Comparaison entre les condensateurs au tantale et les condensateurs céramiques multicouches

Introduction

Les condensateurs autantale (Ta) et les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) sont deux condensateurs largement utilisés dans les applications électroniques. Bien que les technologies et les matériaux de construction des condensateurs au tantale et des MLCC soient très différents, leurs fonctions de base restent les mêmes. Agissant comme une batterie temporaire, les condensateurs maintiennent une tension continue constante en fournissant des charges. Les condensateurs peuvent également être utilisés dans les circuits de dérivation comme filtres unipolaires. Ils peuvent même être connectés à des résistances et à des inductances pour créer des circuits de filtrage d'ordre élevé.

Bien que les condensateurs au tantale et les MLCC fonctionnent tous deux comme des condensateurs, ils présentent de nombreuses différences, de la fabrication à leurs paramètres d'utilisation. Avant de présenter leurs différences, commençons par obtenir quelques informations de base sur les condensateurs. Pour un condensateur à plaques parallèles, la valeur de sa capacité doit être calculée à l'aide de l'équation suivante.

C = εr*ε0*A/d

C = capacité (F)

A = surface de recouvrement des deux plaques (m2)

εr = la permittivité relative/constante diélectrique (εr est déterminée par le matériau entre les plaques)

ε0 = la constante électrique (8,854 * 10-12 F*m-1)

d = la distance entre deux plaques (m)

La capacité est l'un des paramètres importants dans le choix d'un condensateur. En raison de la faible distance, de la grande surface des plaques et de la constante diélectrique élevée du Ta2O5, les condensateurs au tantale présentent généralement des valeurs de capacité/volume élevées.

Cet article compare les condensateurs au tantale et les MLCC sous les aspects suivants : la courbe d'impédance, l'inductance parasite (ESL), la résistance série équivalente (ESR), les effets de tempérance et les effets microphoniques. Toutes les comparaisons sont limitées à des condensateurs de capacité et de taille similaires.

Informations de base sur les condensateurs au tantale et les condensateurs MLCC

Qu'est-ce qu'un condensateur au tantale ?

Les condensateurs au tantale utilisent de la poudre et des fils de tantale comme matière première. En pressant la poudre de tantale autour d'un fil de tantale, on obtient une pastille de tantale. Cette pastille de tantale constitue l'anode du condensateur. Comme la pastille est très poreuse, elle permet d'accumuler de nombreuses charges. C'est l'une des raisons pour lesquelles les condensateurs au tantale ont une capacité/volume élevée. En formant du Ta2O5 à l'extérieur de l'anode, un diélectrique se forme. La dernière étape consiste à former une cathode à l'extérieur du diélectrique en utilisant du Mn(NO3)2 pour fabriquer la couche cathodique MnO2.

La figure 1a représente un condensateur au tantale traditionnel utilisant un fil de tantale pour relier l'anode au circuit. La figure 1b représente un nouveau petit condensateur au tantale introduit sur le marché ces dernières années. Il est souvent utilisé dans des environnements à haute densité de composants et dans des espaces limités. Son anode est fabriquée en pressant une plaquette de tantale avec de la poudre de tantale [2].

Figure 1a & b : un condensateur au tantale moulé (en haut) et un condensateur au tantale de type puce (en bas) [2].

Qu'est-ce qu'un condensateur céramique multicouche ?

Contrairement aux condensateurs au tantale, les condensateurs céramiques ont une couche plus épaisse et une surface de recouvrement des plaques plus petite, ce qui se traduit par une capacité/volume plus faible. TiO2 et BaTiO3 sont les deux matériaux les plus utilisés dans les MLCC. La figure 2 présente les composants d'une MLCC.

Figure 2 : Un condensateur céramique multicouche [2]

Parmi les MLCC, il existe deux groupes différents : la classe 1 et la classe 2. Les condensateurs céramiques de classe 1 utilisent des matériaux céramiques qui ne sont pas sensibles aux changements de température. Par conséquent, leur capacité ne changera pas de manière significative d'une température basse à une température élevée, par exemple de -25℃ à 80℃. Les condensateurs de classe 1 sont généralement fabriqués à partir de TiO2 et ont un εr relativement faible.

