3 coisas importantes sobre o capacitor de tântalo

Introdução

O tântalo (Ta) é um metal de transição raro, duro, cinza-azulado e brilhante, altamente resistente à corrosão e condutor de calor e eletricidade. Ele tem excelente imunidade à agressividade da água régia abaixo de 150 ℃. Devido às suas boas propriedades físicas e químicas, o tântalo é usado principalmente no campo da eletrônica, ligas e outras áreas. A Figura 1 mostra a remessa de produtos de tântalo em 2016 [1]. A maior parte do tântalo é usada em capacitores como ânodos que pertencem à eletrônica, e outros são usados principalmente em ligas, produtos químicos e alvos de pulverização. Em 2021, cerca de 70% da demanda por tântalo virá da indústria eletrônica: ânodos para capacitores, alvos para semicondutores e revestimentos de sinterização para ânodos [2]. Vamos falar primeiro sobre os capacitores de tântalo.

Figura 1: remessa de produtos de tântalo em 2016 [1]

Como o capacitor de tântalo é fabricado?

Assim como outros capacitores, um capacitor de tântalo tem três componentes: um ânodo, um cátodo e um eletrólito. O pó de tântalo puro e os fios são usados para fabricar a parte do ânodo.

Ao comprimir o pó de tântalo em torno de um fio de tântalo, obtemos uma forma de "pelota" de tântalo. Em seguida, sinterizamos o pellet a cerca de 1.200 a 1.800 ℃ para eliminar as impurezas. Durante esse processo, o pó também assume uma estrutura porosa, o que pode aumentar seu valor de capacitância. Em outras palavras, os capacitores de tântalo têm um valor/volume de capacitância maior em comparação com outros capacitores, como os de alumínio.

Após a sinterização, um dielétrico é formado fora das superfícies das partículas de tântalo, transformando a camada externa de tântalo em Ta2O5. Esse processo é chamado de anodização. A espessura do dielétrico está diretamente relacionada à prova de tensão dos capacitores. Cada capacitor deve ter uma margem de segurança de espessura da camada de óxido para garantir uma funcionalidade confiável.

A última etapa é adicionar um cátodo fora do dielétrico. Os capacitores de tântalo úmido usam um eletrólito líquido para submergir a parte de tântalo e um invólucro cobre os capacitores de tântalo úmido. O invólucro e o eletrólito líquido funcionam como cátodo no capacitor de tântalo úmido. No caso do capacitor de tântalo sólido, mergulhar o ânodo na solução de Mn(NO3)2 e assar a cerca de 250°C permitirá a formação de uma camada de MnO2 fora do dielétrico. Repita várias vezes até que uma camada de MnO2 suficientemente espessa seja formada fora do "pellet". Em seguida, mergulhe-o em grafite e prata para obter uma boa conexão do cátodo de MnO2 com a terminação externa do cátodo. A Figura 2 apresenta uma visão mais resumida do capacitor de tântalo sólido.

Figura 2: seção transversal de um capacitor de tântalo sólido

Vantagens e desvantagens do capacitor de tântalo

Vantagens

Os capacitores de tântalo têm características de frequência superiores e vida útil mais longa em comparação com os capacitores de alumínio ou os capacitores de cerâmica. Sua resistência equivalente em série também é menor, o que significa que correntes maiores podem passar pelo capacitor com menos calor. Além disso, os capacitores de tântalo oferecem a maior capacitância por volume, conforme mencionado anteriormente. Graças a essas vantagens, os capacitores de tântalo são populares em campos eletrônicos, como laptops, smartphones e assim por diante.

Desvantagens

Entretanto, os capacitores de tântalo não são tão amplamente usados quanto os capacitores de alumínio, os capacitores de cerâmica multicamada (MLCCs) ou mesmo os capacitores de nióbio. Um dos motivos é que o fornecimento e o preço do metal tântalo são instáveis. Em alguns casos, as pessoas começam a usar MLCCs para substituir pequenos capacitores de tântalo e capacitores de alumínio para substituir grandes capacitores de tântalo.

Como são polarizados, os capacitores de tântalo só podem ser usados em corrente contínua, e não em corrente alternada. Além disso, quando os ânodos entram em contato com os cátodos de MnO2 durante picos de tensão, os capacitores de tântalo podem apresentar um modo de falha perigoso, como uma reação química que produz fumaça e chamas. Para evitar isso, os capacitores de tântalo devem ser usados em conjunto com limitadores de corrente ou fusíveis térmicos.

Aplicações do capacitor de tântalo

Os capacitores de tântalo são usados principalmente devido à sua maior capacitância/volume, boa estabilidade e características de frequência superiores. Os capacitores de tântalo podem ser usados para substituir os eletrolíticos de alumínio em aplicações militares devido à sua estabilidade de capacitância ao longo do tempo. A eletrônica médica também usa capacitores de tântalo por essa vantagem. Entre os produtos eletrônicos, os PCs de mesa e notebooks usam a maior quantidade de capacitores de tântalo. E, surpreendentemente, smartphones e telefones celulares usam pouquíssimas quantidades de capacitores de tântalo em comparação.

Reciclagem de tântalo

Com o aumento do consumo de produtos de tântalo, muitos resíduos que contêm tântalo são produzidos em grande quantidade. Os resíduos de produção durante a fabricação de superligas e alvos de pulverização e os descartes de fim de vida útil do setor eletrônico aumentaram significativamente. Por outro lado, a lacuna entre a demanda e a oferta de tântalo torna-se cada vez maior. Para fechar essa lacuna, a reciclagem de resíduos de tântalo começa a se desenvolver novamente.

A reciclagem pode ser dividida em duas partes: reciclagem pré-consumo e reciclagem pós-consumo [3]. A maior parte do tântalo é reciclada a partir de sucata de pré-produção devido à sua baixa contaminação e às baixas dificuldades. A reciclagem pré-consumo pode melhorar de forma eficiente o processo total de produção com a geração de resíduos minerais. A concentração de tântalo, o custo de limpeza, o tamanho e a economia são os principais fatores que afetam as estratégias de reciclagem.

A reciclagem pós-consumo de tântalo não se desenvolveu muito bem devido à baixa concentração de tântalo em comparação com outros metais, como Cu e Au. Para produtos pirometalúrgicos de tântalo, o processo de reciclagem pós-consumo de tântalo é muito complicado. Capacitores de tântalo de tamanho menor tornam essa situação ainda pior. Mais pesquisas devem ser feitas para criar um método econômico e favorável ao meio ambiente para reciclar produtos de tântalo pós-consumo.

Citação

1. Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). Tendências do mercado global de tântalo e métodos de reciclagem de capacitores de tântalo residuais: Sustainable Materials and Technologies, 29, e00323.
2. Zogbi, D. M. (2021, 10 de maio). The tantalum supply chain: 2021 global market update. TTI, Inc. Recuperado em 4 de janeiro de 2023, de https://www.tti.com/content/ttiinc/en/resources/marketeye/categories/passives/me-zogbi-20211005.html
3. Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). Tendências do mercado global de tântalo e métodos de reciclagem de capacitores de tântalo residuais: Sustainable Materials and Technologies, 29, e00323.