Les condensateurs au tantale solide ont une longue histoire de performances éprouvées dans les applications militaires et spatiales de haute fiabilité. Mais tous les condensateurs ne sont pas créés égaux, même au sein d’une même classe. Comme c’est le cas pour pratiquement toutes les technologies de composants, les matériaux comptent. Cet article discutera des différences de performances et de fiabilité entre les condensateurs au tantale solide avec du dioxyde de manganèse (MnO₂) cathodes et celles avec cathodes en polymère conducteur.

Les Laboratoires Bell ont introduit sur le marché les premiers condensateurs au tantale solide au début des années 1950. La première spécification militaire pour les condensateurs au tantale montés en surface (MIL-PRF-55365) a été publiée en 1989 et a introduit des composants de style CWR09. Depuis lors, les offres de produits régies par cette spécification se sont élargies pour inclure des condensateurs de type CWR19 avec une plage étendue de valeurs CV et des condensateurs de style CWR29, qui offrent de faibles limites ESR pour toutes les valeurs nominales des catégories de produits CWR09 et CWR19.

À la fin des années 1990, KYOCERA AVX a commencé à proposer des familles COTS-Plus de produits de condensateurs au tantale avec des valeurs CV (Capacitance x Tension) étendues et une faible résistance série équivalente (ESR). Ces composants de qualité commerciale ou professionnelle pourraient ensuite être sélectionnés (c'est-à-dire testés et classés en fiabilité selon les méthodes et exigences de test militaires) pour être utilisés dans des applications militaires et aérospatiales de haute fiabilité, souvent avec des coûts et des délais de livraison plus courts que la réalité. composants conformes aux spécifications militaires. Puis, au début des années 2000, KYOCERA AVX a lancé sa première gamme de produits au tantale à l'échelle spatiale, la série SRC9000, qui comprend à la fois des produits militaires QPL et COTS-Plus et offre plusieurs fonctionnalités avantageuses, telles que le dépistage 100 % des rayons X, le dépistage statistique , échantillonnage DPA et tests fonctionnels/de durée de vie sur chaque lot. En 2008, la série SRC9000 était devenue la base de l'introduction des solutions spatiales de niveau T introduites dans la spécification MIL-PRF-55365, qui, comme toutes les autres spécifications qui réglementent l'utilisation de condensateurs au tantale en haute fiabilité. applications militaires et aérospatiales (par exemple, MIL-PRF-39003, MIL-PRF-39006, MIL-PRF-49137) — est basé sur des condensateurs au tantale avec MnO₂ technologie cathodique.

Condensateurs au tantale avec cathodes polymères conductrices de courant, plutôt que MnO₂ Les cathodes existent depuis les années 1990 et offrent un certain nombre d'avantages en termes de performances par rapport au MnO₂ variantes. Cependant, bien que des condensateurs au tantale à cathode polymère soient inclus dans certains dessins DSCC, il n'existe pas de spécifications militaires pour ces produits, car les avantages qu'ils offrent s'accompagnent de sérieux compromis en termes de fiabilité réduite à long terme, d'introduction de mécanismes d'usure. et la variabilité des performances paramétriques sous stress environnemental.

Les condensateurs au tantale solide ont différents degrés d'exigences de stockage et de manipulation. Les familles de produits et/ou certaines tailles de boîtiers qu'elles contiennent sont désignées par un niveau de sensibilité à l'humidité (MSL) qui détermine les conditions environnementales (par exemple, température et humidité) adaptées au stockage et à la manipulation du produit avant l'assemblage du PCB. Condensateurs au tantale avec MnO₂ les cathodes sont généralement classées MSL 1, avec certaines classifications MSL 3 pour les pièces avec des volumes internes plus importants, tandis que pratiquement tous les produits polymères non hermétiques sont définis comme MSL 3 ou supérieur malgré le fait que la structure poreuse de l'anode responsable du potentiel de captage d'humidité est la pareil pour le polymère et le MnO₂ condensateurs au tantale. Cet écart entre les classifications MSL pour les condensateurs au tantale solide avec MnO₂ et les cathodes polymères sont dues au mécanisme d'usure qui n'est présent que dans ces dernières et à la dégradation ultérieure des performances à long terme.

