Металл для конденсаторов в электронике: тантал и его краткая история

Мы продолжаем рассказывать о различных металлах, истории их открытия, применении и патентом аспекте. На этот раз речь пойдет о тантале. Данный металл пластичен, легко изготавливается, обладает высокой устойчивостью к коррозии кислотами, он является хорошим проводником тепла и электричества, а также имеет высокую температуру плавления. К сожалению, это один из самых кровавых металлов современности в плане добычи. Но обо всем по порядку. 

История открытия

Тантал (Ta)  открыл швед Андерс Густав Экеберг, который после окончания в 1748 году Упсальского университета заинтересовался минералогией и открытием элементов. Например, он внес свой вклад в идентификацию бериллия в изумруде и берилле, подтвердил открытие гадолиния в черном минерале из карьера вблизи шведского Иттербю. В другом же минерале из Иттербю (сейчас его называют иттротанталит) исследователь и обнаружил новый элемент, который не удалось растворить ни в какой кислоте. Подивившись такой стойкости, Экеберг — а он с детства увлекался рассказами про древнегреческих героев — в 1802 году назвал новый элемент в честь сына Зевса Тантала, обреченного вечно претерпевать невыносимые страдания от жажды и голода.

Открытие Экеберга попытался завершить англичанин Уильям Волластон: в 1806 году он утверждал, что нет разницы между танталом и ранее открытым колумбием. И это неудивительно, ведь различие между этими элементами ничтожно. Только в 1844 году немец Генрих Розе сумел распознать, что колумбий проявляет две степени окисления +3 и +5, а вот тантал — только последнюю. Розе и переназвал колумбий ниобием в честь дочери Тантала — Ниобы, чем обеспечил путаницу: ИЮПАК только в 1943 году принял название Розе, американцы же до сих пор именуют спутника тантала колумбием. Надежно разделить эти два элемента, которые обязательно вместе присутствуют в минералах, сумел в 1866 году швейцарец Жан Маринья. Он использовал ничтожное химическое различие и заставил ниобий сформировать соль K2NbOF7, а тантал — K2TaF7. Растворимость первой гораздо выше, чем второй, отчего стало возможным разделение этих элементов. Как бы то ни было, отцом тантала считают Экеберга и танталовой медалью с его профилем награждают за успехи в изучении этого элемента.

Потребление

Основное применение (50%) в виде металлического порошка тантала — в производстве электронных компонентов, главным образом танталовых конденсаторов. Основными конечными применениями танталовых конденсаторов являются портативные телефоны, персональные компьютеры и автомобильная электроника. По факту, это незаменимый металл для IT. 

Аэрокосмическая техника также потребляет примерно 25% тантала в производстве жаропрочных сплавов для компонентов реактивных двигателей. 

В сочетании с другими металлами тантал также используется при изготовлении твердосплавных инструментов для металлообрабатывающего оборудования (15%).

В тантале заинтересованы такие крупные корпорации, как IBM, Applied Materials, Samsung, Sony и т.д.  

Добыча из недр

Основной поставщик танталового сырья для мировой IT-промышленности — это страны Африки.  

Данные по добыче приведены в таблице 1.

Таблица 1: Производство в концентрате тантала в 2022 году., тонн в пересчете на металл 

Источник: USGS (Mine production, in metric tons of contained tantalum)

В Центральной Африке (Демократическая Республика Конго, Руанда и пр.) расположены аллювиальные танталсодержащие россыпи, при обогащении которых кустарным способом получают танталитовый концентрат (колтан). Отсутствие операции дробления и измельчения значительно удешевляет получаемый танталовый концентрат. 

Справка: по неофициальным оценкам, в Конго производится до 50% всего тантала мира, большая часть из которого продается в Руанду. При этом особенности горнорудной отрасли Конго не позволяют с какой-либо достоверностью оценить реальные запасы танталового сырья в стране —  большая часть рудников продолжает оставаться в руках повстанцев или военных, и нет никаких оснований ожидать, что ситуация коренным образом изменится в ближайшие годы. В официальную же статистику USGS попадают лишь цифры по компаниям, ведущим свою деятельность на демилитаризованных территориях. Объемы добычи сырья в странах Центральной Африки во многом являются оценочными. 