En revanche, les condensateurs de classe 2 sont sensibles à la température. Ils sont fabriqués à partir de matériaux ferroélectriques tels que BaTiO3, Al2SiO5 et MgO:XSiO2. Les condensateurs de classe 2 ont un εr relativement élevé mais une précision et une stabilité faibles.

Les condensateurs céramiques utilisent le code EIA pour indiquer la stabilité des condensateurs sur une plage de températures. La figure 3 illustre la signification de chaque code. Par exemple, X7R signifie que la capacité varie de ±15% de -55℃ à 125℃.

Figure 3 : Tableau des codes EIA [2]

Quelle est la différence entre les condensateurs au tantale et les MLCC ?

Impédance et résistance série équivalente

L'impédance, l'inductance parasite (ESL) et la résistance série équivalente (ESR) peuvent fournir de nombreuses informations sur le fonctionnement du condensateur. L'ESL et l'ESR peuvent être calculées par des analyseurs d'impédance. Des ESL et ESR plus faibles sont synonymes de meilleurs condensateurs. La figure 4 montre l'impédance et l'ESR d'un MLCC de 4,7µF, Y5V, 16V et d'un condensateur au tantale de 4,7µF, 16V [1].

Figure 4 : Courbes d'impédance et d'ESR pour des condensateurs tantale et céramique de 4,7µF [1].

À basse fréquence, leurs impédances sont identiques, ce qui signifie que leurs valeurs de capacité sont identiques. Lorsque la fréquence augmente, l'ESR du condensateur en céramique est beaucoup plus faible que celui du condensateur au tantale. Quant aux courbes d'impédance, elles présentent toutes deux une forme en "V" qui diminue d'abord, puis augmente. La première partie décroissante est affectée par l'augmentation de la valeur capacitive. Ensuite, la constitution inductive (ESL) intervient et fait remonter la courbe d'impédance. Si l'on revient à la figure 4, l'ESL du condensateur en céramique est beaucoup plus faible que celle du condensateur au tantale si l'on regarde l'extrémité des courbes d'impédance. Cela est principalement dû aux cadres de plomb utilisés dans l'emballage du tantale [1].

Effets de la température

Comme indiqué précédemment, les condensateurs céramiques de classe 1 sont insensibles à la température, tandis que les condensateurs céramiques de classe 2 sont sensibles à la température. La figure 5 montre que la capacité des condensateurs au tantale a une relation linéaire avec la température, tandis que la capacité des condensateurs céramiques de classe 2 a une relation irrégulière avec la température.

Figure 5 : Variation de la capacité en fonction de la température pour les condensateurs au tantale, en céramique de classe 1 et en céramique de classe 2 [2].

Effets microphoniques

Lorsque les condensateurs sont utilisés dans des applications audio, l'effet microphonique ou piézoélectrique devient l'une des caractéristiques importantes lors de la sélection des condensateurs [1]. Le BaTiO3, largement utilisé dans les MLCC, présente des effets microphoniques. En revanche, les condensateurs au tantale ne présentent aucun effet microphonique. En testant des condensateurs de 1µF, nous obtenons la figure 6, qui confirme que les condensateurs céramiques de classe 2 produisent des effets microphoniques.

Figure 6 : Effet microphonique des condensateurs au tantale et des condensateurs en céramique [1]

Conclusion

Il n'y a pas de réponse simple à la question de savoir quel condensateur est le meilleur, car les deux sont de bons choix. Les condensateurs au tantale ont une durée de vie plus longue, une capacité/volume plus élevée et une meilleure stabilité ; les MLCC ont une inductance et un ESR plus faibles. Vous pouvez choisir en fonction de votre application spécifique. Le tableau ci-dessous énumère les différences entre les condensateurs au tantale et les condensateurs céramiques multicouches.

Stanford Advanced Materials (SAM) propose des condensateurs au tantale et des condensateurs céramiques multicouches. Si vous avez encore des difficultés à choisir un condensateur, vous pouvez fournir les informations relatives à votre application à notre personnel technique pour obtenir des conseils.

Référence :

Cain, J. (n.d.). Comparaison des condensateurs céramiques multicouches et des condensateurs au tantale.

Zedníček, T. (2022, 1 juin). Les bases & les avantages des condensateurs tantale vs céramique. Blog sur les composants passifs. Consulté le 11 janvier 2023 à l'adresse https://passive-components.eu/the-basics-benefits-of-tantalum-ceramic-capacitors/.