Capacitor de tântalo - DEMAR - USP

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – USPESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENAEletrônica e InstrumentaçãoCapacitores de TântaloLorena2010Julio César Lourenço 08M003 6404001Christian Gauss 08M021 6403981

Introdução ao Tântalo:O tântalo foi descoberto pelo químico sueco Ekberg no ano de 1802. Seu nome foi baseado na figuramitológica grega Tantalus em virtude das grandes dificuldades encontradas para dissolver o óxido dometal em ácidos. O pó de tantalo foi obtido pela primeira vez em 1824 por Berzelius pela redução dofluoreto de potássio e tântalo.O tântalo é um metal cinzento, pesado, dúctil, muito duro, resistente a corrosão por ácidos e um bomcondutor de calor e eletricidade. Em temperaturas abaixo de 150 °C o tântalo é quase completamenteimune ao ataque químico, mesmo pela agressiva água régia. Somente é atacado pelo ácido fluorídrico,ácido que contem o íon fluoreto ou mediante fusão alcalina. O elemento tem um ponto de fusão apenasmenor que o do tungstênio e o rênio. O tântalo tem a maior capacitância por volume entre todas assubstâncias. Assemelha-se ao nióbio, podendo ser encontrados nos minerais columbita-tantalita. Alcançao estado de oxidação máximo do grupo: +5.O principal uso do tântalo é como óxido , um material dielétrico, para a produção de componenteseletrônicos, principalmente capacitores, que são muito pequenos em relação a sua capacidade. Por causadesta vantagem do tamanho e do peso, os principais usos para os capacitores de tântalo incluem telefones,pagers, computadores pessoais, e eletrônicos automotivosO tântalo também é usado para produzir uma série de ligas que possuem altos pontos de fusão, altaresistência e boa ductilidade. O tântalo de carbono , um tipo de carbeto muito duro, é usado para produzirferramentas de cortes, furadeiras e máquinas trefiladoras. O tântalo em superligas, é usado para produzircomponentes de motores de jatos, equipamentos para processos químicos, peças de mísseis e reatoresnucleares. Filamentos de tântalo são usados para a evaporação de outros metais como o alumínio.Por ser não-irritante e totalmente imune à ação dos fluidos corporais, é usado extensivamente paraproduzir equipamentos e implantes cirúrgicos em medicina e odontologia. O óxido de tântalo é usado paraelevar o índice de refração de vidros especiais para lentes de câmera. O metal também é usado paraproduzir peças eletrolíticas de fornalhas de vácuo.

Introdução ao capacitor:O capacitor é um componente constituído por dois condutores separados por um isolante: os condutoressão chamados armaduras (ou placas) do capacitor e o isolante é o dielétrico do capacitor. Costuma-se darnome a esses aparelhos de acordo com a forma de suas armaduras. Assim temos capacitor plano (Fig-1),capacitor cilíndrico (Fig-2), capacitor esférico etc. O dielétrico pode ser um isolante qualquer como ovidro, a parafina, o papel e muitas vezes é o próprio ar. Nos diagramas de circuitos elétricos o capacitor érepresentado da maneira mostrada na Fig-3.Um capacitor apresenta uma característica elétrica dominante que é simples, elementar. Apresenta umaproporcionalidade entre corrente entre seus terminais e a variação da diferença de potencial elétrico nosterminais. Ou seja, possui uma característica elétrica dominante com a natureza de uma capacitância. Umcapacitor é fundamentalmente um armazenador de energia sob a forma de um campo eletrostático.A capacitância de um capacitor, é uma constante característica do componente, assim, ela vai depender decertos fatores próprios do capacitor. A área das armaduras, por exemplo, influi na capacitância, que étanto maior quanto maior for o valor desta área. Em outras palavras, a capacitância C é proporcional àárea A de cada armadura, ou seja: C∝A.A espessura do dielétrico é um outro fator que influi na capacitância. Verifica-se que quanto menor for adistância d entre as armaduras maior será a capacitância C do componente, isto é: C∝1/d.Este fato também é utilizado nos capacitores modernos, nos quais se usam dielétricos de grande poder deisolamento, com espessura bastante reduzida, de modo a obter grande capacitância.

