Les condensateurs au tantale sont-ils sûrs pour une utilisation dans les nouvelles conceptions?

J'ai entendu dire que les condensateurs à "tantale solide" sont dangereux, peuvent provoquer des incendies, des courts-circuits et des conséquences fatales, même pour de très courtes pointes de surtension.

Les condensateurs au tantale sont-ils fiables?

Sont-ils sûrs pour une utilisation dans les circuits généraux et les nouvelles conceptions?

Sommaire:

"Lorsqu'ils sont utilisés correctement", les condensateurs au tantale sont extrêmement fiables.
Ils présentent l'avantage d'une capacité volumique élevée et de bonnes caractéristiques de découplage en raison d'une résistance interne et d'une inductance relativement faibles par rapport aux solutions traditionnelles telles que les condensateurs électrolytiques humides en aluminium.

Le "catch" est dans le qualificatif "lorsqu'il est utilisé correctement".
Les condensateurs au tantale ont un mode de défaillance qui ne peut être déclenché par des pointes de tension que «légèrement plus» que leur valeur nominale. Lorsqu'il est utilisé dans des circuits pouvant fournir une énergie substantielle à la défaillance du condensateur, il peut en résulter une fuite de chaleur, une flamme et une explosion du condensateur, ainsi qu'un court-circuit à faible résistance des bornes du condensateur.

Pour être "sûr", les circuits dans lesquels ils sont utilisés doivent avoir une conception rigoureuse et les conditions de conception doivent être respectées. Cela "ne se produit pas toujours".
Les condensateurs au tantale sont «suffisamment sûrs» entre les mains de véritables experts, ou dans des circuits peu exigeants, et leurs avantages les rendent attractifs. Des alternatives telles que les condensateurs «en aluminium massif » présentent des avantages similaires et ne disposent pas du mode de défaillance catastrophique.

Beaucoup de condensateurs au tantale modernes ont des mécanismes de protection intégrés qui implémentent des fusions de différentes sortes, conçues pour déconnecter le condensateur de ses bornes en cas de défaillance et pour limiter la carbonisation de la carte dans la plupart des cas.
Si «quand», «limite» et «la plupart» sont des critères de conception acceptables et / ou si vous êtes un expert en conception, si votre usine fonctionne toujours correctement et si votre environnement d'application est toujours bien compris, les condensateurs au tantale peuvent être un bon choix pour vous. .

Plus long:

Les condensateurs au tantale solide sont potentiellement des catastrophes imminentes.
Une conception et une mise en œuvre rigoureuses garantissant le respect de leurs exigences permettent de générer des conceptions extrêmement fiables. Si vos situations réelles sont toujours garanties de ne pas avoir d'exceptions non spécifiées, les bouchons de tantale peuvent également vous convenir.

Certains condensateurs au tantale modernes sont dotés de mécanismes intégrés d'atténuation des défaillances (par opposition à la prévention). Dans un commentaire sur une autre question d'échange de piles, Spehro a noté:

• La fiche technique des bouchons Polymère-Tantale de Kemet indique (en partie): "Le KOCAP présente également un mode de défaillance bénigne qui élimine les défaillances de l'allumage pouvant survenir dans les types de tantale MnO2 standard.".

  Étrangement, je ne trouve rien sur la fonctionnalité «défaillance d'allumage» dans leurs autres fiches techniques.

Les condensateurs électrolytiques au tantale solide ont traditionnellement eu un mode de défaillance qui rend leur utilisation douteuse dans les circuits à haute énergie qui ne peuvent pas ou n'ont pas été rigoureusement conçus pour éliminer toute possibilité que la tension appliquée dépasse la tension nominale de plus d'un faible pourcentage.