Les condensateurs au tantale qui ne sont pas stockés conformément aux recommandations du produit et qui sont autorisés à absorber des quantités excessives d'humidité peuvent souffrir d'effets de « popcorning » lorsqu'ils sont soumis à des températures de refusion lors de l'assemblage du PCB. Le « popcorning » se produit lorsque l’humidité à l’intérieur de la structure se vaporise rapidement, provoquant une pression interne et une ventilation pouvant provoquer des fissures dans le matériau d’emballage externe. Bien qu'il soit généralement admis que les condensateurs au tantale avec cathodes polymères y sont plus sensibles que le MnO₂à base de condensateurs, KYOCERA AVX élimine de manière proactive tout excès d'humidité de son MnO₂ SRC9000 et MIL-PRF-55365 avant emballage, les fournit dans un emballage protecteur anti-humidité et fournit des directives pour le séchage du produit si les pièces sont exposées à l'humidité avant le montage.

Un avantage essentiel du MnO₂ condensateurs au tantale, et l'une des principales raisons pour lesquelles ils sont idéaux pour une utilisation dans des applications de haute fiabilité et de longue durée de vie, est qu'il n'existe aucun mécanisme d'usure connu pour cette technologie. En fait, MnO₂ les condensateurs au tantale qui fonctionnent dans des applications depuis 30 ans ou plus – même avant la publication de la spécification MIL-PRF-55365 – continuent de s'améliorer en termes de performances de fuite et de fiabilité avec l'âge. Les condensateurs polymères conducteurs utilisent le même diélectrique que le MnO₂ condensateurs au tantale avec les mêmes caractéristiques de fiabilité et de longue durée de vie, mais le polymère conducteur qui remplace le dioxyde de manganèse inorganique est sensible à l'humidité et à l'oxydation, ce qui peut provoquer des changements paramétriques à long terme. Des améliorations ont été apportées à l'emballage des condensateurs polymères conducteurs et ont réussi à atténuer certains problèmes, leur permettant de répondre aux exigences environnementales de qualité automobile, notamment AEC-Q200, mais au-delà de cela, l'usure du matériau polymère va se poursuivre. Le scellement hermétique de ces dispositifs en polymère est actuellement le seul véritable moyen de prévenir les mécanismes d'usure environnementaux provoqués par la pénétration d'humidité et l'oxydation. KYOCERA AVX Série TCH, qui a été développé en partenariat avec l'Agence spatiale européenne (ESA) pour une utilisation dans les applications aérospatiales, propose des condensateurs polymères conducteurs hermétiquement scellés dans deux tailles de boîtier avec différentes valeurs de capacité et de tension.

Le graphique ci-dessous présente les courbes de fiabilité typiques de l'aluminium, MnO₂, et des condensateurs polymères conducteurs et montre que MnO₂ les condensateurs au tantale ne subissent généralement que des défaillances précoces liées à la mortalité infantile et ont par ailleurs une durée de vie indéfinie, tandis que les condensateurs en aluminium et en polymère conducteur se dégradent toujours avec le temps. En tant que tel, des précautions supplémentaires, fondées sur une compréhension approfondie des performances attendues en fin de vie, doivent être prises lors de la conception de tels composants dans des systèmes électroniques.

Courbes de fiabilité typiques pour l'aluminium, MnO₂, et les condensateurs polymères conducteurs soutiennent le fait que MnO₂ les condensateurs au tantale ne subissent généralement que des défaillances précoces liées à la mortalité infantile et ont par ailleurs une durée de vie indéfinie, tandis que les condensateurs polymères conducteurs ont une caractéristique d'usure paramétrique supplémentaire.