A capacitância de um capacitor é dada pela equação:C = ke 0 . A/dOnde: C: Capacitância ke 0 : Constante dielétrica d: Distância entre as superfícies condutoras A: Área dos condutores.Capacitores são utilizados com o fim de eliminar sinais indesejados, oferecendo um caminho mais fácilpelo qual a energia associada a esses sinais espúrios pode ser escoada, impedindo-a de invadir o circuitoprotegido. Nestas aplicações, normalmente quanto maior a capacitância melhor o efeito obtido e podemapresentar grandes tolerâncias.Já capacitores empregados em aplicações que requerem maior precisão, tais como os capacitoresque determinam a freqüência de oscilação de um circuito, possuem tolerâncias menores.Existem diversos tipos de capacitores. Os mais comuns são: Capacitores de mica Capacitores de papel Capacitores Stiroflex Capacitores de polipropileno Capacitores de poliéster Capacitores de policarbonato Capacitores cerâmicos Capacitores eletrolíticos(alumínio)(tântalo)

Capacitor eletrolítico de Tântalo:Os capacitores eletrolíticos de tântalo têm grande aplicação em circuitos de computadores e detelecomunicações por causa de sua elevada capacitância volumétrica específica, estabilidade,confiabilidade e compatibilidade elétrica. Eles substituem os capacitores eletrolíticos de alumínio quandoesses requisitos são essenciais. Nos capacitores de tântalo, o ânodo é composto pela parte composta portântalo metálico. O dielétrico é o pentóxido de tântalo Ta 2 O 5 e o cátodo é formado pelo dióxido demanganês MnO2.Esses capacitores são produzidos a partir da anodização de pó de tântalo metálico de alta pureza paraformar uma camada de óxido de tântalo Ta 2 O 5 . A morfologia do pó influencia fortemente o produto dacapacitância específica pela tensão (produto CV), como pode ser observado na figura 4. Pós com maiordiâmetro de partícula são usados na fabricação de capacitores para alta tensão, porque quando o Ta 2 O 5 éproduzido consome cerca de um terço do diâmetro do pó de Ta. Se pó muito fino for usado, cada partículametálica será inteiramente consumida e se tornará isolante. Como a capacitância é proporcional asuperfície específica, quanto maior a área específica, maior será a capacitância.Fig. 4 – Morfologia de diferentes morfologias de pó de tântalo.A figura 5 mostra a fotografia de microscopia eletrônica de varredura (MEV) de pós de Ta com diferentesprodutos CV. Observa-se que o tamanho de partícula é inversamente proporcional ao produto CV.Fig. 5 – Fotografias de pó de tântalo com diferentes granulometrias.

Procedimento de produção do K 2 TaF 7 :Vários processos para decomposição e extração são conhecidos na indústria do tântalo. A maior parte dasplantas empregam a rota de digestão ácida com ácido fluorídrico (HF) e ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ), quepode ser aplicada a um vasto espectro de concentrados naturais ou artificiais e escórias de alto grau.A aplicação deste método é limitada mais por razões econômicas do que por técnicas, visto que oconsumo de HF em constituintes não interessantes como o SiO 2 , TiO 2 , Fe, etc. As modernas técnicas deextração por solventes tem substituído totalmente o processo anterior “Marignac” no qual o Ta e o Nb sãoseparados por cristalização fracionada de múltiplos estágios.No procedimento adotado para a produção do K 2 TaF 7 a ser mostrado, não utilizaremos a etapa derecristalização, a qual tem como objetivo aumentar o grau de pureza do sal, diminuindo principalmente oteor de nióbio. No procedimento adotado partimos do minério tantalita e não passamos pela etapa deobtenção do hidróxido de tântalo, mas sim pela etapa de obtenção do ácido fluortantálico (H 2 TaF 7 ). Esteácido já possui alto grau de pureza devido a sucessivas extrações com o solvente orgânico metil-isobutilcetona(MIBK) realizadas, portanto torna-se desnecessário uma posterior recristalização do sal obtidopela etapa de precipitação. Eliminando-se a etapa de recristalização, aumentamos a viabilidadeeconômica, pois temos menor consumo de regentes e tempo.A seguir é mostrado em etapas, todo o procedimento adotado para a produção do K 2 TaF 7 , utlizando oprocesso de extração por solventes:1 – Moagem:A moagem do minério é realizada em um moinho de barras por cerca de quatro horas, visando obter umagranulometria de 200 mesh. Esta granulometria é necessária para facilitar a sua completa decomposiçãoquímica no reator.Após a moagem é realizada uma amostragem para análise química do minério.2 – Decomposição química do minério:O minério com granulometria de 200 mesh é alimentado em um reator de polietileno. Uma solução de HFé também alimentada ao reator para que ocorra a decomposição química do minério. O sistema HFpermite boas recuperações de extração.O reator é aquecido a 110ºC por um tempo superior a 6 horas, com agitação mecânica constante,permitindo solubilização parcial do minério.Após este período, a mistura é lavada com água deionizada e filtrada. O resíduo sólido obtido é removidoe a solução aquosa (licor) remanescente é alimentada à unidade subsequente de extração por solventes. Areação principal que ocorre nesta etapa pode ser representada como sendo:(Fe, Mn)[(Ta,Nb)O 3 ] 2 + 16HF 2H 2 (Ta, Nb)F 7 + (Fe, Mn)F 2 + 6H 2 O

