий ESR или максимально возможный ток пульсации. Один OS-CON e-cap мог заменить три более громоздких «мокрых» e-cap или два Ta-cap. ^[8] К 1995 году Sanyo OS-CON стал предпочтительным развязывающим конденсатором для персональных компьютеров IBM на базе процессора Pentium. Линейка продуктов Sanyo OS-CON e-cap была продана в 2010 году компании Panasonic. Затем Panasonic заменила соль TCNQ на проводящий полимер под тем же брендом.

Следующим шагом в снижении ESR стала разработка проводящих полимеров Аланом Дж. Хигером , Аланом МакДиармидом и Хидеки Сиракавой в 1975 году. ^[9] Проводимость проводящих полимеров, таких как полипиррол (PPy) ^[10] или PEDOT ^[11], лучше, чем у TCNQ, в 100–500 раз и близка к проводимости металлов.

В 1988 году японский производитель Nitsuko выпустил первый полимерный электролитный конденсатор «APYCAP» с полимерным электролитом PPy. ^[12] Продукт не имел успеха, отчасти потому, что он не был доступен в версиях SMD.

В 1991 году Panasonic выпустила серию полимерных Al-e-cap "SP-Cap", ^[13] Эти e-cap использовали полимерный электролит PPy и достигли значений ESR, которые были напрямую сопоставимы с керамическими многослойными конденсаторами (MLCC). Они все еще были дешевле танталовых конденсаторов, а их плоская конструкция была полезна в компактных устройствах, таких как ноутбуки и мобильные телефоны, и они также конкурировали с танталовыми чип-конденсаторами.

Три года спустя появились танталовые электролитические конденсаторы с полимерным электролитным катодом PPy. В 1993 году NEC представила свои полимерные SMD-конденсаторы Ta-e под названием «NeoCap». В 1997 году Sanyo выпустила полимерные танталовые чипы «POSCAP».

Новый проводящий полимер для танталовых полимерных конденсаторов был представлен Kemet на конференции "1999 Carts". ^[14] В этом конденсаторе использовался недавно разработанный органический проводящий полимер PEDT ( поли(3,4-этилендиокситиофен) ), также известный как PEDOT (торговое название Baytron®). ^[15]

Два года спустя на конференции АТЭС 2001 года компания Kemet представила на рынке алюминиевые электронные конденсаторы из полимера PEDOT. ^[16] Полимер PEDOT обладает более высокой температурной стабильностью, а в качестве раствора PEDOT:PSS этот электролит можно было вводить только методом погружения, а не полимеризации на месте, как для PPy, что делало производство более быстрым и дешевым. ^[8] Серия AO-Cap включала конденсаторы SMD со сложенным анодом размера «D» и высотой от 1,0 до 4,0 мм, конкурируя с конденсаторами Panasonic SP-Caps, в то время использовавшими PPy.

На рубеже тысячелетий были разработаны гибридные полимерные конденсаторы, которые в дополнение к твердому полимерному электролиту имеют жидкий электролит, соединяющий полимерные слои, покрывающие диэлектрический слой на аноде и катодной фольге. ^{[1] [17]} Нетвердый электролит обеспечивает кислород для целей самовосстановления, чтобы уменьшить ток утечки. В 2001 году NIC выпустила гибридный полимерный e-cap, чтобы заменить полимерный тип по более низкой цене и с более низким током утечки. По состоянию на 2016 год гибридные полимерные конденсаторы доступны от нескольких производителей.

Преобладающее применение всех электролитических конденсаторов — в источниках питания . Они используются в качестве входных и выходных сглаживающих конденсаторов, в качестве развязывающих конденсаторов для циркуляции гармонического тока в коротком контуре, в качестве шунтирующих конденсаторов для шунтирования переменного тока на землю путем обхода линий электропитания, в качестве резервных конденсаторов для смягчения падения напряжения в линии при внезапном потреблении мощности или в качестве фильтрующего конденсатора в фильтре нижних частот для снижения шумов переключения. ^[18] В этих приложениях, помимо размера, важными электрическими характеристиками для функциональности этих конденсаторов в цепях являются емкость, импеданс Z , ESR и индуктивность ESL.

Переход на цифровое электронное оборудование привел к разработке импульсных источников питания с более высокими частотами и "бортовым" DC/DC-преобразователем , более низким напряжением питания и более высокими токами питания. Конденсаторы для этого применения требовали более низких значений ESR, которые в то время с Al-e-caps могли быть реализованы только с большими размерами корпуса или путем замены на гораздо более дорогие твердые Ta-caps.

Причина, по которой ESR влияет на функциональность интегральной схемы, проста. Если схема (например, микропроцессор ) имеет внезапный спрос на мощность, напряжение питания падает из-за ESL, ESR и потери заряда емкости. Потому что в случае внезапного спроса на ток напряжение линии питания падает:

ΔU = СОЭ × I.

Например: ^[4]

При напряжении питания 3 В с допуском 10% (300 мВ) и токе питания максимум 10 А внезапное потребление электроэнергии приводит к снижению напряжения на

ESR = U / I = (0,3 В)/(10 А) = 30 мОм.

Это означает, что ESR в блоке питания ЦП должно быть менее 30 мОм, в противном случае схема выйдет из строя. Аналогичные правила действительны для емкости и ESL. Удельная емкость может быть увеличена с годами за счет более протравленной анодной фольги, соответственно, за счет более мелких и тонких зерен танталового порошка в 10-15 раз и может следовать тенденции миниатюризации. Проблема ESL привела к появлению версий полимерных алюминиевых электронных конденсаторов из сложенной фольги. Однако для снижения ESR может быть принята только разработка новых твердых проводящих материалов, сначала TCNQ, затем проводящих полимеров, что привело к разработке полимерных электролитных конденсаторов с их очень низкими значениями ESR, проблема ESR оцифровки электронных схем.

Электролитические конденсаторы используют химическую особенность некоторых специальных металлов, ранее называемых «вентильными металлами», которые при анодном окислении образуют изолирующий оксидный слой. Прикладывая положительное напряжение к анодному (+) материалу в электролитической ванне, можно сформировать оксидный барьерный слой толщиной, соответствующей приложенному напряжению. Этот оксидный слой действует как диэлектрик в электронном конденсаторе. Для увеличения емкости конденсаторов поверхность анода шероховатая, и поэтому поверхность оксидного слоя также становится шероховатой. Для завершения конденсатора противоэлектрод должен соответствовать шероховатой изолирующей оксидной поверхности. Это достигается электролитом, который действует как катодный (-) электрод электролитического конденсатора. Основное различие между полимерными конденсаторами заключается в анодном материале и его оксиде, используемом в качестве диэлектрика:

• Полимерные танталовые электролитические конденсаторы используют спеченный порошок тантала высокой _{чистоты} в качестве анода с пентаоксидом тантала ( _Ta2O5 ) в качестве диэлектрика и
• Полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы используют в качестве анода высокочистую и электрохимически протравленную (шероховатую) алюминиевую фольгу с оксидом алюминия ₍ Al2O3 ₎ в качестве диэлектрика .

Свойства слоя оксида алюминия по сравнению со слоем диэлектрика из пентаоксида тантала приведены в следующей таблице:

Каждый электронный конденсатор в принципе представляет собой «плоский конденсатор», емкость которого является возрастающей функцией площади электрода A, диэлектрической проницаемости ε диэлектрического материала и толщины диэлектрика (d).

${\displaystyle C=\varepsilon \cdot {\frac {A}{d}}}$

Емкость пропорциональна произведению площади одной пластины, умноженной на диэлектрическую проницаемость и деленной на толщину диэлектрика.