En plus d'être sensibles à certaines conditions de stockage, de manipulation et de montage par refusion, les condensateurs polymères conducteurs sont également sensibles aux effets de l'humidité dans les dispositifs finis, les hybrides, les assemblages et certains dispositifs terminaux. Quelles que soient les circonstances entourant sa pénétration, la présence d’un excès d’humidité initie la dégradation du matériau polymère de la cathode. Cette dégradation est ensuite encore accélérée par les caractéristiques de température et de tension d'une application (par exemple, températures égales ou supérieures à 85 °C à 85 % de la tension nominale), ce qui entraîne une perte de capacité paramétrique.

Alternativement, la présence d'humidité dans une application ou pendant le stockage assemblé n'est pas un problème pour le MnO.₂condensateurs au tantale, car le matériau de leur cathode n'est pas dégradé par la présence d'humidité. Les graphiques ci-dessous comparent les performances typiques du MnO₂ et condensateurs polymères conducteurs à 85 °C, 85 % d'humidité relative et tension nominale pendant 500 heures. Le MnO₂ les condensateurs démontrent des augmentations de capacité delta cohérentes et prévisibles entre 7 % et 10 % après 500 heures, tandis que les condensateurs polymères conducteurs ont des unités individuelles qui présentent des performances de capacité delta allant de 12 % jusqu'à -30 % et, si le graphique devait continuer , une dégradation encore plus importante et une perte de capacité supplémentaire au fil du temps.

Ces deux graphiques comparent les performances typiques des condensateurs au tantale commerciaux avec MnO₂ cathodes (à gauche) et celles avec cathodes en polymère conducteur (à droite) à 85 °C, 85 % d'humidité relative et tension nominale pendant 500 heures.

Un autre effet secondaire de l'humidité dans les cathodes polymères conductrices est une perte de conductivité qui peut également affecter le facteur de dissipation et l'ESR.

MnO le plus commercial₂ les condensateurs au tantale ont une plage de températures de fonctionnement s'étendant de -55°C à 125°C, ce qui correspond à la plupart des exigences des applications militaires et de haute fiabilité, tandis que de nombreux condensateurs polymères commerciaux ont généralement une plage de températures de fonctionnement s'étendant de -55°C à 85°C. C ou 105°C. Les condensateurs polymères conducteurs conçus pour l'automobile et d'autres applications à haute fiabilité fonctionnent sur toute la plage de températures de -55 °C à 125 °C.

Une étude réalisée par la NASA dans lesquels des polymères standards étaient stockés à des températures élevées allant de 100°C à 150°C ont montré une dégradation significative des caractéristiques CA du matériau, ce qui est cohérent avec les résultats des tests de contrainte pour les condensateurs polymères. En moins de 12 semaines à des températures élevées, l'ESR du matériau a commencé à augmenter et, après six mois, les amplitudes ont augmenté de deux à dix fois par rapport aux valeurs initiales. Les performances de fuite DC (DCL) au cours de cette période ont eu tendance à diminuer. Lorsque les composants polymères de qualité automobile ont été soumis à un stockage à haute température jusqu'à 10 °C, les caractéristiques AC ont présenté moins de changements, mais le DCL a connu un mouvement significatif jusqu'à deux ordres de grandeur (c'est-à-dire 150x) des valeurs initiales. Le DCL était cependant récupérable après une période prolongée de stockage à température ambiante. Puisqu'il existe plusieurs types différents de matériaux de cathode polymère appliqués aux condensateurs polymères, en plus des variations de lot à lot et de pièce à pièce, les effets du stockage ou des applications à haute température sur les performances peuvent être variables.

Il n’en demeure pas moins que MnO₂ les condensateurs au tantale ne présentent aucun de ces effets, mais démontrent de manière fiable des performances stables pour les caractéristiques AC et DC sur des durées de stockage indéfinies à des températures allant jusqu'à 150°C.

Les condensateurs polymères conducteurs peuvent également souffrir d'un phénomène appelé charge anormale lorsque les pièces sont exposées à un séchage excessif ou fonctionnent dans un environnement sous vide. Dans ces cas, lors de la mise sous tension initiale, les composants peuvent présenter des ordres de grandeur de courant de fuite CC élevés s'étendant de l'ordre du milliampère à l'ampère, ce qui est nettement supérieur à celui d'un fonctionnement normal. Ces effets sont encore exacerbés par le fonctionnement à des températures plus basses, qui peuvent provoquer un court-circuit des condensateurs pendant des fractions de seconde, voire des durées de plusieurs minutes. Cet effet n'est pas visible dans tous les polymères conducteurs, car certains systèmes haute tension ont été développés pour éliminer cette condition.

