Tolérance aux radiations des condensateurs au tantale et en céramique

INTRODUCTION

La résistance aux radiations des composants électroniques passifs est actuellement peu étudiée. En général, ces composants sont considérés comme insensibles aux environnements ionisants ou ne sont pas utilisés dans des applications résistantes aux radiations. Ce manque de connaissances freine l'adoption de technologies relativement nouvelles dans les domaines spatial, nucléaire, militaire et autres applications soumises à des rayonnements ionisants, notamment les condensateurs au tantale polymère, qui offrent une densité énergétique élevée, une faible résistance série et des paramètres électriques stables.

Pour approfondir l'étude des composants électroniques passifs destinés à ces applications, il est important de se concentrer non seulement sur la dose de rayonnement ionisant, mais aussi sur le type de rayonnement. Les effets des rayonnements directement ionisants et indirectement ionisants peuvent différer, et chaque groupe fait l'objet de classifications. Les rayonnements directement ionisants sont constitués de particules chargées, par exemple des électrons et des protons, possédant une énergie suffisante pour créer une ionisation dans les matériaux. Du fait de leur charge, ils sont influencés par les champs électromagnétiques, ce qui réduit généralement leur pénétrabilité. Les rayonnements indirectement ionisants comprennent des particules sans charge électrique, comme les neutrons et les photons, et présentent une pénétrabilité plus élevée en raison d'une probabilité d'interaction avec la matière plus faible.

Dans un article de 2023 intitulé « Tolérance aux radiations des condensateurs tantale polymère », Kyocera AVX a étudié la tolérance aux radiations de condensateurs tantale CMS moulés, équipés d'une cathode MnO₂ conventionnelle et d'une cathode polymère. Dans les deux cas, les condensateurs ont montré une excellente tolérance aux radiations en termes de capacité (CAP), de facteur de dissipation (DF), de résistance série équivalente (ESR) et de courant de fuite continu (DCL) après irradiation par un faisceau de photons de 20 MeV à un débit de dose de 1.44 kGy, jusqu'à une dose totale de 4.5 kGy. [1].

Cet article étudie plus en détail la tolérance aux rayonnements des composants passifs de plusieurs séries de condensateurs haute fiabilité fabriqués par Kyocera AVX, en particulier les condensateurs au tantale polymère hermétiquement scellés, les condensateurs au tantale humides MIL-PRF-39006/33 et les MLCC MIL-PRF-32535 avec diélectrique X7R.

CONDENSATEURS AU TANTALE POLYMÈRE HERMÉTIQUEMENT SCELLÉS

La construction des condensateurs au tantale hermétiques est similaire à celle des condensateurs au tantale polymère CMS standard, comme illustré à la figure 1. Chaque condensateur est constitué d'une pastille frittée de poudre de tantale de très grande surface. Le diélectrique en pentoxyde de tantale est formé par application d'une tension continue à des pastilles immergées dans un électrolyte acide, l'épaisseur du diélectrique étant proportionnelle à la tension appliquée. La borne de cathode en polymère est préparée soit par polymérisation in situ, soit par dépôt de dispersions de polymères. Le matériau polymère conducteur le plus couramment utilisé est le PEDOT (poly(3,4-éthylènedioxythiophène)), qui assure un contact fort avec le diélectrique, une conductivité élevée et une stabilité thermique. Le scellement hermétique de ces condensateurs dans un boîtier en céramique empêche l'oxydation et la dégradation de la cathode en polymère par l'humidité.

Les condensateurs tantale polymère hermétiques offrent une faible résistance série équivalente (ESR), une densité énergétique élevée, des tensions allant jusqu'à 125 V et des paramètres électriques stables. Ils sont couramment utilisés dans les alimentations électriques et les impulsions de puissance dans l'aérospatiale et la défense. [2,3]

Figure 1 – Construction d'un condensateur CMS en tantale polymère
CONDENSATEURS AU TANTALE HUMIDES

Similaires aux condensateurs au tantale polymère CMS, les condensateurs au tantale humides sont constitués d'une pastille frittée de poudre de tantale comprimée, de très grande surface spécifique, et d'un fil de tantale noyé. Cette pastille sert d'électrode positive (anode). Une couche de diélectrique de pentoxyde de tantale (Ta₂O₅) est créée à la surface de l'anode par l'application d'un courant continu à travers l'anode dans un électrolyte acide. L'électrode négative (cathode) est constituée d'un matériau de très grande surface spécifique sur la surface interne d'un boîtier en tantale, en contact avec un électrolyte liquide. Cet électrolyte relie la cathode à la couche diélectrique, formant ainsi la cathode complète. Tous les composants sont contenus dans le boîtier, hermétiquement fermé, avec un fil d'anode externe relié au fil d'anode noyé et un fil de cathode externe relié au boîtier. Un exemple est présenté à la figure 2.