Толщина диэлектрика находится в диапазоне нанометров на вольт. С другой стороны, напряжение пробоя этих оксидных слоев довольно высокое. Используя протравленные или спеченные аноды, с их гораздо большей площадью поверхности по сравнению с гладкой поверхностью того же размера или объема, e-caps могут достигать высокой объемной емкости. Последние разработки в области высокопротравленных или спеченных анодов увеличивают значение емкости, в зависимости от номинального напряжения, в 200 раз для Al-e-caps или Ta-e-caps по сравнению с гладкими анодами. ^{[23] [24] [25]}

Поскольку напряжение формирования определяет толщину оксида, желаемый допуск напряжения может быть легко получен. Таким образом, объем конденсатора определяется произведением емкости и напряжения, так называемым «продуктом CV».

Сравнивая диэлектрические постоянные оксидов тантала и алюминия, Ta ₂ O ₅ имеет диэлектрическую проницаемость примерно в 3 раза выше, чем Al ₂ O ₃ . Поэтому Ta-caps теоретически могут быть меньше, чем Al-caps при той же емкости и номинальном напряжении. Для настоящих танталовых электролитических конденсаторов толщина оксидного слоя намного больше, чем требуется для номинального напряжения конденсатора. Это делается из соображений безопасности, чтобы избежать коротких замыканий, возникающих из-за полевой кристаллизации. По этой причине реальные различия размеров, которые вытекают из разных диэлектрических проницаемостей, частично неэффективны. ^[26]

Самым важным электрическим свойством электролита в электролитическом конденсаторе является его электропроводность . Электролит образует противоэлектрод, катод электронного конденсатора . Шероховатые структуры поверхности анода продолжаются в структуре оксидного слоя, диэлектрика, катод должен точно адаптироваться к шероховатой структуре. С жидкостью, как в обычных «мокрых» электронных конденсаторах, этого легко достичь. В полимерных электронных конденсаторах, в которых твердый проводящий полимер образует электролит, этого гораздо сложнее достичь, поскольку его проводимость достигается химическим процессом полимеризации. Однако преимущества твердого полимерного электролита, значительно более низкое ESR конденсатора и низкая температурная зависимость электрических параметров, во многих случаях оправдывают дополнительные этапы производства, а также более высокие затраты.

Электролитические конденсаторы с переносящей заряд солью тетрацианохинодиметаном TCNQ в качестве электролита, ранее выпускавшиеся Sanyo под торговым названием «OS-CON», в истинном смысле термина «полимер» не были «полимерными конденсаторами». Электролитические конденсаторы TCNQ упоминаются здесь, чтобы указать на опасность путаницы с «настоящими» полимерными конденсаторами, которые в настоящее время продаются под тем же торговым названием OS-CON. Оригинальные конденсаторы OS-CON с электролитом TCNQ, продаваемые бывшим производителем Sanyo, были сняты с производства в 2010 году с участием Panasonic. ^[27] Panasonic сохраняет торговое название OS-CON, но меняет электролит TCNQ на проводящий полимерный электролит (PPy). ^[28]

Электролитические конденсаторы с электролитом TCNQ больше не выпускаются.

Полимеры образуются в результате химической реакции полимеризации . В этой реакции мономеры непрерывно присоединяются к растущей полимерной нити. [ ^{29] [30] [31]} Обычно полимеры являются электроизоляторами, в лучшем случае полупроводниками. Для использования в качестве электролита в электронных колпачках используются электропроводящие полимеры. Проводимость полимера достигается за счет сопряженных двойных связей , которые допускают свободное перемещение носителей заряда в легированном состоянии . Носителями заряда служат электронные дырки . ^{[ необходимо разъяснение ]} Это означает, что проводимость проводящих полимеров, которая почти сопоставима с металлическими проводниками, начинается только тогда, когда полимеры легированы окислительно или восстановительно.

Полимерный электролит должен иметь возможность проникать в самые мелкие поры анода, чтобы сформировать полный, однородный слой, поскольку только участки анодного оксида, покрытые электролитом, вносят вклад в емкость. Для этого прекурсоры полимера должны состоять из очень мелких базовых материалов, которые могут проникать даже в самые мелкие поры. Размер этих прекурсоров является ограничивающим фактором размера пор в протравленной алюминиевой анодной фольге или размера танталового порошка. Скорость полимеризации должна контролироваться для производства конденсаторов. Слишком быстрая полимеризация не приводит к полному покрытию анода, в то время как слишком медленная полимеризация увеличивает производственные затраты. Ни прекурсоры, ни полимер или его остатки не могут химически или механически воздействовать на оксид анода. Полимерный электролит должен обладать высокой стабильностью в широком диапазоне температур в течение длительного времени. Полимерная пленка не только является противоэлектродом электронного конденсатора, но и защищает диэлектрик даже от внешних воздействий, таких как прямой контакт графита в этих конденсаторах, которые снабжены катодным контактом через графит и серебро.

Полимерные электронные колпачки используют либо полипиррол (PPy) ^[32] , либо политиофен (PEDOT или PEDT) ^[33].

Полипиррол (PPy) — это проводящий полимер, образованный окислительной полимеризацией пиррола . Подходящим окислителем является хлорид железа (III) (FeCl ₃ ). Для синтеза PPy можно использовать воду, метанол, этанол, ацетонитрил и другие полярные растворители. ^[34] Как твердый проводящий полимерный электролит, он достигает проводимости до 100  См /м. Полипиррол был первым проводящим полимером, использованным в полимерных Al-e-caps, а также в полимерных Ta-e-caps.

Проблема с полимеризацией PPy заключалась в скорости полимеризации. Когда пиррол смешивается с желаемыми окислителями при комнатной температуре, реакция полимеризации начинается немедленно. Таким образом, полипиррол начинает образовываться, прежде чем химический раствор успеет попасть в поры анода. Скорость полимеризации можно контролировать с помощью криогенного охлаждения или электрохимической полимеризации.

Метод охлаждения требует очень больших технических усилий и неблагоприятен для массового производства. При электрохимической полимеризации сначала необходимо нанести вспомогательный электродный слой на диэлектрик и соединить его с анодом. ^[33] Для этого к основным веществам полимера добавляют ионные легирующие примеси, образуя проводящий поверхностный слой на диэлектрике во время первой пропитки. Во время последующих циклов пропитки полимеризация in situ может контролироваться по времени потоком тока после приложения напряжения между анодом и катодом. С помощью этого метода можно получить тонкую и стабильную полипиррольную пленку на диэлектрическом оксидном слое анода. ^[35] Однако оба метода полимеризации in situ сложны и требуют многократного повторения этапов полимеризации, что увеличивает производственные затраты.