Les transitoires anormaux peuvent être particulièrement préjudiciables aux circuits lorsque les condensateurs sont utilisés dans une fonction de filtrage, car l'instabilité DCL peut entraîner un bruit indésirable au sein d'un système, ce qui est contraire aux objectifs de filtrage typiques consistant à réduire l'ondulation et à lisser les signaux. Ils peuvent également causer des dommages permanents ou une défaillance des composants si les pièces sont soumises à des courants de charge suffisamment importants, car une condition de courant élevé à la mise sous tension peut empêcher un condensateur de se charger suffisamment rapidement pour que le circuit fonctionne dans un délai spécifié.

Mais encore une fois, MnO₂ les tantales sont également insensibles à ce phénomène, mais présentent une baisse très constante et prévisible des performances DCL dans des conditions environnementales extrêmement sèches, humides ou sous vide sur toute la plage de températures de fonctionnement.

Les condensateurs au tantale solide recommandent un déclassement de 50 % dans l'application, principalement en raison d'événements transitoires et de surtensions qui peuvent être efficacement surmontés avec des conceptions de circuits appropriées (par exemple, caractéristiques comprenant un démarrage progressif, une limitation de courant, une protection de circuit, etc.), tandis que les condensateurs polymères recommandent généralement uniquement Déclassement de 20 % en application. Il est cependant possible de réduire le déclassement requis du tantale solide en fonction de leur conception, de leurs méthodes d'essai et de leurs conditions d'application. Par exemple, KYOCERA AVX a développé et breveté le Q-Process™ , qui intègre des tests DCL utilisant des méthodes exclusives à différentes températures et qui s'est avéré à la fois améliorer la fiabilité et réduire considérablement, voire éliminer, le besoin de déclassement dans de nombreuses applications.

À l'origine, MnO₂ les condensateurs au tantale conçus pour être utilisés dans des applications militaires utilisaient une classification exponentielle pour établir un niveau de fiabilité et un taux de défaillance, ce qui impliquait de collecter des échantillons de chaque lot de produits et de les soumettre à des tests de durée de vie à long terme de 10,000 XNUMX heures pour générer un grand nombre d'heures de composants. . Les informations réussite/échec ont ensuite été utilisées pour déterminer la fiabilité à long terme de la gamme ou de la famille de produits et n'étaient donc pas spécifiques à un lot, ce qui laissait plus de marge de variation. En outre, ce processus de classification imposait également des coûts importants aux fabricants en termes de prise en charge de l'infrastructure et des composants requis.

Ainsi, MnO₂ Les processus de tests de fiabilité ont été transformés en ce que l'on appelle le classement Weibull - un processus de rodage/conditionnement de tension dans lequel 100 % des condensateurs sont soumis à une tension et une température accélérées (et, plus particulièrement, à une tension nominale minimale de 1.3 fois à 85 °C). ) pendant au moins 40 heures. Un échantillon de 300 pièces de pièces est surveillé pour détecter les défaillances après 15 minutes, deux heures, puis 40 heures, et la répartition de ces défaillances détermine la note de fiabilité calculée (c'est-à-dire B, C ou D) pour ce lot particulier de pièces. condensateurs. Pendant que l'échantillon est surveillé pour déceler les défaillances, le lot entier est ensuite brûlé dans les mêmes conditions et toutes les unités désignées comme défaillantes sont retirées de la population. Historiquement, ce processus a été très efficace pour déterminer quels lots de produits conviennent aux applications à haute fiabilité.

Cette courbe de fiabilité de la baignoire ouverte illustre MnO₂ les nourrissons mortels retirés pendant le processus de déverminage/évaluation de la fiabilité.