Les bouchons de tantale sont généralement fabriqués en frittant des granules de tantale pour former un ensemble continu d'une immense surface par volume, puis en formant une mince couche diélectrique sur la surface extérieure par un processus chimique. Ici, "mince" prend un nouveau sens - la couche est suffisamment épaisse pour éviter les pannes à la tension nominale - et suffisamment mince pour être percée par des tensions ne dépassant pas très largement la tension nominale. Par exemple, pour un plafond évalué à 10 V, le fonctionnement avec des pointes de 15 V appliquées peut être parfait avec la roulette russe. Contrairement aux capsules électrolytiques humides en Al, qui ont tendance à se guérir automatiquement lorsque la couche d'oxyde est perforée, le tantale n'a pas tendance à guérir. De petites quantités d'énergie peuvent entraîner des dommages localisés et la suppression du chemin de conduction. Lorsque le circuit fournissant de l'énergie au capuchon est en mesure de fournir une énergie substantielle, le capuchon est capable d'offrir un court-circuit de résistance correspondant et une bataille commence. Cela peut entraîner des odeurs, de la fumée, des flammes, du bruit et des explosions. J'ai vu tout cela se produire de manière séquentielle en un seul échec. D'abord, il y avait une mauvaise odeur déroutante pendant peut-être 30 secondes. Puis un grand cri, puis un jet de flamme pendant peut-être 5 secondes avec un son doux et gratifiant, puis une explosion impressionnante. Tous les échecs ne sont pas aussi satisfaisants. puis un jet de flamme pendant peut-être 5 secondes avec un son doux et gratifiant, puis une explosion impressionnante. Tous les échecs ne sont pas aussi satisfaisants. puis un jet de flamme pendant peut-être 5 secondes avec un son doux et gratifiant puis une explosion impressionnante. Tous les échecs ne sont pas aussi satisfaisants.

Lorsque l'absence totale de surtensions et de pics d'énergie élevés ne peut pas être garantie, ce qui serait le cas dans de nombreux, sinon la plupart des circuits d'alimentation, l'utilisation de capuchons électrolytiques solides au tantale serait une bonne source d'appels de service (ou de services urgents). D'après la référence de Spehro, Kemet aurait peut-être supprimé les aspects les plus excitants de ces défaillances. Ils mettent toujours en garde contre les surtensions minimes.

Quelques échecs du monde réel:

Wikipedia - condensateurs au tantale

• La plupart des condensateurs au tantale sont des dispositifs polarisés, avec des bornes positives et négatives distinctement marquées. Lorsqu'il est soumis à une polarité inversée (même brièvement), le condensateur se dépolarise et la couche d'oxyde diélectrique se décompose, ce qui peut provoquer sa défaillance même après un fonctionnement ultérieur avec la polarité correcte. Si la défaillance est un court-circuit (l'événement le plus fréquent) et que le courant n'est pas limité à une valeur sûre, un emballement thermique catastrophique peut survenir (voir ci-dessous).

Kemet - Notes d'application sur les condensateurs au tantale

• Lisez la section 15, page 79 et partez les mains en vue.

AVX - Règles de déclassement de la tension pour les condensateurs solides au tantale et au niobium

• Pendant de nombreuses années, chaque fois que des personnes ont demandé aux fabricants de condensateurs au tantale de formuler des recommandations générales sur l’utilisation de leur produit, il a été convenu qu’un déclassement minimum de 50% de la tension devrait être appliqué. Cette règle empirique est depuis devenue la directive de conception la plus répandue pour la technologie au tantale. Cet article revient sur cette affirmation et explique, compte tenu de la compréhension de l'application, pourquoi ce n'est pas nécessairement le cas.

  Avec l'introduction récente des technologies de condensateur à base de niobium et d'oxyde de niobium, la discussion sur le déclassement a également été étendue à ces familles de condensateurs.

FAQ sur les condensateurs au tantale solide Vishay

• . QUELLE EST LA DIFFERENCE ENTRE UN CONDENSATEUR DE TANTALE STANDARD ET NON FUSIF (VISHAY SPRAGUE 893D) (VISHAY SPRAGUE 293D ET 593D)?

  R. La série 893D a été conçue pour fonctionner dans des applications à courant élevé (> 10 A) et utilise un mécanisme de fusion «électronique». ... Le fusible 893D ne «s'ouvrira» pas en dessous de 2 A car l'I2R est en dessous de l'énergie requise pour l'activer. Entre 2 et 3 A, le fusible finira par s'activer, mais des condensations et une «carbonisation» du circuit imprimé risquent de se produire. En résumé, les condensateurs 893D sont parfaits pour les circuits à forte intensité dans lesquels une "panne" de condensateur peut entraîner une panne du système.

  Les condensateurs de type 893D empêchent la carbonisation du condensateur ou de la carte de circuit et préviennent généralement toute interruption du circuit pouvant être associée à une défaillance du condensateur. Un condensateur «en court-circuit» sur la source d'alimentation peut provoquer des transitoires de courant et / ou de tension pouvant déclencher l'arrêt du système. Le temps d'activation du fusible 893D est suffisamment rapide dans la plupart des cas pour éliminer les pertes de courant ou les variations de tension excessives.