Полипиррольный электролит имеет два принципиальных недостатка. Он токсичен при производстве конденсаторов и становится нестабильным при более высоких температурах пайки, необходимых для пайки бессвинцовыми припоями. ^[33]

Поли(3,4-этилендиокситиофен) , сокращенно PEDOT или PEDT ^[33] представляет собой проводящий полимер на основе мономера 3,4-этилендиокситиофена или EDOT. PEDOT поляризуется при окислении EDOT каталитическим количеством сульфата железа (III) . Повторное окисление железа происходит с помощью персульфата натрия . ^[36] Преимущества PEDOT — оптическая прозрачность в проводящем состоянии, нетоксичность, стабильность при температурах до 280 °C и проводимость до 500  См /м. ^[33] Его термостойкость позволяет изготавливать полимерные конденсаторы, выдерживающие более высокие температуры, необходимые для бессвинцовой пайки. Кроме того, эти конденсаторы имеют лучшие значения ESR, как полимерные электронные конденсаторы с электролитом PPy. ^[33]

Сложные методы полимеризации PEDOT in situ в анодах конденсаторов изначально были такими же, как и с полипирролом. Это изменилось с разработкой предварительно полимеризованных дисперсий PEDOT, в которые аноды конденсаторов можно было просто погрузить, а затем высушить при комнатной температуре. Для этой цели химикаты PEDOT добавляются с полистиролсульфонатом натрия (PSS) и растворяются в воде. ^[37] Полный полимерный слой на диэлектрике затем состоит из предварительно полимеризованных частиц из дисперсии. Эти дисперсии известны как PEDOT: PSS, торговые названия Baytron P® ^[38] и Clevios™, ^[39] защищая ценные свойства PEDOT. ^{[40] [41]}

Дисперсии PEDOT:PSS доступны в различных вариантах. Для конденсаторов с высокими значениями емкости с высокошероховатой алюминиевой анодной фольгой или мелкозернистыми танталовыми порошками предлагаются дисперсии с очень малыми размерами частиц. Средний размер этих предварительно полимеризованных частиц составляет около 30 нм, что достаточно мало для проникновения в самые тонкие анодные капилляры. Другой вариант дисперсии PEDOT:PSS был разработан с более крупными предварительно полимеризованными частицами, что приводит к относительно толстому полимерному слою для создания охватывающей защиты емкостной ячейки прямоугольных полимерных конденсаторов Ta и Al от механического и электрического напряжения. ^{[33] [39]}

С дисперсиями PEDOT:PSS, произведенными полимерно-алюминиевыми электролитическими конденсаторами, хорошо подходят для достижения более высоких номинальных значений напряжения 200 В ^[42] и 250 В. ^[43] Кроме того, значения тока утечки полимерных электролитических конденсаторов, которые производятся с этими дисперсиями, значительно ниже, чем у полимерных конденсаторов, имеющих полимеризованные на месте полимерные слои. Однако, помимо лучших значений ESR, более высокой температурной стабильности и более низких значений тока утечки, простота изготовления полимерных конденсаторов с предварительно полимеризованными дисперсиями PEDOT:PSS, которые уже всего за три погружения имеют почти полное покрытие диэлектрика проводящим полимерным слоем. Такой подход значительно снизил производственные затраты. ^[37]

Гибридные полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы объединяют покрытие шероховатой и оксидированной алюминиевой анодной структуры с проводящим полимером вместе с жидким электролитом. Жидкий электролит пропитывается сепаратором (спейсером) и достигает своей ионной проводимостью электрического контакта между двумя полимерными слоями, покрывающими диэлектрик и катодную фольгу. Жидкий электролит может поставлять кислород для процессов самовосстановления конденсатора, что снижает ток утечки, так что могут быть достигнуты такие значения, как в обычном «мокром» электролитическом конденсаторе. Кроме того, может быть снижен запас прочности для требуемой толщины оксида для желаемого номинального напряжения.

Вредное воздействие жидкого электролита на ESR и температурные характеристики относительно невелико. При использовании соответствующих органических электролитов и хорошей герметизации конденсаторов можно добиться длительного срока службы. ^{[1] [17]}

В зависимости от используемого анодного металла и комбинации полимерного электролита с жидким электролитом различают три различных типа:

• Полимерный танталовый электролитический конденсатор
• Полимерно- алюминиевый электролитический конденсатор
• Гибридный полимерно-алюминиевый электролитический конденсатор

Эти три различных типа или семейства производятся в двух различных стилях,

• Прямоугольный SMD-чип, обычно отлитый в пластиковом корпусе, доступен со спеченным танталовым анодом или с уложенной алюминиевой фольгой анодом и
• Цилиндрический стиль с намотанным элементом в металлическом корпусе, доступен в виде цилиндрических SMD-устройств (V-образные чипы) или в виде радиальных выводов (несимметричные)

• Типы полимерных электролитических конденсаторов
• 
  Прямоугольные SMD-чипы доступны со спеченным танталовым анодом или с наложенной алюминиевой фольгой на анод.
• 
  Цилиндрические модели с намотанным элементом в металлическом корпусе доступны в виде SMD-элементов (V-образные чипы) или в виде радиальных выводов (однотактные) для полимерных или гибридных полимерно-алюминиевых конденсаторов.

В начале 1990-х годов полимерные Ta-caps совпали с появлением плоских устройств, таких как мобильные телефоны и ноутбуки, использующих технологию сборки SMD. Прямоугольная базовая поверхность обеспечивает максимальное монтажное пространство, что невозможно с круглыми базовыми поверхностями. Спеченная ячейка может быть изготовлена ​​таким образом, чтобы готовый компонент имел желаемую высоту, как правило, высоту других компонентов. Типичные высоты варьируются от 0,8 до 4 мм.

Полимерные танталовые электролитические конденсаторы по сути являются танталовыми конденсаторами , в которых электролитом является проводящий полимер вместо диоксида марганца, см. также танталовый конденсатор#Материалы, производство и стили Танталовые конденсаторы изготавливаются из порошка относительно чистого элементарного металла тантала . ^{[44] [45] [46]}

Порошок сжимается вокруг танталовой проволоки, анодного соединения, для формирования «таблетки». Эта комбинация гранулы/проволоки впоследствии подвергается вакуумному спеканию при высокой температуре (обычно от 1200 до 1800 °C), что дает механически прочную анодную таблетку. Во время спекания порошок приобретает губчатую структуру, в которой все частицы связаны в монолитную пространственную решетку. Эта структура имеет предсказуемую механическую прочность и плотность, но также является высокопористой, что обеспечивает большую площадь поверхности анода.

Затем диэлектрический слой формируется на всех поверхностях частиц тантала анода с помощью электрохимического процесса анодирования или формования. Для этого «гранулу» погружают в очень слабый раствор кислоты и прикладывают постоянное напряжение. Общая толщина диэлектрика определяется конечным напряжением, приложенным в процессе формования. После этого окисленный спеченный блок пропитывают предшественниками полимера, чтобы получить полимерный электролит, противоэлектрод. Теперь эту полимеризованную гранулу последовательно окунают в проводящий графит , а затем в серебро, чтобы обеспечить хорошее соединение с проводящим полимером. Эти слои обеспечивают катодное соединение конденсатора. Затем емкостная ячейка обычно формуется с помощью синтетической смолы.

• Базовая конструкция полимерно-танталового конденсатора
• 
  Слоистая структура полимерного танталового конденсатора с графитово-серебряным катодным соединением
• 
  Основное поперечное сечение прямоугольного полимерно-танталового чип-конденсатора
• 
  Прямоугольный полимерный танталовый чип-конденсатор

Полимерные танталовые электролитические конденсаторы имеют значения ESR, которые составляют всего лишь 1/10 от значения танталовых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца того же размера. С помощью многоанодной техники, в которой несколько анодных блоков соединены параллельно в одном корпусе, значение ESR может быть снова уменьшено. Преимуществом многоанодной технологии в дополнение к очень низким значениям ESR является более низкая индуктивность ESL, благодаря чему конденсаторы подходят для более высоких частот.

Недостатком всех полимерных танталовых конденсаторов является более высокий ток утечки, который примерно в 10 раз выше по сравнению с конденсаторами с электролитом из диоксида марганца. Полимерные SMD танталовые электролитические конденсаторы выпускаются размером до 7,3x4,3x4,3 мм (длина × ширина × высота) с емкостью 1000 мкФ при 2,5 В. Они охватывают диапазон температур от −55 °C до +125 °C и выпускаются в номинальных значениях напряжения от 2,5 до 63 В.