В ДР Конго тантал добывается кустарным способом из россыпей. На этих работах занято около 2 млн человек. Часть концентрата экспортируется легально, часть — контрабандой из Конго через соседние страны, в том числе Руанду. Официальная статистика учитывает данные по компаниям, ведущих свою деятельность на демилитаризованных территориях. По оценке в стране действует около 180 артелей по добыче колтановой (танталовых). Крупнейшими являются рудник Kisengo coltan в Катанге и рудник Luwow в горах Masisi. Официальные предприятия — Shalina Resources Ltd., Société Minière de Bisunzu (SMB).

В Руанде танталит добывают приблизительно 40-50 предприятий (артелей), обогащающих россыпи, образовавшиеся в результате выветривания танталоносных пегматитов. Крупнейшие производители: компании Société Minière de Bisunzu (SMB), ETS Munsad Minerals, ETS Kalinda, Eprocomi, Kuaka. Все концентраты поставляются на экспорт. Предполагается, что через Руанду экспортируются в том числе и контрабандные конголезские концентраты, произведенные в конфликтных регионах.

В Мозамбике Highland African Mining Company Ltd. (дочерняя компания Noventa Ltd., Великобритания) добывала тантал на руднике Marropino. Компания также владеет лицензиями на добычу тантала на месторождениях Morrua и Mutala в провинции Замбези (Мозамбик).

Компания Noventa (Highland African Mining Company), зарегистрированная на Джерси, осуществляет добычу тантала на принадлежащем ей месторождении Марропино (Marropino) в Мозамбике. Содержание тантала в руде примерно 0,02%. Конечным продуктом является пентоксид тантала.

В Эфиопии имеется рудник Kenticha мощностью около 54 т Та2О5 в концентрате в год. Он принадлежит фирме Midroc, дочернему предприятию National Mining Corp. 

Справка: Месторождение Kenticha было открыто советскими геологами в 1980 г. Запасы Та2О5 оцениваются в 17 000 т, содержание пентоксида тантала в исходной руде — 0,015-0,017%.

Как видите, бизнес по добыче танталового сырья белым не назовешь. На части предприятий используется принудительный труд (в том числе детский), но пока удовлетворяются потребности крупных компаний в этом металле, никто не задает лишних вопросов и не вводит никаких санкций. 

Отдельное бедствие — экологические последствия добычи тантала кустарным способом. Но это тема для отдельного материала.  

Патентный аспект

На портале Google.Patents указано 100 тыс. документов по слову tantalum. Рейтинг патентообладателей выглядит следующим образом:

1. Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. (株式会社半導体エネルギー研究所) — 8,7%;

2. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. (台灣積體電路製造股份有限公司) — 6,9%;

3. Applied Materials, Inc. — 5%;

4. Samsung Electronics Co., Ltd. (삼성전자주식회사) — 4,8%;

5. Micron Technology, Inc. — 2,2%;

6. Cabot Corporation — 1,5%;

7. Intel Corporation — 1,4%;

8. International Business Machines Corporation — 1,3%;

9. Avx Corporation — 0,9%;

10. Macronix Corp. (旺宏電子股份有限公司) — 0,8%. 

Рейтинг авторов такой:

1. Shunpei Yamazaki (舜平 山崎) — 5,9%;

2. Shinya Sasagawa — 1%;

3. Hua Chung — 1%;

4. Mei Chang — 0,9%;

5. Kie Y. Ahn — 0,8%;

6. Ling Chen — 0,8%;

7. Leonard Forbes — 0,8%;

8. Seshadri Ganguli — 0,7%;

9. Satoru Okamoto — 0,7%;

10. Robert T. Rozbicki — 0,7%.

Самым активным изобретателем является наш старый знакомый Ямадзаки Сюмпэй. Собственно, он же основатель Semiconductor Energy Laboratory Co., которая лидирует по числу патентов. Примечательно, что №2 в рейтинге изобретателей также работает в этой компании, то есть является подчиненным господина Сюмпэя. Ему мы уже посвятили отдельный материал на Хабре. 

Если же говорить про весь рейтинг, то очевидно главенство японских, тайваньских, американских и южнокорейских корпораций. Да и фамилии изобретателей говорят сами за себя — сплошь японцы, тайваньцы и американцы.   

При этом 56,8% патентов посвящены полупроводниковым приборам (H01L), что также неудивительно.

В базе ФИПС на «тантал» числится 878 патент РФ на изобретения, из которых 343 действующие. Тематика очень разнообразна: от медицины (22 штуки) до компонентов электронных устройств (39 штук). Но в лидерах способы получения металлического тантала и его соединения, а также материалов на его основе, например сплавов, в том числе суперсплавов на основе никеля — 272 штуки.