3 – Extração por solventes:Na unidade de extração por solventes, o licor obtido anteriormente, solução aquosa constituídaprincipalmente dos ácidos fluortantálico (H 2 TaF 7 ) e fluornióbico (H 2 NbO 6 ) é misturada a uma soluçãodiluída de H 2 SO 4 e ao solvente orgânico metil-isobutil-cetona (MIBK).Encerrada esta etapa da extração, todo o sistema (fase aquosa e fase orgânica) é deixado em repouso paraque ocorra uma separação de fases devido a diferença de densidades. A fase aquosa é decantada eseparada do sistema e a fase orgânica, rica em tântalo e nióbio, é conduzida à unidade de reextração. ONb é recuperado pela adição de uma solução diluída de H 2 SO 4 e a solução remanescente, rica em Ta, éalimentada ao tanque de precipitação.4 – Precipitação do K 2 TaF 7 :Após total alimentação da fase orgânica rica em Ta em um tanque de polietileno, é iniciado a adiçãocontrolada de uma solução aquosa (50% em peso) de fluoreto de potássio (KF) com excessoestequiométrico de 10%. Este tanque de precipitação é munido de um sistema de aquecimento capas demanter uma temperatura de 50ºC, e de um sistema de agitação mecânica propiciando uma totalhomogeneização, melhorando o rendimento da reação.A reação química principal que ocorre nesta reação é:5 – Lavagem e secagem:H 2 TaF 7 + 2KF K 2 TaF 7 + 2HFTodo sal obtido por precipitação foi colocado em uma centrífuga de cesto, com elemento filtrante, paraser submetido a diversas lavagens com água deionizada e posteriormente com álcool etílico. A massa desal após as lavagens é deixada na centrífuga para propiciar a eliminação do excesso de umidade. Após aretirada do excesso de umidade na massa de sal, esta é colocada em uma estufa a vácuo a umatemperatura de 50ºC por um período de 8 horas para completa secagem.6 – Caraterização:A massa de sal K 2 TaF 7 obtida através deste procedimento de produção foi caracterizada através de análisequímica e difração de Raios X.

Fig 6 - Fluxograma geral do processo de obtenção do sal K 2 TaF 7 via extração por solventes