Снижение ESR и ESL остается основной целью исследований и разработок для всех полимерных конденсаторов. Некоторые конструктивные меры могут также оказать существенное влияние на электрические параметры конденсаторов. Меньшие значения ESR могут быть достигнуты, например, путем параллельного соединения нескольких обычных конденсаторных ячеек в одном корпусе. Три параллельных конденсатора с ESR 60 мОм каждый имеют результирующее ESR 20 мОм. Эта технология называется «многоанодной» конструкцией и используется в полимерных танталовых конденсаторах с очень низким ESR. ^{[47] [48]} В этой конструкции соединяются до шести отдельных анодов в одном корпусе. Эта конструкция предлагается как полимерные танталовые чип-конденсаторы, а также как более дешевые танталовые чип-конденсаторы с электролитом MnO _2. Многоанодные полимерные танталовые конденсаторы имеют значения ESR в диапазоне однозначных миллиом.

Другая простая конструктивная мера изменяет паразитную индуктивность конденсатора, ESL. Поскольку длина выводов внутри корпуса конденсатора имеет большую величину от общей ESL, индуктивность конденсатора может быть уменьшена за счет уменьшения длины внутренних выводов путем асимметричного спекания анодного вывода. Такая техника называется конструкцией «лицом вниз». Из-за более низкой ESL этой конструкции лицом вниз резонанс конденсатора смещается в сторону более высоких частот, которые учитывают более быстрые изменения нагрузки цифровых схем со все более высокими частотами переключения. ^[49]

Полимерные танталовые чип-конденсаторы с этими новыми усовершенствованиями конструкции, которые снижают как ESR, так и ESL, достигают свойств, приближаясь все ближе к показателям конденсаторов MLCC.

Прямоугольные полимерные Al-caps имеют одну или несколько слоистых алюминиевых анодных фольг и проводящий полимерный электролит. Слоистые анодные фольги с одной стороны контактируют друг с другом, этот блок анодно окисляется для получения диэлектрика, и блок пропитывается предшественниками полимера для получения полимерного электролита, противоэлектрода. Как и для полимерных танталовых конденсаторов, этот полимеризованный блок теперь последовательно окунается в проводящий графит , а затем в серебро, чтобы обеспечить хорошее соединение с проводящим полимером. Эти слои обеспечивают катодное соединение конденсатора. Затем емкостная ячейка обычно формуется синтетической смолой.

• Базовая конструкция полимерно-алюминиевого конденсатора со слоистыми анодными полосами
• 
  Слоистая структура полимерно-алюминиевого конденсатора с графитово-серебряным катодным соединением
• 
  Основное поперечное сечение прямоугольного полимерно-алюминиевого чип-конденсатора
• 
  Прямоугольный полимерный алюминиевый чип-конденсатор. Внешний вид не имеет указаний на используемый внутренний анодный материал.

Слоистые анодные фольги в полимерных Al-chip-e-caps прямоугольной формы представляют собой электрически параллельно соединенные одиночные конденсаторы. Таким образом, значения ESR и ESL соединены параллельно, что соответственно снижает ESR и ESL и позволяет им работать на более высоких частотах.

Эти прямоугольные полимерные Al-chip-e-caps доступны в корпусе "D" с размерами 7,3x4,3 мм и высотой от 2 до 4 мм. Они представляют собой конкурентоспособную альтернативу Ta-caps. ^{[50] [ нужен лучший источник ]}

Сравнение механически сопоставимых полимерных Al-chip-e-caps и полимерных Ta-chip-e-caps показывает, что различные диэлектрические проницаемости оксида алюминия и пентаоксида тантала оказывают незначительное влияние на удельную емкость из-за различных запасов прочности в оксидных слоях. Полимерные Ta-e-caps используют толщину оксидного слоя, которая соответствует примерно четырем номинальным напряжениям, в то время как полимерные Al-e-caps имеют примерно в два раза большее номинальное напряжение.

Цилиндрические полимерно-алюминиевые конденсаторы, изготовленные по технологии намотки алюминиевых электролитических конденсаторов с жидкими электролитами. Доступны только с алюминием в качестве анодного материала.

Они предназначены для больших значений емкости по сравнению с прямоугольными полимерными конденсаторами. Благодаря своей конструкции они могут различаться по высоте на заданной площади поверхностного монтажа, так что большие значения емкости могут быть достигнуты с помощью более высокого корпуса без увеличения монтажной поверхности. Это в первую очередь полезно для печатных плат без ограничения высоты.

Цилиндрические полимерные Al-e-caps изготавливаются из двух алюминиевых фольг, протравленного и сформированного анода и катодной фольги, которые механически разделены сепаратором и смотаны вместе. Обмотка пропитывается полимерными прекурсорами для получения полимеризованного проводящего полимера для формирования катода — полимерного электрода, электрически соединенного с катодной фольгой. Затем обмотка встраивается в алюминиевый корпус и герметизируется резиновым уплотнением. Для версии SMD (вертикальный чип = V-чип) корпус снабжен нижней пластиной.

• Принципы проектирования цилиндрических полимерно-алюминиевых конденсаторов
• 
  Обмотка алюминиевого электролитического конденсатора
• 
  Поперечное сечение емкостной ячейки намотанного полимерно-алюминиевого конденсатора с полимерным электролитом
• 
  Цилиндрические полимерно-алюминиевые конденсаторы с намотанным элементом в цилиндрическом металлическом корпусе, с радиальными выводами (однотактные) и SMD-дизайном (V-chip)

Цилиндрические полимерные Al-e-caps менее дороги, чем соответствующие полимерные танталовые конденсаторы для заданного значения CV (емкость × номинальное напряжение). Они доступны размером до 10×13 мм (диаметр × высота) со значением CV 3900 мкФ × 2,5 В ^[51]. Они могут покрывать диапазоны температур от -55 °C до +125 °C и доступны в номинальных значениях напряжения от 2,5 до 200 В ^[42] соответственно 250 В. ^[43]

В отличие от «мокрых» Al-e-caps, корпуса полимерных Al-конденсаторов не имеют вентиляционного отверстия (выемки) в нижней части корпуса, так как при коротком замыкании не образуется газ, который увеличил бы давление в корпусе. Поэтому заданная точка разрыва не требуется.

Гибридные полимерные конденсаторы доступны только в цилиндрическом стиле конструкции, таким образом, соответствуют вышеописанным цилиндрическим полимерным Al-e-caps, выведенным в радиальном (однотактном) исполнении или с базовой пластиной в версии SMD (V-chip). Разница в том, что полимер покрывает только поверхность шероховатой структуры диэлектрика Al ₂ O ₃ и поверхность катодной фольги тонкими слоями. При этом особенно высокоомные части в мелких порах анодной фольги могут быть сделаны низкоомными для снижения ESR конденсаторов. В качестве электрического соединения между обоими полимерными слоями служит жидкий электролит, как в обычных влажных Al-e-caps, пропитывающий сепаратор. Небольшое расстояние, на котором не проводит твердый электролит, немного увеличивает ESR, однако на самом деле не резко. Преимущество этой конструкции в том, что жидкий электролит при работе поставляет кислород, который необходим для самовосстановления диэлектрического слоя при наличии любых мелких дефектов.

Ток, протекающий через небольшой дефект, приводит к избирательному нагреву, который обычно разрушает вышележащую полимерную пленку, изолируя, но не залечивая дефект. В гибридных полимерных конденсаторах жидкость может течь к дефекту, доставляя кислород и залечивая диэлектрик путем образования новых оксидов, уменьшая ток утечки. Гибридные полимерные Al-e-caps имеют гораздо меньший ток утечки, чем стандартные полимерные Al-e-caps.