Патентов на полезные модели числится 86 штук. Из них действующих всего 10. Например, конденсатор (№151644), катодный узел (№183142) и ячейка аккумулятора (№191123). 

Также имеется только одно(!) свидетельство на программу для ЭВМ: «Программа для расчета переходных процессов, возникающих в танталовом конденсаторе, на основе лестничной схемы замещения». 

Свидетельство РФ на топологию интегральных микросхем также одно — технология по 1,2 мкм топологическим нормам на объемном кремнии с плавающими танталовыми затворами в качестве чувствительных элементов матрицы сенсоров (№2018630011).

Баз данных по танталу нет. 

Перспективные исследования 

В базе научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ гражданского назначения числится 1007 документов по танталу, в основном отчёты по НИР по грантам и диссертации. 

Наше внимание привлекли сведения о начинаемых научно-исследовательских работах со сроками исполнения 2024-2026 годы. 

Новые эффективные реагенты на основе тантала и ниобия в синтезе функционализированных полизамещенных олефинов реакцией восстановительного сочетания карбонильных соединений начал исследовать Уфимский федеральный исследовательский центр РАН (партнер Институт нефтехимии и катализа УФИЦ РАН). 

Темой многофункциональных биорезорбируемых антибактериальных покрытий на магниевых сплавах с использованием наночастиц оксида тантала занялся Институт химии Дальневосточного отделения РАН.  Имплантаты, применяемые в травматологии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии отличаются сложностью и трудоемкостью изготовления. 

Потребление в России

Объём рынка танталовой продукции в РФ составляет  около 10 млрд руб. (50 тонн в пересчете на металл) в год. Основные промышленные потребители это два производителя танталовых конденсаторов — АО «Элеконд» (Удмуртия) и АО «Новосибирский завод радиодеталей «Оксид». 

Небольшое производство осуществляется на трех питерских предприятиях — АО «Завод «Мезон», АО «НИИ Гириконд» и ОАО «Завод «Реконд». Всего в России выпускается порядка 10 млн ед. танталовых конденсаторов в год. Основными покупателями выступают предприятия радиоэлектроники, энергетики, медицинской техники, связи, транспорта.

 Тантал в России

Отечественная ресурсная база огромная. Имеются крупные месторождения: Белозиминское (Иркутская обл.), Катугинское (Забайкальский край), Улуг-Танзекское (Р. Тыва). 

В России тантал извлекается из лопаритового концентрата, выпускаемого ООО «Ловозерский ГОК» (Мурманская обл.). Лопаритовый концентрат поставляется на ОАО «Соликамский магниевый завод» (ОАО «СМЗ», Пермский край). 

Необходимость обеспечения сырьевого суверенитета Российской Федерации и растущий спрос участников внутреннего рынка позволяют ОАО «СМЗ» реализовать проект создания нового разделительного производства. В рамках реализации данного проекта предприятие планирует восстановить полную производственную цепочку и выпускать металлический тантал в слитках. Это позволит смежникам осуществлять дальнейшую переработку тантала в различные формы проката и порошков для российской электронной промышленности.   

Проект будет реализован в рамках направления «Редкие и редкоземельные металлы» в составе Дорожной карты развития высокотехнологичной области «Технологии новых материалов и веществ» Российской Федерации. В настоящее время ведутся разработка технологии и проектирование нового производства.  

В 2012-2022 гг. почти весь тантал России отправлялся на экспорт в виде технического пентоксида тантала (порядка 35 тонн в год в пересчете на металл), а готовые высокотехнологичные продукты импортировались (примерно 30 тонн в год).

Металлический тантал ввозили АО «Элеконд» (Удмуртия) в количестве 20 тонн и АО «Завод «Мезон» (СПб) порядка 5 тонн в год — в основном из Казахстана с Ульбинского завода. Специальные порошки конденсаторного назначения в количестве порядка 10 тонн импортировал АО «Новосибирский завод радиодеталей «Оксид».

Производство танталовых порошков конденсаторного типа — основа танталового спроса — пока что в России отсутствует. 

Проблемой озадачились только летом 2023 г. Минпромторговли РФ. В частности, Минпромторговли РФ за 480 млн руб. начало ОКР «Разработка и освоение технологии серийного производства перспективных образцов танталовых оксидно-полупроводниковых конденсаторов с полимерным катодом с максимальной емкостью до 1000 мкФ», шифр «Т-ПолиКонд». 