Fabricação do pó de Tântalo:Existem diversos métodos para a obtenção do pó de Tântalo. Entretanto, um dos maiores produtoresmundiais de pó de tântalo para aplicações em capacitores eletrolíticos é a Hermann C. Starck Berlin(HCST), a qual utiliza o processo de redução do sal K 2 TaF 7 por sódio líquido, embora em processoscontínuos, o qual será descrito a seguir.A HCST considera que, além da pureza, da fluidez e da resistência à verde (resistência do compacto nãosinterizado), a superfície específica é uma das mais importantes propriedades do pó de tântalo. Umasuperfície específica maior significa um tamanho de partícula menor. Varias técnicas de processamentosão portanto praticadas para alcançar uma distribuição fina e uniforme do tamanho de partículas. Existemdois métodos básicos para reduzir o tamanho de partícula:1- Controle de nucleação no inicio da redução por sódio: durante o período de nucleação, noprimeiro estágio da redução, o tamanho de grão, e, portanto, a superfície especifica do pó detântalo é controlado pela taxa de alimentação do sódio, assim como pela adição de dopantes. Umataxa de alimentação de sodio tende a produzir um pó muito fino.2- Diminuição da temperatura de reação: a redução por sódio do K 2 TaF 7 é uma reação exotérmica,isto é, o calor gerado tende a aumentar a temperatura e, portanto, aumentar o tamanho daspartículas finas de Ta produzidas, tornando, portanto, essencial a diminuição da temperatura. Essadiminuição de temperatura de reação pode ser alcançada de diferentes modos:- iniciar a redução em uma temperatura baixa;- acréscimo de sais diluentes inertes, tais como cloretos e fluoretos, atuando como absorvedoresde calor;- extração do calor do processo por resfriamento forçado;- funcionamento da redução continuamente ou incrementalmente ao invés do processo usual porlotes de várias centenas de quilogramas de K 2 TaF 7 fundido.Este último item é denominado “PL-Process”, o qual trata-se de um processo contínuo de redução. Nesseprocesso, K 2 TaF 7 , o sódio líquido e os sais inertes são misturados e depois, na forma de uma pasta,colocados em pequenas bandejas de Ta, as quais continuamente passam através de um forno para ocorrera reação de redução.

Fabricação do capacitor de Tântalo:A manufatura do capacitor eletrolítico de Tântalo é feita nas seguintes etapas:1-) Prensagem do pó de Tântalo;O pó é misturado com um ligante / lubrificante para assegurar que as partículas aderem umas às outrasquando pressionadas para formar o ânodo, e fluir facilmente na prensa. O pó é então comprimido sob altapressão em torno de um fio de tântalo para fazer um “slug” de Tântalo. O termo “slug” é utilizado naindústria de capacitores de Tântalo para se referir ao ânodo de Tântalo. O fio de Tântalo central acabarápor se tornar a conexão do ânodo para o capacitor. A Figura 7 mostra uma imagem MEV mostrandocomo as partículas foram unidas.Fig. 7 – MEV das partículas de pó prensadoO ligante / lubrificante é retirado pelo aquecimento do “slug” sob vácuo em temperaturas em torno de150° C por vários minutos.2-) Sinterização;É feita uma sinterização a alta temperatura (Tipicamente 1500 ° C-2000 ° C) sob vácuo. Isso faz com queo partículas individuais se juntam para formar uma estrutura esponjosa. Essa estrutura é de alta resistênciamecânica e de alta densidade, mas também é altamente porosa, dando uma grande superfície interna. Seos ânodos são sinterizados por muito tempo ou em temperatura muito alta, ocorre uma alta fusão daspartículas, e assim, a capacitância final do ânodo será muito baixa. Da mesma forma, se os ânodos sãosinterizados por um tempo demasiadamente curto ou se a temperatura do forno é muito baixa, acapacitância será muito alta. A verificação é feita em cada lote sinterizado anodizando vários anodos paracontrole de qualidade e realizando um teste de verificação de capacitância úmida. A espessura dodielétrico é dada pela equação:d = taxa de tensão x taxa de formação típica x taxa de crescimento dielétrica em metros / VoltCom a espessura é possível determinar a área superficial que está dentro de um capacitor de Tântalo. Acapacitância é dada pela fórmula: C = ε εo A / dOnde ε é a constante dielétrica do pentóxido de tântalo, εo é a constante dielétrica do vácuo(8,855.10 -12 F/m), A é a área superficial e d é a espessura do dielétrico.