Guide de condensateur - condensateurs au tantale

• … L’inconvénient de l’utilisation des condensateurs au tantale réside dans leur mode de défaillance défavorable qui peut entraîner des emballages thermiques, des incendies et de petites explosions, mais il est possible de l’éviter en utilisant des dispositifs externes à sécurité intégrée tels que des limiteurs de courant ou des fusibles thermiques.

Quel cap-astrophe

• Je travaillais chez un fabricant confronté à une défaillance inexpliquée du condensateur au tantale. Ce n’était pas que les condensateurs échouaient, mais l’échec était catastrophique et rendait les PCB (cartes de circuits imprimés) irréfutables. Il semblait n'y avoir aucune explication. Nous n’avons trouvé aucun problème d’utilisation erronée de cette petite carte électronique dédiée pour micro-ordinateurs. Pire encore, le fournisseur nous a blâmés.

  J'ai effectué des recherches sur Internet sur les défaillances des condensateurs au tantale et j'ai constaté que les pastilles des condensateurs au tantale contenaient des défauts mineurs qui devaient être éliminés au cours de la fabrication. Dans ce processus, la tension est augmentée progressivement à travers une résistance jusqu'à la tension nominale plus une bande de garde. La résistance en série empêche les emballages thermiques incontrôlés de détruire le culot. J'ai également appris que souder des BPC à des températures élevées pendant la fabrication provoque des contraintes pouvant entraîner des microfractures à l'intérieur de la pastille. Ces microfractures peuvent à leur tour conduire à une défaillance des applications à basse impédance. Les microfractures réduisent également la tension nominale de l'appareil, de sorte que l'analyse des défaillances indique une défaillance classique par surtension. ...

Apparenté, relié, connexe:

AVX - montée en puissance des condensateurs au tantale solides

Modes et mécanismes de défaillance dans les condensateurs au tantale solides - Résumé Sprague / IEEE uniquement. - Ancien 1963.

AVX - MODES DE DÉFAILLANCE DE CONDENSATEURS DE TANTALE RÉALISÉS PAR DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES - Age? - vers 2001?

Effet de l'humidité sur les caractéristiques des condensateurs au tantale solides montés en surface - NASA avec assistance AVX - vers 2002?

Hearst - Comment repérer des composants contrefaits

Parfois c'est facile :-):

Ajouté 1/2016:

Apparenté, relié, connexe:

Testez la polarité inversée pour les condensateurs de boîte métalliques en aluminium humide standard.

Bref:

Pour que la polarité soit correcte, le potentiel est ~ = la masse. En cas de polarité inversée, un pourcentage important de tension appliquée peut être utilisé.
Un test très fiable dans mon expérience.

Plus long:

Pour les capsules d’aluminium std humides, j’ai découvert il ya longtemps un test d’insertion inverse que je n’ai jamais vu mentionné ailleurs, mais qui est probablement suffisamment connu. Cela fonctionne pour les capuchons où le métal peut être utilisé pour les tests - la plupart ont un point clair pratique en haut au centre en raison de la façon dont le manchon est ajouté.

Mettre le circuit sous tension et mesurer les tensions de la terre à la canette de chaque bouchon. Ceci est un test très rapide avec un voltmètre - fil à la terre et des boîtes de conserve à fermeture à glissière.

• Les casquettes de polarité correcte peuvent être presque au sol.

• Les capsules de polarité inversée ont des boîtes de conserve à une fraction de l’offre - peut-être ~~~ = 50%.

Fonctionne de manière fiable dans mon expérience.

Vous pouvez généralement vérifier à l'aide des marquages ​​de boîtes de conserve, mais cela dépend de l'orientation claire et claire de l'orientation souhaitée. Bien que cela soit généralement cohérent dans un bon design, cela n’est jamais certain.

Avec l’avènement des condensateurs céramiques X5R et X7R (diélectriques raisonnables) de grande valeur peu coûteux (10uF et plus, évalués à 6,3, 10, 16V, etc.), il semble y avoir beaucoup moins de raisons de considérer les condensateurs au tantale.

Une des différences est que les capsules de tantale ont une ESR de l’ordre des ohms. Sur certains régulateurs de LDO, c'est un avantage, dans la mesure où le LDO n'oscille pas comme une banshee. Dans de tels cas, je préférerais utiliser un condensateur en céramique et une résistance en série.