Танталовые оксидно-полупроводниковые конденсаторы с полимерным катодом не подвержены значительному температурному дрейфу емкости и эффекту смещения при постоянном напряжении и сохраняют стабильное значение емкости в широком частотном диапазоне. 

В декабре 2023 г. за 300 млн руб. начата ОКР «Разработка технологии и постановка на производство низкозарядного агломерированного и сферического порошков тантала конденсаторного класса», шифр «Тантал». Основание для выполнения: государственная программа Российской Федерации «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности». Цель — производство низкозарядного (до 8000 мкКл/г) агломерированного и сферического порошков тантала конденсаторного класса для применения в технологических процессах изготовления радиоэлектронных компонентов. Годовой выпуск порошков должен составлять не менее 10 тонн/год. В настоящее время в России производство отечественных материалов-аналогов с уровнем параметров и характеристик отсутствует. Поставка танталового порошков конденсаторного класса иностранного производства, прекращена.

Зарубежными аналогами разрабатываемых материалов в целях импортозамещения являются танталовые агломерированные порошки компаний H.C.Starck GmbH (ФРГ), Hunan Kuntal Engineering Co. Ltd. (КНР), Ningxia Corp. (КНР), АО «Ульбинский металлургический завод» (Казахстан).

Прямые зарубежные аналоги сферического порошка отсутствуют. Предполагается их получение по отечественной технологии для целей импортозамещения.

Выводы 

Тантал используется преимущественно в виде металлического порошка, из которого формуются аноды электролитических конденсаторов — важнейших компонентов интегральных схем в микроэлектронике. По сравнению с другими типами электролитических конденсаторов танталовые конденсаторы (ТЭКи) имеют максимальную удельную емкость при минимальных габаритах. Они отличаются необычайно высокой надежностью в работе в весьма широком диапазоне температур. Рынок порошкового тантала в настоящее время испытывает структурные изменения, которые вызваны эффектом «миниатюризации» конденсаторов. И, хотя спрос на электронные устройства продолжает расти, количество тантала, используемого в единице продукции, уменьшается. Танталовые конденсаторы также сталкиваются с увеличивающейся конкуренцией со стороны керамических, алюминиевых конденсаторов и, в меньшей степени, ниобиевых. 

Второй важной сферой применения тантала является металлообрабатывающая промышленность. Главный компонент сверхтвердых сплавов для изготовления металлорежущих инструментов — карбид тантала. 

Кроме того, металлический тантал и сплавы на его основе применяются в аэрокосмической промышленности как материалы для ответственных деталей реактивных двигателей и ракет, форсажных камер и другой продукции. Прогнозы в отношении использования тантала в авиакосмической промышленности в обозримом будущем весьма позитивны. Обладая высокой коррозионной стойкостью, металлический тантал используется в химическом машиностроении для плакировки оборудования на заводах по производству серной кислоты, аммиака и других химически агрессивных соединений. 

Тантал — единственный металл, практически не отторгаемый живыми тканями, благодаря чему он используется в восстановительной хирургии; из тантала изготавливают также миниатюрные корпуса электростимуляторов сердечной деятельности.

Противонаправленные тенденции создают сложность в прогнозировании рынка тантала. В грубом приближении — он будет платообразным до 2030 года. Пока что львиную долю этого металла добывают в Африке. И это устраивает большинство заинтересованных сторон. В первую очередь, компании-производители микроэлектроники и аэрокосмические корпорации. Но с запуском добычи на месторождениях в Бразилии, Австралии и Китае картина может измениться. Но не в ближайшие годы.  

В патентном плане лидерство, безусловно, за японскими, тайваньскими, корейскими и американскими компаниями. 

Российские патенты есть, но их ничтожно мало. Обидно, что отсутствуют базы данных, да и программ для ЭВМ тоже нет. Одна-единственная программа на всю страну — это смешно. При этом ресурсная база есть, и она огромная. Как и потенциал этого металла в отечественной промышленности. 

P.S. Новогодний розыгрыш товарного знака под ключ и других призов в нашем Телеграм-канале

Полезное от Онлайн Патент:

→ Что такое Реестр отечественного ПО?

→ Бесплатный онлайн-поиск по базам данных Роспатента и Мадридской системы (доступно после регистрации).

→ Может ли иностранная компания внести свою программу в Реестр отечественного ПО?

→ Как IT-компаниям сохранить нулевой НДС и попасть в Реестр отечественного ПО

→ Как запатентовать технологию?