Arrumando a fórmula anterior temos: A = (Cd)/E Eo. Portanto para uma determinada capacitância etensão desejada pode-se determinar a espessura e área superficial do dielétrico.O processo de sinterização também ajuda a retirar a maioria das impurezas dentro pó através da migraçãopara a superfície. A Figura 8 mostra o mesmo tipo de pó de anodo como visto anteriormente na Figura 6,após ter sido sinterizado. As junções entre as partículas são claramente visíveis.Fig. 8 – MEV mostrando como as partículas emergiram durante a sinterizaçãoApós sinterizado, o “slug” é soldado sobre uma tira metálica e uma arruela de Teflon é colocada sobre ofio de Ta, que evitará que o contraeletrodo de MnO 2 passe pelo fio e provoque curto-circuito.3-) Formação do material dielétrico;A próxima etapa é a formação da camada do dielétrico de pentóxido de tântalo Ta 2 O 5 por um processo deanodização eletroquímica. O “slug” é imerso numa solução ácida fraca de ácido fosfórico a 85 o C eaplicada uma tensão. A corrente anódica formará uma camada uniforme de Ta 2 O 5 . A figura 9 apresentauma fotografia de MEV de um “slug” fraturado para exibir a camada do dielétrico.(Tântalo)(Ta 2 O 5 )Fig. 9 MEV mostrando a camada dielétrica

A espessura do dielétrico é controlada pela tensão aplicada durante a sua formação. A figura 10 mostrauma típica curva de tensão e corrente medida durante o processo de anodização.Fig. 10 Típica curva de tensão e corrente durante anodização.As equações químicas que descrevem a reações de anodização são:Anodo: 2 Ta 2 Ta 5+ + 10 e-2 Ta 5+ + 10 OH - Ta 2 O 5 + H 2 OCatodo: 10 H 2 O + 10 e- 5 H 2 + 10 OH -Como foi dito anteriormente, o óxido se forma na superfície do tântalo, mas também cresce no metal.Para cada unidade de óxido, um terço cresce fora e dois terços crescer dentro. Intrínseco para o dielétricoé um baixo nível de sitios de impureza que estão uniformemente distribuídas ao longo do ânodo. O sitiosimpureza dão uma assinatura de fuga característica ao capacitor, para uma determinada espessuradielétrica sua distribuição estatística dará uma característica por metro quadrado, portanto, um capacitortendo o dobro do valor de capacitância de outro de mesma taixa de tensão terá tipicamente o dobro dafuga de corrente. Porque o pentóxido cresce no ânodo bem como sobre sua superfície, essas impurezaspodem ser parcialmente isoladas como mostrado na Figura 11, se a tensão de formação é aumentada. Háum limite de quão longe a tensão tensão de formação pode ser aumentada, uma vez que ocorre uma quedana capacitância quando o dielétrico engrossa.Fig. 11 Isolamento de impurezas durante crescimento dielétrico

A tensão de formação do capacitor é tipicamente de 3 a 4 vezes a tensão nominal de operação,assegurando boa confiabilidade. Quando o dielétrico é formado, uma região de óxido de tântalosemicondutor é formada entre a camada de pentóxido e a do tântalo metálico. A produção desta região éminimizada através da remoção dos “slugs” do banho eletroquímico quando se atinge aproximadamente90% da tensão final e o tratamento térmico numa faixa de temperatura entre 350 a 400 o C. Esta regiãosemicondutora é a responsável pelos capacitores de Ta serem polarizados. A figura 12 mostra ascaracterísticas da fuga reversa de diversas partes com tensões diferentes. O dielétrico será submetido auma elevada tensão elétrica no capacitor acabado. Por esta razão que fabricantes de capacitores de tântalorecomendam estrangulamento de pelo menos 50% para melhorar a confiabilidade do produto.4-) Manganização;Fig. 12 Tensão reversa, fuga de corrente.A próxima etapa de fabricação do capacitor de Ta é a produção do catodo através da pirólise do nitrato demanganês em dióxido de manganês. O processo de “manganização” é feito mergulhando o “slug” em umasolução aquosa de nitrato de manganês e posteriormente tratado a 250 o C para produzir o depósito deMnO 2 . A reação química é descrita por:Mn(NO 3 ) 2 MnO 2 + 2NO 2Este processo é repetido diversas vezes, variando-se a concentração da solução de nitrato para assegurarboa penetração no anodo e produzir uma cobertura espessa na superfície do capacitor. A figura 13 mostraum anodo “manganizado”, sendo que o material com estrutura com aspecto de flocos é o dióxido demanganês.Fig. 13 MEV de um ânodo manganizado.