Полимерный электролит, два разных анодных материала, алюминий и тантал, вместе с различными конструкциями привели к появлению нескольких семейств полимерных электронных конденсаторов с различными спецификациями. Для сравнения также перечислены основные параметры танталовых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца.

(По состоянию на апрель 2015 г.)

Электрические свойства полимерных конденсаторов лучше всего сравнивать, используя согласованную емкость, номинальное напряжение и размеры. Значения ESR и пульсирующего тока являются наиболее важными параметрами для использования полимерных конденсаторов в электронном оборудовании. Ток утечки имеет значение, поскольку он выше, чем у e-caps с неполимерными электролитами. Соответствующие значения Ta-e-caps с электролитом MnO ₂ и влажных Al-e-caps включены.

¹ Производитель, серия, емкость/номинальное напряжение.

² Ш×Д×В для прямоугольного стиля (чип), Г×Д для цилиндрического стиля.

³ Рассчитано для конденсатора емкостью 100 мкФ, напряжением 10 В.

(По состоянию на июнь 2015 г.)

Преимущества полимерных электронных колпачков по сравнению с влажными алюминиевыми электронными колпачками:

• более низкие значения СОЭ.
• более высокая способность к пульсирующему току
• более низкие температурные характеристики
• отсутствие испарения электролита, более длительный срок службы
• отсутствие возгорания или взрыва в случае короткого замыкания

Недостатки полимерных электронных колпачков по сравнению с влажными алюминиевыми электронными колпачками:

• дороже
• более высокий ток утечки
• повреждаемость переходными процессами и скачками высокого напряжения

Преимущества гибридных полимерных Al-e-колпачков :

• менее дорогие, чем полимерные алюминиевые электронные колпачки
• меньший ток утечки
• бесстрастен к преходящим

Недостатки гибридных полимерных Al-e-колпачков :

• ограниченный срок службы из-за испарения

Преимущества полимерных Ta и Al-e-колпачков по сравнению с MLCC (керамическими):

• нет зависимости емкости от напряжения (кроме керамики типа 1)
• отсутствие микрофонного эффекта (кроме керамики типа 1)
• возможны более высокие значения емкости

Электрические характеристики конденсаторов гармонизированы международной общей спецификацией IEC 60384-1. В этом стандарте электрические характеристики конденсаторов описываются идеализированной последовательно-эквивалентной схемой с электрическими компонентами, которые моделируют все омические потери, емкостные и индуктивные параметры электролитических конденсаторов:

• C , емкость конденсатора
• R _ESR , эквивалентное последовательное сопротивление , которое суммирует все омические потери конденсатора, обычно сокращенно обозначаемое как «ESR»
• L _ESL — эквивалентная последовательная индуктивность , которая представляет собой эффективную самоиндукцию конденсатора, обычно сокращенно обозначаемую как «ESL».
• R _утечка , сопротивление, представляющее ток утечки конденсатора

Значение емкости полимерных электролитических конденсаторов зависит от частоты измерения и температуры. Электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами показывают более широкую аберрацию в диапазонах частот и температур, чем полимерные конденсаторы.

Стандартизированным условием измерения для полимерных Al-e-caps является метод измерения переменного тока с напряжением 0,5 В при частоте 100/120 Гц и температуре 20 °C. Для полимерных Ta-e-caps во время измерения может применяться постоянное напряжение смещения от 1,1 до 1,5 В для типов с номинальным напряжением ≤2,5 В или от 2,1 до 2,5 В для типов с номинальным напряжением >2,5 В, чтобы избежать обратного напряжения.

Значение емкости, измеренное на частоте 1 кГц, примерно на 10% меньше значения 100/120 Гц. Поэтому значения емкости полимерных электронных конденсаторов напрямую не сопоставимы и отличаются от значений пленочных конденсаторов или керамических конденсаторов , емкость которых измеряется на частоте 1 кГц или выше.

Основной единицей емкости полимерного электролитического конденсатора является микрофарад ( мкФ). Значение емкости, указанное в технических паспортах производителей, называется номинальной емкостью C _R или номинальной емкостью C _N . Оно приводится согласно IEC 60063 в значениях, соответствующих серии E . Эти значения указаны с допуском емкости в соответствии с IEC 60062, предотвращающим перекрытия.

Фактическое измеренное значение емкости должно находиться в пределах допуска.

Согласно IEC 60384-1, допустимое рабочее напряжение для полимерных электронных конденсаторов называется «номинальным напряжением U _R ». Номинальное напряжение U _R — это максимальное постоянное напряжение или пиковое импульсное напряжение, которое может быть приложено непрерывно при любой температуре в пределах номинального температурного диапазона T _R .

Устойчивость электролитических конденсаторов к напряжению снижается с ростом температуры. Для некоторых применений важно использовать более высокий температурный диапазон. Снижение напряжения, приложенного при более высокой температуре, сохраняет запасы безопасности. Поэтому для некоторых типов конденсаторов стандарт IEC определяет «температурное пониженное напряжение» для более высокой температуры, «категориальное напряжение U _C ». Категориальное напряжение — это максимальное постоянное напряжение или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно подаваться на конденсатор при любой температуре в пределах температурного диапазона категории T _C . Соотношение между напряжениями и температурами показано на рисунке справа.

Применение напряжения, превышающего указанное значение, может привести к разрушению электролитических конденсаторов.

Применение более низкого напряжения может оказать положительное влияние на полимерные электролитические конденсаторы. Для гибридных полимерных Al-e-caps более низкое приложенное напряжение в некоторых случаях может продлить срок службы. ^[23] Для полимерных Ta-e-caps снижение приложенного напряжения увеличивает надежность и снижает ожидаемую частоту отказов. ^[52]

Соотношение между номинальной температурой T _R и номинальным напряжением U _R, а также температурой высшей категории T _C и пониженным напряжением категории U _C показано на рисунке справа.

Полимерные оксидные слои e-cap формируются в целях безопасности при более высоком напряжении, чем номинальное, называемом импульсным напряжением. Поэтому допускается применение импульсного напряжения в течение коротких промежутков времени и ограниченного числа циклов.

Импульсное напряжение указывает максимальное пиковое значение напряжения, которое может быть применено во время их применения в течение ограниченного числа циклов. ^[23] Импульсное напряжение стандартизировано в IEC 60384-1.

Для полимерных Al-e-caps импульсное напряжение составляет 1,15 номинального напряжения. Для полимерных Ta-e-caps импульсное напряжение может составлять 1,3 номинального напряжения, округленного до ближайшего вольта. ^[46]

Перенапряжение, приложенное к полимерным конденсаторам, может влиять на частоту отказов конденсаторов. ^{[53] [54] [55]}

Переходные процессы представляют собой быстрые и высокие скачки напряжения . Полимерные электролитические конденсаторы, алюминиевые, а также танталовые полимерные конденсаторы не выдерживают переходных процессов или пиковых напряжений, превышающих импульсное напряжение. Переходные процессы для этого типа электронных конденсаторов могут разрушить компоненты. ^{[46] [53] [54]}

Гибридные полимерные Al-e-caps относительно нечувствительны к высоким и кратковременным переходным напряжениям, превышающим импульсное напряжение, если частота и энергосодержание переходных процессов низки. ^{[1] [17]} Эта способность зависит от номинального напряжения и размера компонента. Низкие энергетические переходные напряжения приводят к ограничению напряжения, аналогичному стабилитрону [ ^56] Однозначная и общая спецификация допустимых переходных процессов или пиковых напряжений невозможна. В каждом случае возникновения переходных процессов применение должно оцениваться индивидуально.