Les condensateurs au tantale humides sont utilisés depuis de nombreuses années dans les applications de stockage à haute énergie où l'efficacité volumétrique et une fiabilité élevée sont essentielles, notamment dans l'exploration pétrolière industrielle, l'avionique militaire et les applications aérospatiales. [4]Le Kyocera AVX MIL-PRF-39006/33 répond aux exigences des condensateurs au tantale humides dans les applications militaires.

Figure 2 – Construction du condensateur au tantale humide MIL-PRF-39006/33
CONDENSATEURS CÉRAMIQUES AVEC DIÉLECTRIQUE X7R

Les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) sont constitués d'un bloc céramique monolithique contenant deux jeux d'électrodes décalées et intercalées, noyées dans le diélectrique céramique. Deux types de formulations céramiques sont couramment utilisés : la classe I, à compensation thermique, et la classe II, stable en température et adaptée aux applications générales. Le diélectrique X7R est l'une des formulations de classe II les plus répandues, connue pour sa variation de capacité de ± 15 % sur une plage de températures allant de -55 °C à +125 °C. Outre la température, la capacité des MLCC de classe II varie en fonction de la tension et de la fréquence appliquées (pour plus de détails sur les performances dans diverses conditions de fonctionnement, consultez le logiciel SpiCap de Kyocera AVX). [5] Un exemple de construction MLCC est illustré dans la figure 3.

Kyocera AVX propose des condensateurs MLCC diélectriques MIL-PRF-32535 X7R homologués DLA, disponibles dans des boîtiers de 0402 à 2220, avec des valeurs de capacité/tension allant de 2.2 nF à 22 µF et de 16 à 100 V. Ces condensateurs élargissent la plage de tension nominale par rapport aux spécifications MIL standard, tout en garantissant une fiabilité élevée. Leurs applications typiques incluent les satellites d'exploration scientifique, d'observation de la Terre, de communication, les lanceurs de satellites et diverses applications militaires, terrestres ou aériennes. [6]

Figure 3 – Construction du MLCC [5]
TEST DE RADIOACTIVITÉ

Pour l'irradiation des pièces, un Microtron MT25 a été utilisé par l'Académie tchèque des sciences (CAS) à Prague (Figure 4).

Figure 4 – Microtron MT25

Le MT25 est un accélérateur d'électrons cyclique doté d'un résonateur Kapitza, capable d'exciter des électrons en grappes à des niveaux échelonnés par pas de 1 MeV, de 6 MeV à 25 MeV. Les électrons sont accélérés par un champ électrique RF d'amplitude et de fréquence constantes, dans un champ magnétique uniforme. Un schéma du MT25 est présenté à la figure 5. [7]

Figure 5 – Composants du MT25, y compris (1) le magnétron, (2) le déphaseur, (3) le circulateur, (4) la charge d'eau, (5) la cavité accélératrice, (6) l'aimant principal (chambre à vide), (7) les trajectoires des électrons, (8) l'extracteur de faisceau réglable, (9) le premier déflecteur

Contrairement aux cyclotrons qui produisent des protons, le microtron accélère les électrons, environ mille fois plus légers que les protons. Bien que les électrons puissent être accélérés à des énergies cinétiques élevées comparables à celles des protons, leurs interactions avec la matière diffèrent considérablement en raison de différences de masse, de charge et de comportement à l'échelle atomique. La masse plus faible des électrons se traduit par une énergie transmise plus faible aux échantillons irradiés, provoquant principalement des modifications chimiques sans induire de réactions nucléaires. Par conséquent, aucune radioactivité n'est transmise au dispositif testé (DUT), ce qui facilite l'obtention d'une irradiation homogène de l'échantillon. Le microtron offre également un excellent contrôle et une excellente configurabilité de la dose totale de rayonnement. [1]

L'irradiation utilise un faisceau de photons (Bremsstrahlung) d'une énergie de 20 MeV. Ce rayonnement électromagnétique est produit par la décélération des électrons traversant une cible en tungstène placée derrière la fenêtre de sortie.[7] Le débit de dose de ce faisceau de photons était de 1.44 kGy/heure.

