탄탈룸 커패시터와 다층 세라믹 커패시터의 비교

소개

탄탈룸(Ta) 커패시터와 적층 세라믹 커패시터(MLCC) 는 전자 애플리케이션에서 널리 사용되는 두 가지 커패시터입니다. 탄탈 커패시터와 MLCC의 구성 기술과 재료는 상당히 다르지만 기본 기능은 여전히 동일합니다. 임시 배터리 역할을 하는 커패시터는 전하를 공급하여 일정한 직류 전압을 유지합니다. 커패시터는 바이패스 채널 회로에서 단극 필터로 사용할 수도 있습니다. 저항기 및 인덕터와 연결하여 고차 필터 회로를 만들 수도 있습니다.

탄탈 커패시터와 MLCC는 모두 커패시터로 작동하지만 제조부터 사용 중 매개변수까지 많은 차이점이 있습니다. 차이점을 소개하기 전에 먼저 커패시터에 대한 몇 가지 기본 정보를 알아봅시다. 병렬 플레이트 커패시터의 경우 커패시턴스 값은 다음 공식으로 계산해야 합니다.

C = εr*ε0*A/d

C = 커패시턴스(F)

A = 두 플레이트의 겹치는 면적(m2)

εr = 상대 유전율/유전 상수(εr은 플레이트 사이의 재질에 따라 결정됨)

ε0 = 전기 상수(8.854 * 10-12 F*m-1)

d = 두 플레이트 사이의 거리(m)

커패시턴스는 커패시터의 종류를 선택할 때 중요한 매개변수 중 하나입니다. 탄탈룸 커패시터는 거리가 짧고 판 면적이 넓으며 유전율이 높기 때문에 일반적으로 커패시턴스 값/부피가 큽니다.

이 기사에서는 임피던스 곡선, 기생 인덕턴스(ESL), 등가 직렬 저항(ESR), 템퍼런스 효과 및 마이크로포닉 효과와 같은 측면에서 탄탈 커패시터와 MLCC를 비교합니다. 모든 비교는 커패시턴스와 크기가 비슷한 커패시터로 제한됩니다.

탄탈룸 및 MLCC 커패시터에 대한 기본 정보

탄탈 커패시터란 무엇인가요?

탄탈 커패시터는 탄탈륨 분말과 전선을 공급 원료로 사용합니다. 탄탈륨 와이어 주위에 탄탈륨 분말을 압착하면 탄탈륨 펠릿이 형성됩니다. 이 탄탈륨 펠릿이 커패시터의 양극이 됩니다. 펠릿은 다공성이 매우 높기 때문에 많은 전하를 모을 수 있습니다. 이것이 탄탈 커패시터의 높은 커패시턴스/부피의 이유 중 하나입니다. 양극 외부에 Ta2O5를 형성하면 유전체가 형성됩니다. 마지막 단계는 Mn(NO3)2를 사용하여 유전체 외부에 음극을 형성하여 MnO2 음극층을 만드는 것입니다.

그림 1a는 탄탈륨 와이어를 사용하여 양극을 회로에 연결하는 기존 탄탈룸 커패시터입니다. 그림 1b는 최근 몇 년간 시장에 출시된 새로운 소형 탄탈룸 커패시터입니다. 부품 밀도가 높은 환경과 제한된 룸 보드 공간에서 자주 사용됩니다. 양극은 탄탈륨 웨이퍼를 탄탈륨 분말[2]로 눌러서 만듭니다.

그림 1a 및 b: 몰드형 탄탈 커패시터(상단)와 마이크로칩형 탄탈 커패시터(하단) [2].

다층 세라믹 커패시터란 무엇인가요?

탄탈 커패시터와 달리 세라믹 커패시터는 층이 두껍고 겹치는 플레이트 면적이 작아 커패시턴스/부피가 더 작습니다. TiO2와 BaTiO3는 MLCC에 가장 많이 사용되는 두 가지 재료입니다. 그림 2는 MLCC의 구성 요소를 보여줍니다.

그림 2: 다층 세라믹 커패시터 [2]

MLCC에는 클래스 1과 클래스 2의 두 가지 그룹이 있습니다. 클래스 1 세라믹 커패시터는 온도 변화에 민감하지 않은 세라믹 소재를 사용합니다. 따라서 -25℃에서 80℃와 같이 저온에서 고온으로 커패시턴스가 크게 변하지 않습니다. 클래스 1 커패시터는 일반적으로 TiO2로 만들어지며 εr이 상대적으로 낮습니다.