Sur certains circuits analogiques sensibles, je pense qu’il peut y avoir un avantage aux tantales par rapport aux bouchons en céramique en microphonique réduite (dans les bouchons en céramique, en raison de l’activité piézoélectrique).

Une directive pour les utiliser: si le courant traversant le plafond est strictement limité en cas de panne, continuez.

Limité à quoi? Je suggérerais 0.1A. Je me méfierais de les utiliser pour découpler un rail de ravitaillement supérieur ou égal à 1A et ne les utiliserais pas personnellement pour un ravitaillement supérieur ou égal à 10A. (J'y suis allé, j'ai vu le feu d'artifice; les photos de Russell ne sont pas exagérées.) Je dois dire que je n'ai aucune preuve tangible d'un courant réellement "sans danger" et que des commentaires sur ces chiffres seraient les bienvenus.

Mais de nombreuses alimentations ou tensions de polarisation dans les circuits analogiques ont des impédances de source relativement élevées ou des courants strictement limités, et je les utiliserais ici.

EDIT basé sur de nouvelles informations (pour moi!) ...

Au moins un fabricant propose des condensateurs à l' oxyde de niobium dans des conditionnements et une gamme de valeurs et de tensions très similaires. Dans ce qui pourrait être interprété comme une admission tacite des problèmes de tantale décrits ici, la fiche technique contient la déclaration "Un échec pour OxiCap® ne va pas brûler jusqu'à la tension de la catégorie" et un joli petit logo ...

[Clause de non-responsabilité: je n'ai ni utilisé ces condensateurs, ni tenté de vérifier l'allégation!]

Une petite note sur "pourquoi le tantale plutôt que les grandes sociétés de crédit de marché":

Les MLCC avec X5R et diélectriques similaires sont caractérisés avec un biais de 0V. Cependant, lorsque vous utilisez par exemple 100% de la tension nominale, la capacité différentielle effective ne peut être que de 10% de la valeur nominale (!). Surtout les très petites capitalisations avec une tension nominale élevée montrent une diminution spectaculaire de la capacité en cas de polarisation.

Exemple 1: 0402 MLCC, X5R, 10µF, 6,3V: 3,5µF laissés à environ 3V.

Exemple 2: 0402 MLCC, X5R, 2,2µF, 25V: 1,0µF (!) Laissé à environ 3V.

Ces données sont bien montrées dans les feuilles de données en ligne de TDK.

Quelques éléments supplémentaires de mon côté:
Oui, on peut affirmer que les capsules de tantale sont sans danger.
Ils ne sont pas seulement utilisés dans l'environnement «rude» des appareils portables grand public (ordinateurs portables, smartphones - je n'ai jamais entendu parler d'incendie dans un smartphone en raison des bouchons), mais ils sont également utilisés dans les implants médicaux tels que les stimulateurs cardiaques, les implants cochléaires ou les vertèbres. stimulateurs de cordon.

En ce qui concerne la fiabilité, la tension de fonctionnement a l'impact le plus fort (beaucoup plus que la température). Le facteur d'accélération est
AF = exp {(V / VR-1) * 18.772} selon le document NASA suivant: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110015254.pdf

Pour les implants médicaux, le déclassement proposé par exemple par Vishay est de 40% (vous utiliseriez donc un plafond de 16 V pour les régimes 10 V ou 10 V pour les applications 6 V). Selon la formule supérieure, l’augmentation de la durée de vie est un facteur de 1140.

Pls. Gardez toujours à l'esprit qu'il n'y a pas de système qui n'échouera pas: la seule question est le moment de l'erreur cumulée. J'ai fait ma thèse de maîtrise chez Infineon. Je pense pouvoir me rappeler que les MOSFET dans les systèmes automobiles critiques pour la sécurité présentaient un taux de défaillance autorisé de 10 ppm en moins de 10 000 heures avec une utilisation maximale. conditions (température et tension)

Il peut y avoir des applications à espace limité où le bronzage est meilleur, mais c'est à peu près tout. J'évite le bronzage si je peux. Les parties communes échouent en laissant sortir la fumée. Ils n'aiment pas les surintensités élevées, ce qui en fait un mauvais choix pour la plupart des filtres d'alimentation. Utilisez au moins la partie de la tension la plus élevée possible. Ils n'aiment pas l'humidité élevée qui peut nuire à l'auto-guérison. Les céramiques se sont améliorées et peuvent les remplacer dans de nombreuses applications, tout comme les aluminums à certains moments.