La dose d’irradiation extrême a utilisé un faisceau d’électrons provenant directement du microtron, avec une énergie de 20 MeV et un débit de dose de 120 kGy/heure.

Les condensateurs tantale polymère hermétiques (TCH9226M100W0150), les condensateurs tantale humides (M39006/33-0040) et deux condensateurs céramiques à diélectrique X7R ont été montés sur un réseau de circuits imprimés FR5 personnalisé pour irradiation et caractérisation (figure 6). Chaque groupe a été exposé à trois doses de rayonnement différentes provenant d'un faisceau de photons, sous tension de polarisation nominale. De plus, tous les groupes ont été testés avec une dose d'irradiation extrême provenant d'un faisceau d'électrons, sous tension de polarisation nominale, comme illustré à la figure 7.

Figure 6 – Test des circuits imprimés avec des condensateurs
Figure 7 – Tableau dose/biais pour l'exposition aux rayonnements

De plus, une période de recuit haute température de 24 heures à 125 °C a été incluse comme étape finale du cycle d'essai. Cette étape, fréquemment citée dans les normes relatives aux composants irradiés (telles que MIL-STD 750-1, MIL-STD 883, ESCC 25100 et ESCC 22900), peut contribuer à dissiper les électrons d'excitation induits dans le matériau diélectrique par le rayonnement.

Après chaque dose de rayonnement, la capacité volumique, la résistance série équivalente (ESR), le facteur de dissipation (DF) et le courant de fuite continu (DCL) ont été mesurés sur les composants du réseau. Pour les condensateurs au tantale polymère hermétiquement scellés, la capacité volumique et le DF ont été mesurés à 120 Hz avec une polarisation de 2 V et un courant de mesure de 1 V CA ; la résistance série équivalente a été mesurée à 100 kHz avec une polarisation de 2 V et un courant de mesure de 1 V CA ; et le DCL a été mesuré avec une résistance de 1 kΩ en série à température ambiante (TA), les mesures étant prises 300 secondes après l'application de la tension nominale.

Pour les condensateurs au tantale humides, la capacité volumique, la DF et l'ESR ont été mesurées à 120 Hz avec une polarisation de 2 V et un courant de mesure de 1 V CA ; la DCL a été mesurée avec une résistance de 1 kΩ en série à température ambiante, avec des lectures prises après 300 secondes d'application de la tension nominale.

Pour les condensateurs céramiques avec diélectrique X7R, la capacité volumique, la DF et l'ESR ont été mesurées à 1 kHz avec une polarisation de 2 V et un courant de mesure de 0.5 V CA ; la DCL a été mesurée avec une résistance de 10 kΩ en série à température ambiante, avec des lectures prises après 300 secondes d'application de la tension nominale.

En observant les changements de ces paramètres à travers différentes doses de rayonnement, la résilience de chaque appareil sous rayonnement ionisant peut être évaluée.

RÉSULTATS DES TESTS | IRRADIATION PAR FAISCEAU DE PHOTONS

Une légère diminution de la capacité a été observée pour les MLCC de 25 V et 100 V après irradiation photonique à des doses allant de 1.5 à 4.5 kGy (figures 8 et 9). La variation de capacité après irradiation était de -7.5 % pour les composants de 100 V et de -10 % pour ceux de 25 V. Pour les deux références, la capacité est restée dans la limite de -15 % autorisée par la norme MIL-PRF-32535 (ligne rouge), malgré cette diminution.

Une légère augmentation du courant de fuite a été constatée dans les condensateurs au tantale humides, augmentant d'environ 1 µA pour atteindre un total d'environ 2 µA (figure 11). Cette augmentation n'a eu aucun impact significatif sur les performances des composants et est restée bien inférieure à la limite de spécification de 5 µA (ligne noire).

Aucun autre changement significatif n'a été observé dans les paramètres mesurés des condensateurs testés après irradiation par faisceau de photons à des doses allant jusqu'à 4.5 kGy. Les condensateurs en tantale polymère hermétiquement scellés ont montré une excellente stabilité sur tous les paramètres mesurés sous irradiation par faisceau de photons jusqu'à ce niveau de dose (figure 10).