Полимерные электролитические конденсаторы, как танталовые, так и алюминиевые полимерные конденсаторы являются поляризованными конденсаторами и обычно требуют, чтобы напряжение анодного электрода было положительным относительно напряжения катода. Тем не менее, они могут выдерживать в течение коротких мгновений обратное напряжение, зависящее от типа, в течение ограниченного числа циклов. ^{[57] [58]} Обратное напряжение, превышающее пороговое значение, зависящее от типа, приложенное в течение длительного времени к полимерному электролитному конденсатору, приводит к короткому замыканию и разрушению конденсатора.

Чтобы свести к минимуму вероятность неправильной установки поляризованного электролита в цепь, полярность должна быть очень четко указана на корпусе, см. раздел «Маркировка полярности» ниже.

См. также: Электролитический конденсатор#Импеданс и Электролитический конденсатор#ESR и коэффициент рассеяния tan δ

Импеданс — это комплексное отношение напряжения к току в цепи переменного тока , и выражается как сопротивление переменному току как по величине, так и по фазе на определенной частоте. В технических паспортах полимерных электролитических конденсаторов указывается только величина импеданса |Z| , которая просто записывается как «Z» . Что касается стандарта IEC 60384-1, значения импеданса полимерных электролитических конденсаторов измеряются и указываются при 100 кГц.

В особом случае резонанса , когда оба реактивных сопротивления X _C и X _L имеют одинаковое значение ( X _C = _XL ), импеданс будет определяться только эквивалентным последовательным сопротивлением ESR , которое суммирует все резистивные потери конденсатора. На частоте 100 кГц импеданс и ESR имеют почти одинаковое значение для полимерных электронных конденсаторов со значениями емкости в диапазоне мкФ. С частотами выше резонанса импеданс снова увеличивается из-за ESL конденсатора, превращая конденсатор в индуктор.

Импеданс и ESR, как показано на кривых, сильно зависят от используемого электролита. Кривые показывают постепенно снижающиеся значения импеданса и ESR "мокрых" Al-e-caps и MnO ₂ Ta-e-caps, Al/TCNQ и танталовых полимерных e-caps. Также показана кривая керамического конденсатора MLCC класса 2 с еще более низкими значениями Z и ESR, но емкость которого зависит от напряжения.

Преимуществом полимерных электронных конденсаторов перед нетвердыми Al-e-caps является низкая температурная зависимость и практически линейная кривая ESR в указанном диапазоне температур. Это относится как к полимерным танталу, полимерным алюминию, так и к гибридным полимерным алюминиевым электронным конденсаторам.

Импеданс и ESR также зависят от конструкции и материалов конденсаторов. Цилиндрические Al-e-caps с той же емкостью, что и прямоугольные Al-e-caps, имеют более высокую индуктивность, чем прямоугольные Al-e-caps со слоистыми электродами, и поэтому имеют более низкую резонансную частоту. Этот эффект усиливается многоанодной конструкцией, в которой отдельные индуктивности уменьшаются за счет их параллельного соединения ^{[47] [48]} и техники «лицом вниз». ^[49]

«Пульсирующий ток» — это среднеквадратичное значение (RMS) наложенного переменного тока любой частоты и любой формы кривой тока для непрерывной работы в указанном диапазоне температур. Он возникает в основном в источниках питания (включая импульсные источники питания ) после выпрямления переменного напряжения и протекает как ток заряда и разряда через развязывающий или сглаживающий конденсатор. ^[18]

Пульсирующие токи генерируют тепло внутри корпуса конденсатора. Эта рассеиваемая мощность потерь P _L вызвана ESR и представляет собой квадрат эффективного (RMS) пульсирующего тока I _R .

${\displaystyle P_{L}=I_{R}^{2}\cdot СОЭ}$

Это внутренне генерируемое тепло, дополнительное к температуре окружающей среды и другим внешним источникам тепла, приводит к более высокой температуре корпуса конденсатора с разницей температур Δ T по отношению к окружающей среде. Это тепло должно быть распределено в виде тепловых потерь P _th по поверхности конденсатора A и теплового сопротивления β по отношению к окружающей среде.

${\displaystyle P_{th}=\Delta T\cdot A\cdot \beta }$

Это тепло распространяется в окружающую среду посредством теплового излучения , конвекции и теплопроводности . Температура конденсатора, которая представляет собой чистый баланс между произведенным и распределенным теплом, не должна превышать максимальную указанную температуру конденсатора.

Пульсирующий ток для полимерных электронных конденсаторов определяется как максимальное эффективное (RMS) значение при 100 кГц при верхней номинальной температуре. Несинусоидальные пульсирующие токи должны быть проанализированы и разделены на их отдельные частоты с помощью анализа Фурье и суммированы квадратичным сложением для вычисления RMS значения. ^[59]

${\displaystyle I_{R}={\sqrt {{i_{1}}^{2}+{i_{2}}^{2}+{i_{3}}^{2}+{i_{n}}^{2}}}}$

Обычно значение пульсирующего тока рассчитывается для повышения температуры ядра на 2–6 °C по сравнению с окружающей средой в зависимости от типа и производителя. ^[60] Пульсирующий ток может быть увеличен при более низких температурах. Поскольку ESR зависит от частоты и увеличивается в диапазоне низких частот, пульсирующий ток должен быть уменьшен на более низких частотах. ^[61]

В полимерных конденсаторах Ta-e тепло, выделяемое пульсирующим током, влияет на надежность конденсаторов. ^{[62] [63] [64] [65]} Превышение предела может привести к катастрофическим отказам с короткими замыканиями и сгоранием компонентов.

Тепло, выделяемое пульсирующим током, также влияет на срок службы алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов с твердыми полимерными электролитами. ^{[18] [66]}

Тепло пульсирующего тока влияет на срок службы всех трех типов полимерных электронных конденсаторов. ^[18]

Полимерные танталовые электролитические конденсаторы чувствительны к пиковым или импульсным токам. ^{[53] [54]} Полимерные Ta-e-caps, которые подвергаются воздействию скачков, пиковых или импульсных токов, например, в высокоиндуктивных цепях, требуют снижения напряжения. По возможности профиль напряжения должен быть линейно нарастающим, так как это снижает пиковый ток, испытываемый конденсатором.

Гибридные полимерные Al-e-caps не имеют ограничений по току броска, пиковому или импульсному току. Однако суммарные токи не должны превышать указанный ток пульсации.

Постоянный ток утечки (DCL) является уникальной характеристикой для электролитических конденсаторов, которой нет у других обычных конденсаторов. Это постоянный ток, который течет при приложении постоянного напряжения правильной полярности. Этот ток представлен резистором R _leak параллельно конденсатору в последовательной эквивалентной цепи электронных конденсаторов. Основными причинами DCL для твердотельных полимерных конденсаторов являются, например, точки электрического пробоя диэлектрика после пайки, нежелательные токопроводящие пути из-за примесей или из-за плохого анодирования, а для прямоугольных типов — обход диэлектрика из-за избытка MnO ₂ , из-за путей влаги или катодных проводников (углерод, серебро). ^[67]

Спецификация тока утечки в техническом паспорте определяется путем умножения номинального значения емкости C _R на значение номинального напряжения U _R с добавлением некоторого числа, измеренного через 2 или 5 минут, например, формула для нетвердых алюминиевых конденсаторов:

${\displaystyle I_{\mathrm {Leak} }=0{.}01\,\mathrm {{A} \over {V\cdot F}} \cdot U_ {\ mathrm {R} } \cdot C_ {\ mathrm {R} }+3\,\mathrm {\mu A} }$

Ток утечки в твердотельных полимерных электронных конденсаторах обычно падает очень быстро, но затем остается на достигнутом уровне. Значение зависит от приложенного напряжения, температуры, времени измерения и влияния влаги, вызванной условиями герметизации корпуса.