5-) Reformação;Após a cobertura de dióxido de manganês é feita a reforma do capacitor “manganizado” através daimersão do “slug” em banho de ácido acético, e uma tensão de aproximadamente metade da tensão deformação é aplicada. Isso é feito para remoção do manganês de pontos onde ocorre fuga de corrente ecrescimento de uma camada dielétrica para isolar o ponto de fuga de corrente.6-) Contato externo das camadas;O “slug” é imerso em uma dispersão de grafita seguida por tratamento térmico em forno para garantir boaaderência com o “slug”. O processo é repetido com uma dispersão de prata para produzir a camada decontato final ao terminal do catodo. A camada de grafita evita que a camada de prata entre em contatodireto com o dióxido de manganês com o qual reage quimicamente. A figura 14 mostra a estrutura internado capacitor de Ta com todos os contatos externos.Fig. 14 Camadas dos contatos externos.7-) Embalagem;Existem muitas coberturas, embalagens variadas para o capacitor de tântalo. As mais comuns são:a) Embalagem de montagem em superfície:Os terminais dos elementos cátodo são unidos no quadro do cátodo usando resina epóxi carregada comprata e o fio ânodo é soldado no quadro do ânodo. A parte em excesso do “slug” é então cortada foradeixando o elemento preso ao quadro. A cola de prata é curada e o elemento é então moldado em um“case” (gabinete) de resina epóxi. O corpo moldado é finalmente codificado com a sua capacitância evalores de tensão nominal, e então testadas para todos os seus parâmetros elétricos, capacitância, correntede fuga, impedância e ESR (resistência equivalente).

Fig. 15 Seção de um capacitor embalado pelo processo descrito anteriormente.b) Embalagem em resina.O fio do ânodo é soldado ao fio condutor do ânodo e cortado do “slug”. O terminal condutor do cátodo ésoldado ao ânodo prateado por imersão do ânodo prateado e o fio condutor do cátodo em um banho desolda. A unidade é então mergulhado em um encapsulante epóxi e transferido para um forno para cura. .O corpo moldado é finalmente codificado com a sua capacitância e valores de tensão nominal, e entãotestadas para todos os seus parâmetros elétricos: capacitância, corrente de fuga, impedância e ESR(resistência equivalente).Fig. 16 Seção de um capacitor de tântalo embalado em resina.

Aplicações:A baixa corrente de fuga e alta capacidade dos capacitores de tântalo favorece a sua utilização emcircuitos “sample and hold” para conseguir longa duração de retenção, e em alguns circuitos de timing delonga duração onde timing preciso nao é necessário. Eles são também muitas vezes utilizados em fontesde alimentação juntamente com capacitores cerâmicos com baixa ESR (Equivalent series resistance) ereatância a alta frequência. Capacitores de tântalo podem substituir os capacitores eletrolíticos dealumínio em situações onde o ambiente externo ou o empacotamento denso do componente resulte em umambiente interno quente e onde alta confiabilidade é importante. Equipamentos, como médicos eespaciais, que exigem alta qualidade e confiabilidade fazem uso de capacitores de tântalo. Capacitores detântalo de baixa tensão são normalmente utilizados em grande número para filtragem de fontes dealimentação em placas-mãe de computador e periféricos, devido à seu pequeno tamanho e confiabilidadea longo prazo.Fig. 8 Podemos observar a diferença de tamanho entre capacitores eletroliticos de aluminio (esquerda) ede tântalo (direita).Bibliografia:- http://en.wikipedia.org/wiki/Tantalum_capacitor.-GILL, John. Basic Tantalum Capacitor Technology.AVX Ltd., Tantalum DivisionPaignton, England-FREITAS, Dailton de. Tecnologia de produção de pó de tântalo para capacitores eletrolíticos.Dissertação de mestrado – Lorena – SP - 1992