Figure 8 – Paramètres électriques des MLCC 100 V avant et après irradiation par faisceau de photons
Figure 9 – Paramètres électriques des MLCC 25 V avant et après irradiation par faisceau de photons
Figure 10 – Paramètres électriques des condensateurs au tantale polymère hermétiquement scellés avant et après irradiation par faisceau de photons.
Figure 11 – Paramètres électriques des condensateurs au tantale humides avant et après irradiation par faisceau de photons.
RÉSULTATS DES TESTS | IRRADIATION PAR FAISCEAU D'ÉLECTRONS

L'irradiation par faisceau d'électrons à une dose de 250 kGy a entraîné une augmentation de la DCL sur tous les condensateurs testés. La DCL des deux références MLCC est restée inférieure à 70 nA après les tests (figures 12 et 13).

Dans les condensateurs tantale polymère hermétiques, la DCL a augmenté d'environ 1 µA. Après les tests, la DCL est restée dans la limite de spécification de 220 µA pour ces composants (figure 14).

Pour les condensateurs au tantale humides, l'augmentation de DCL la plus élevée observée sous irradiation par faisceau d'électrons est passée de 1 µA à 5.1 µA, certaines pièces dépassant la limite initiale de spécification de 5 µA. Selon la norme MIL-PRF-39006/33B, une augmentation allant jusqu'à 125 % de la limite DCL initiale est autorisée pour les tests de fiabilité, ce qui équivaut à 6.25 µA pour ce numéro de pièce ; ce seuil n'a pas été dépassé (figure 15).

Figure 12 – Paramètres électriques des MLCC 100 V avant et après irradiation par faisceau d’électrons.
Figure 13 – Paramètres électriques des MLCC 25 V avant et après irradiation par faisceau d’électrons.
Figure 14 – Paramètres électriques des condensateurs au tantale polymère hermétiquement scellés avant et après irradiation par faisceau d’électrons.
Figure 15 – Paramètres électriques des condensateurs au tantale humides avant et après irradiation par faisceau d’électrons.
DISCUSSIONS ET CONSIDÉRATIONS FUTURES

Les MLCC diélectriques X7R ont montré une diminution de leur capacité après irradiation par faisceau de photons à des doses allant jusqu'à 4.5 kGy et par faisceau d'électrons à une dose de 250 kGy ; cette diminution est toutefois restée dans les limites des tests de fiabilité. De plus, la DCL a montré une augmentation négligeable sous irradiation par faisceau d'électrons. Les paramètres ESR et DF ont démontré une excellente stabilité dans ces conditions. Ces résultats concordent avec ceux de publications précédentes. [8], soutenant la recommandation de ces condensateurs pour les applications militaires et spatiales avec exposition aux rayonnements.

Les condensateurs au tantale hermétiques ont démontré une excellente stabilité au rayonnement pour tous les paramètres électriques après irradiation par faisceau de photons à des doses allant jusqu'à 4.5 kGy et par faisceau d'électrons à 250 kGy. Ce comportement est cohérent avec celui des condensateurs CMS moulés en polymère tantale. [1]La combinaison d'une efficacité volumétrique élevée, d'un faible ESR et d'une longue durée de vie avec des propriétés d'auto-guérison rend ces condensateurs adaptés aux applications militaires et spatiales avec exposition aux rayonnements.

Les condensateurs au tantale humides ont également montré une excellente stabilité des paramètres électriques après irradiation par faisceau de photons à des doses allant jusqu'à 4.5 kGy. Après irradiation par faisceau d'électrons à 250 kGy, la DCL a légèrement augmenté, tout en restant dans les limites des tests de fiabilité. Sur la base de ces résultats, les condensateurs au tantale humides sont recommandés pour les applications militaires et spatiales exposées aux rayonnements.

Les changements de DCL observés après la dose extrême de 250 kGy du faisceau d'électrons ont été attribués à l'effet ionisant direct de l'irradiation électronique et à sa densité énergétique élevée, avec un débit de dose de 120 kGy/heure.

Les futurs essais pourraient explorer la mesure en temps réel des paramètres électriques des condensateurs conventionnels au tantale MnO₂, au tantale polymère et au tantale humide pendant l'irradiation, ainsi que l'étude des effets de l'irradiation neutronique. Ces deux essais présentent des défis uniques en termes d'équipements de test et de radioprotection.

Pour en savoir plus sur les condensateurs polymères au tantale de KYOCERA AVX, visitez : https://www.kyocera-avx.com/products/tantalum/high-reliability/

Références:

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Sur Août 6, 2025   /   Condensateurs en céramique, Actualités / Événements / Presse, Tantale / Niobium / Polymère, Articles techniques/livres blancs