Полимерные e-caps имеют относительно высокие значения тока утечки. Этот ток утечки не может быть уменьшен путем «лечения» в смысле создания нового оксида, поскольку в нормальных условиях полимерные электролиты не могут поставлять кислород для процессов формования. Отжиг дефектов в диэлектрическом слое может быть осуществлен только путем локального перегрева и испарения полимера. Значения тока утечки для полимерных электролитных конденсаторов составляют от 0,2 C _R U _R до 0,04 C _R U _R в зависимости от производителя и серии. Таким образом, значение тока утечки для полимерных конденсаторов выше, чем для «мокрых» Al-e-caps и MnO ₂ Ta-e-caps.

Этот недостаток более высокой утечки тока твердых полимерных Al-e-caps устраняется гибридными Al-e-caps. Их жидкий электролит обеспечивает кислород, необходимый для реформирования оксидных дефектов, так что гибриды достигают тех же значений, что и влажные Al-e-caps. ^{[17] [18]}

Диэлектрическая абсорбция происходит, когда конденсатор, который оставался заряженным в течение длительного времени, разряжается только не полностью при кратковременной разрядке. Хотя идеальный конденсатор достиг бы нуля вольт после разрядки, реальные конденсаторы вырабатывают небольшое напряжение из-за задержанной во времени дипольной разрядки, явления, которое также называется диэлектрической релаксацией , «пропитыванием» или «действием батареи».

Для полимерных танталовых, а также алюминиевых электролитических конденсаторов данные по диэлектрической абсорбции отсутствуют.

Надежность компонента — это свойство, которое показывает, насколько надежно этот компонент выполняет свою функцию в течение определенного интервала времени. Оно подвержено стохастическому процессу и может быть описано качественно и количественно, но не может быть напрямую измерено. Надежность электролитических конденсаторов определяется эмпирически путем определения интенсивности отказов в производстве, сопровождающем испытания на выносливость . Надежность обычно отображается в виде кривой ванны и делится на три области: ранние отказы или отказы, связанные с младенческой смертностью, постоянные случайные отказы и отказы из-за износа. Отказы, суммируемые в интенсивности отказов, — это отказы из-за короткого замыкания, обрыва цепи и деградации (превышение электрических параметров). Для полимерных Ta-e-caps на интенсивность отказов также влияет последовательный резистор цепи, который не требуется для полимерных Al-e-caps.

Миллиарды часов тестовых единиц необходимы для проверки частоты отказов в диапазоне очень низкого уровня, который требуется сегодня для обеспечения производства большого количества компонентов без отказов. Это требует около миллиона единиц, проверенных в течение длительного периода, что означает большой штат и значительное финансирование. ^[68] Проверенные частоты отказов часто дополняются обратной связью с места от крупных пользователей (частота отказов в месте), что в основном снижает оценки частоты отказов

По историческим причинам единицы измерения интенсивности отказов Ta-e-caps и Al-e-caps различны. Для Al-e-caps прогноз надежности обычно выражается в интенсивности отказов λ , с единицей измерения Отказы за время ( FIT ) при стандартных условиях эксплуатации 40 °C и 0,5 U _R в течение периода постоянных случайных отказов. Это количество отказов, которое можно ожидать за один миллиард (10 ⁹ ) часов работы компонента (например, 1000 компонентов за 1 миллион часов или 1 миллион компонентов за 1000 часов, что составляет 1 ppm/1000 часов) при стандартных условиях эксплуатации. Эта модель интенсивности отказов неявно предполагает, что отказы случайны. Отдельные компоненты выходят из строя в случайные моменты времени, но с предсказуемой скоростью. Обратное значение FIT — это Среднее время между отказами ( MTBF ) .

Для Ta-e-caps частота отказов "F _Ta " указывается в единицах "n % отказов за 1000 часов" при 85 °C, U = U _R и сопротивлении цепи 0,1 Ом/В. Это процент отказов, который можно ожидать за 1000 часов работы в гораздо более сложных условиях эксплуатации по сравнению с моделью "FIT". Частота отказов "λ" и "F _Ta " зависят от условий эксплуатации, включая температуру, приложенное напряжение и различные факторы окружающей среды, такие как влажность, удары или вибрации, а также от значения емкости конденсатора. ^[52] Частота отказов является возрастающей функцией температуры и приложенного напряжения.

Коэффициенты отказов твердых Ta-e-caps и «мокрых» Al-e-caps можно пересчитать с помощью коэффициентов ускорения, стандартизированных для промышленных ^[69] или военных ^[70] контекстов. Последний установлен в промышленности и часто используется для промышленных применений. Однако для полимерных Ta-e-caps и полимерных Al-e-caps по состоянию на 2016 год коэффициенты ускорения не публиковались. Таким образом, пример пересчета коэффициента отказов танталовых конденсаторов F _Ta в коэффициент отказов λ можно привести только путем сравнения стандартных конденсаторов. Пример:

Интенсивность отказов F _Ta = 0,1%/1000 ч при 85 °C и U = U _R следует пересчитать в интенсивность отказов λ при 40 °C и U = 0,5  U _R .

Используются следующие коэффициенты ускорения из MIL-HDBK 217F:

F _U = коэффициент ускорения напряжения, для U = 0,5  U _R равен F _U = 0,1

F _T = коэффициент ускорения температуры, для T = 40 °C F _T = 0,1

F _R = коэффициент ускорения для последовательного сопротивления _RV , при том же значении он = 1

Из этого следует

λ = FTa _x FU x _FT x _FR​

λ = (0,001/1000 ч) × 0,1 × 0,1 × 1 = 0,00001/1000 ч = 1•10−9 ^/ ч = 1 ПОДБИРАЕМ

По состоянию на 2015 год опубликованные показатели интенсивности отказов для полимерных танталовых и полимерных алюминиевых конденсаторов находятся в диапазоне от 0,5 до 20 FIT. Эти уровни надежности в пределах расчетного срока службы сопоставимы с другими электронными компонентами и обеспечивают безопасную работу в течение десятилетий в нормальных условиях.

Срок службы , срок службы , срок службы под нагрузкой или полезный срок службы электролитических конденсаторов является особой характеристикой нетвердых электролитических конденсаторов, жидкий электролит которых может испаряться с течением времени, что приводит к отказам из-за износа. Твердые танталовые конденсаторы с электролитом MnO ₂ не имеют механизма износа, поэтому постоянная интенсивность отказов сохраняется по крайней мере до момента выхода из строя всех конденсаторов. Они не имеют спецификации срока службы, как нетвердые Al-e-caps.

Однако полимерные танталовые, а также полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы имеют спецификацию срока службы. Полимерный электролит имеет небольшое ухудшение проводимости из-за механизма термической деградации проводящего полимера. Электропроводность уменьшается как функция времени, в соответствии со структурой гранулированного типа металла, в которой старение происходит из-за усадки зерен проводящего полимера. ^[66]

Время функциональности конденсаторов (полезный срок службы, срок службы под нагрузкой, срок службы) проверяется с помощью ускоренного испытания на выносливость в соответствии с IEC 60384-24/-25/-26 ^[71] с номинальным напряжением при температуре верхней категории. Условия испытания для прохождения испытания:

• отсутствие короткого замыкания или обрыва цепи
• снижение емкости менее чем на 20%
• увеличение СОЭ, импеданса или коэффициента потерь менее чем в 2 раза

Указанные пределы для отказов деградации полимерных конденсаторов гораздо ближе, чем для нетвердых Al-e-caps. Это означает, что поведение срока службы полимерных e-caps гораздо более стабильно, чем для влажных Al-e-caps.