반면에 클래스 2 커패시터는 온도에 민감합니다. BaTiO3, Al2SiO5, MgO:XSiO2와 같은 강유전체 재료로 만들어집니다. 클래스 2 커패시터는 상대적으로 εr이 높지만 정확도와 안정성이 낮습니다.

세라믹 커패시터는 EIA 코드를 사용하여 온도 범위에서 커패시터의 안정성을 보여줍니다. 그림 3은 각 코드의 평균을 보여줍니다. 예를 들어, X7R은 커패시턴스가 -55℃에서 125℃까지 ±15% 변화한다는 것을 의미합니다.

그림 3: EIA 코드 표 [2]

탄탈룸 커패시터와 MLCC의 차이점은 무엇인가요?

임피던스 및 등가 직렬 저항

임피던스, 기생 인덕턴스(ESL), 등가 직렬 저항(ESR)은 커패시터가 얼마나 잘 작동하는지에 대한 많은 정보를 알려줍니다. 임피던스 분석기로 ESL과 ESR을 계산할 수 있습니다. ESL과 ESR이 작을수록 커패시터가 더 좋다는 뜻입니다. 그림 4는 4.7µF, Y5V, 16V MLCC와 4.7µF, 16V 탄탈룸 커패시터[1]의 임피던스와 ESR을 보여줍니다.

그림 4: 4.7uf 탄탈룸 및 세라믹 커패시터의 임피던스 및 ESR 곡선 [1]

저주파수에서는 임피던스가 동일하므로 커패시턴스 값도 동일합니다. 주파수가 증가함에 따라 세라믹 커패시터의 ESR은 탄탈룸 커패시터보다 훨씬 낮습니다. 임피던스 곡선의 경우 둘 다 먼저 감소한 다음 증가하는 "V"자 모양을 보입니다. 처음 감소하는 부분은 정전 용량 값의 증가에 영향을 받습니다. 그런 다음 유도성 구성(ESL)이 발생하여 임피던스 곡선이 바로 위로 이동합니다. 그림 4로 돌아가서 임피던스 곡선의 끝을 보면 세라믹 커패시터의 ESL이 탄탈룸 커패시터보다 훨씬 작습니다. 이는 주로 탄탈룸 패키지[1]에 사용된 리드 프레임에 의해 발생합니다.

온도 영향

앞서 언급했듯이 클래스 1 세라믹 커패시터는 온도에 민감하지 않은 반면, 클래스 2 세라믹 커패시터는 온도에 민감합니다. 그림 5는 탄탈룸 커패시터의 커패시턴스가 온도와 선형 관계를 갖는 반면, 클래스 2 세라믹 커패시터의 커패시턴스는 온도와 불규칙한 관계를 갖는다는 것을 보여줍니다.

그림 5: Ta, 클래스 1 세라믹 및 클래스 2 세라믹 커패시터의 온도에 따른 커패시턴스 변화 [2]

마이크로포닉 효과

커패시터를 오디오 애플리케이션에 사용하는 경우, 커패시터를 선택할 때 마이크로포닉 또는 압전 효과는 중요한 특징 중 하나가 됩니다[1]. MLCC에 널리 사용되는 BaTiO3는 마이크로포닉 효과를 보여줍니다. 그러나 탄탈룸 커패시터는 마이크로포닉 효과가 나타나지 않습니다. 1µF 커패시터를 테스트하면 그림 6을 통해 클래스 2 세라믹 커패시터가 마이크로포닉 효과를 제공한다는 것을 추가로 확인할 수 있습니다.

그림 6: 탄탈룸 및 세라믹 커패시터의 마이크로포닉 효과 [1]

결론

두 커패시터 모두 좋은 선택이므로 어떤 커패시터가 더 나은지 간단하게 답할 수는 없습니다. 탄탈 커패시터는 수명이 길고 커패시턴스/부피가 크며 안정성이 높으며, MLCC는 인덕턴스 및 ESR이 낮습니다. 특정 애플리케이션에 따라 선택할 수 있습니다. 아래 표에는 탄탈룸 커패시터와 다층 세라믹 커패시터의 차이점이 나와 있습니다.

탄탈룸 커패시터와 다층 세라믹 커패시터를 모두 제공합니다. 어떤 커패시터를 선택해야 할지 고민이 된다면 기술 담당자에게 애플리케이션 정보를 제공하여 조언을 구할 수 있습니다.

참조:

Cain, J. (nd). 다층 세라믹 커패시터와 탄탈룸 커패시터 비교.

Zedníček, T. (2022, June 1). 탄탈룸 커패시터와 세라믹 커패시터의 기본 및 이점. 수동 부품 블로그. 검색 됨 1 월 11, 2023에서 https://passive-components.eu/the-basics-benefits-of-tantalum-ceramic-capacitors/