Срок службы полимерных конденсаторов определяется в терминах, аналогичных срокам службы нетвердых Al-e-caps, в часах при максимальном напряжении и температуре, например: 2000 ч/105 °C. Это значение можно использовать для оценки срока службы в индивидуальных условиях по формуле, называемой «правилом 20 градусов»: ^{[72] [73] [74]}

${\displaystyle L_{x}=L_{\text{Spec}}\cdot 10^{\frac {T_{0}-T_{A}}{20}}}$

• L _x = срок службы, подлежащий оценке
• L _Spec = указанный срок службы (срок полезного использования, срок службы под нагрузкой, срок службы)
• T ₀ = верхняя категория температуры (°C)
• T _A = температура (°C) корпуса электронного конденсатора или температура окружающей среды вблизи конденсатора

Это правило характеризует изменение скорости термических полимерных реакций в пределах заданных пределов деградации. Согласно этой формуле теоретически ожидаемый срок службы полимерного конденсатора 2000 ч/105 °C, работающего при 65 °C, может быть рассчитан (лучше оценен) примерно в 200 000 часов или около 20 лет.

Для гибридных полимерных Al-e-caps правило 20 градусов не применяется. Ожидаемый срок службы этих полимерных гибридных e-caps можно рассчитать с помощью правила 10 градусов . Для вышеуказанных условий e-caps с жидким электролитом могут рассчитывать на срок службы 32 000 часов или приблизительно 3,7 года.

Полимерные конденсаторы, как танталовые, так и алюминиевые, надежны на том же высоком уровне, что и другие электронные компоненты с очень низкими показателями отказов. Однако все танталовые электролитические конденсаторы, включая полимерный тантал, имеют уникальный режим отказа, называемый «полевая кристаллизация». ^[75]

Полевая кристаллизация является основной причиной деградации и катастрофических отказов твердотельных танталовых конденсаторов. ^[76] Более 90% сегодняшних редких отказов Ta-e-caps вызваны короткими замыканиями или повышенным током утечки из-за этого режима отказа. ^[77]

Чрезвычайно тонкая оксидная пленка танталового электролитического конденсатора, диэлектрический слой, должна быть сформирована как аморфная структура. Изменение аморфной структуры в кристаллическую структуру увеличивает проводимость, как сообщается, в 1000 раз, а также увеличивает объем оксида. ^{[26] [78]}

Кристаллизация поля, сопровождаемая пробоем диэлектрика , характеризуется внезапным ростом тока утечки в течение нескольких миллисекунд от величины наноампера до величины ампера в цепях с низким импедансом. Увеличение тока может быть ускорено как «лавинный эффект» и быстро распространяться по металлу/оксиду. Это может привести к различным степеням разрушения, начиная от довольно небольших, обожженных участков на оксиде до зигзагообразных обожженных полос, покрывающих большие площади гранулы или полного окисления металла. ^{[79] [80] Если источник тока неограничен, кристаллизация поля может вызвать} короткое замыкание конденсатора . Однако, если источник тока ограничен, в твердых MnO ₂ Ta-e-caps происходит процесс самовосстановления, окисляющий MnO ₂ в изолирующий Mn ₂ O ₃

В полимерных Ta-e-caps возгорание не представляет риска. Однако может произойти полевая кристаллизация. В этом случае полимерный слой селективно нагревается и выгорает под действием увеличивающегося тока утечки, так что неисправная точка оказывается изолированной. Поскольку полимерный материал не обеспечивает кислород, ток утечки не может ускориться. Однако неисправная область больше не вносит вклад в емкость конденсатора.

Полимерные Al-e-caps демонстрируют тот же механизм самовосстановления, что и полимерные Ta-e-caps. После приложения напряжения к ослабленным местам в оксиде образуется локализованный путь более высокого тока утечки. Это приводит к локальному нагреву полимера; в результате чего полимер либо окисляется и становится высокоомным, либо испаряется. Кроме того, гибридные полимерные Al-e-caps демонстрируют этот механизм самовосстановления. Однако жидкий электролит может течь к неисправному месту и может доставлять кислород для создания нового диэлектрического оксида. Это является причиной относительно низких значений тока утечки для гибридных полимерных конденсаторов.

Различные типы полимерных электролитических конденсаторов демонстрируют различия в электрическом долгосрочном поведении, присущих им режимах отказа и механизме самовосстановления. Для обеспечения безопасной эксплуатации производители рекомендуют различные правила применения, ориентированные на поведение типа, см. следующую таблицу:

Символы электролитических конденсаторов

Электролитический конденсатор	Электролитический конденсатор	Электролитический конденсатор

Маркировка полярности полимерных электролитических конденсаторов

Прямоугольные полимерные конденсаторы, как танталовые, так и алюминиевые, имеют маркировку полярности на анодной ( плюсовой ) стороне.	Цилиндрические полимерные конденсаторы имеют маркировку полярности на катодной ( минусовой ) стороне.

Полимерные электролитические конденсаторы, при наличии достаточного места, имеют кодированную печатную маркировку, указывающую

• наименование или товарный знак производителя;
• обозначение типа изготовителя;
• полярность
• номинальная емкость;
• допуск на номинальную емкость
• номинальное напряжение
• климатическая категория или номинальная температура;
• год и месяц (или неделя) изготовления;

Для очень маленьких конденсаторов маркировка невозможна.

Код маркировки различается у разных производителей.

Стандартизация электронных компонентов и связанных с ними технологий следует правилам, установленным Международной электротехнической комиссией (МЭК), ^[82] некоммерческой , неправительственной международной организацией по стандартизации . ^{[83] [84]}

Определение характеристик и порядок проведения методов испытаний конденсаторов для использования в электронном оборудовании изложены в Общих технических условиях :

• IEC/EN 60384-1 – Конденсаторы постоянной емкости для использования в электронном оборудовании

Испытания и требования, которым должны соответствовать полимерные танталовые и полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы, предназначенные для использования в электронном оборудовании с целью утверждения в качестве стандартизированных типов, изложены в следующих разделах технических условий :

• IEC/EN 60384-24 — Конденсаторы танталовые электролитические фиксированной емкости для поверхностного монтажа с твердым электролитом из проводящего полимера
• IEC/EN 60384-25 — Алюминиевые электролитические конденсаторы фиксированной емкости для поверхностного монтажа с твердым электролитом из проводящего полимера
• IEC/EN 60384-26 — Алюминиевые электролитические конденсаторы постоянной емкости с проводящим полимерным твердым электролитом

Характеристики ESR и ESL полимерных электролитических конденсаторов приближаются к характеристикам конденсаторов MLCC. Напротив, удельная емкость конденсаторов Class 2-MLCC приближается к танталовым чип-конденсаторам. ^{[85] [86]} Однако, помимо этой увеличивающейся сопоставимости, существуют аргументы в пользу или против определенных типов конденсаторов. Многие производители конденсаторов составляют эти решающие аргументы своих технологий против конкурентов в презентациях и статьях, ^[87] например:

• Электронные конденсаторы из Al-Polymer против MLCC: Panasonic ^[88]
• MLCC против полимерных и «мокрых» электронных колпачков: Мурата ^{[89] [90]}
• Электронные колпачки из алюминиевого полимера против «мокрых» электронных колпачков: NCC, ^[18] NIC ^[1]
• Электронные колпачки Ta-Polymer против стандартных твердых электронных колпачков Ta-MnO _{2 : Kemet} ^[91]

По состоянию на июль 2016 г.

• Ниобиевый конденсатор
• Электролитический конденсатор SAL
• Танталовый конденсатор
• Типы конденсаторов