Considérant que MnO₂ les pannes de condensateurs ont tendance à concerner des nourrissons mortels, ce qui signifie que la plupart des pannes se produisent la première fois qu'ils sont alimentés. Le classement Weibull est particulièrement bien adapté pour établir la fiabilité de cette technologie, car il élimine les nourrissons mortels pour déplacer efficacement le lot vers la panne décroissante. partie tarifaire de la courbe de fiabilité. Ce même processus, cependant, ne fonctionne pas pour les condensateurs polymères, qui ont tendance à présenter un mode de défaillance plus latent en raison de l'usure et des changements de performances paramétriques. En tant que tel, il n’existe actuellement aucune méthode alternative examinée et approuvée par l’industrie pour établir la fiabilité des composants polymères.

En plus de l'évaluation de la fiabilité, plusieurs autres développements de conception et de processus ont amélioré le MnO₂ fiabilité du tantale dans le temps. Ce qui est peut-être le plus important est le contrôle statistique de chaque lot de production pour traiter la capacité au lieu de simplement appliquer les limites définies par le catalogue ou même par le client, car ce processus élimine efficacement toutes les valeurs aberrantes, qui sont les plus susceptibles de causer des problèmes dans une application, du population normale.

L’un des avantages les plus importants en termes de fiabilité à long terme du MnO₂ Les condensateurs au tantale, outre leur absence de mécanismes d'usure, résident dans leur capacité à « s'auto-réparer » ou à isoler les sites défectueux. Ce phénomène se produit lorsque des chemins de fuite élevés génèrent de la chaleur et transforment le MnO₂ en Mn2O5 non conducteur, isolant ainsi le site du défaut, empêchant une détérioration supplémentaire et ramenant le DCL aux niveaux nominaux. Les condensateurs polymères ont un mécanisme d’auto-guérison similaire, mais il est moins efficace. Le matériau polymère étant hautement conducteur, il y a moins de chaleur générée par les sites défectueux. En tant que tels, les sites de défauts ont tendance à ne pas être complètement isolés comme ceux de MnO.₂ condensateurs, ce qui signifie que les fuites de courant continu ont tendance à rester élevées et entraînent des risques croissants de dégradation supplémentaire.

Retours clients et pannes signalées pour MnO haute fiabilité₂ les tantales – dont des millions sont utilisés chaque année dans de nouveaux produits critiques, y compris des applications médicales vitales telles que des stimulateurs cardiaques et des défibrillateurs – sont actuellement à un niveau historiquement bas. Cette baisse du taux de défaillance sur le terrain est attribuable aux améliorations continues des techniques de conception, de traitement et de contrôle qui éliminent de manière fiable les pièces susceptibles de rencontrer des défaillances lors du traitement par le client et prennent en charge de meilleurs composants de base. La plupart des réclamations des clients émises aujourd'hui concernent des produits qui ont été conservés pendant une période de temps significative sans tenir compte d'un stockage et d'une manipulation appropriés avant le montage ou sont simplement de nature esthétique, sans impact sur les performances ou la fiabilité des appareils. Les défauts esthétiques comprennent généralement des fissures dans le corps du condensateur causées par la dilatation thermique des matériaux ou des parois de boîtier plus minces conçues pour supporter l'expansion des offres CV et n'ont aucun effet sur le MnO.₂ performances du condensateur, durée de vie ou fiabilité de l'application.

Cependant, on ne peut pas en dire autant des condensateurs polymères. Bien que plusieurs améliorations aient été apportées à l'emballage des composants polymères ces dernières années, la seule véritable protection contre l'usure consiste à utiliser des dispositifs hermétiquement fermés.

Parfois, le niveau de claquage de tension est également présenté comme un moyen d'évaluer la fiabilité des composants, mais les deux MnO₂ et les composants polymères ont des performances de claquage de tension similaires (démarrant généralement à deux fois la tension nominale), ce qui est directement lié aux processus de guérison post-formation au sein du diélectrique et n'a aucun effet direct sur les performances au sein d'une application.

L'un des avantages signalés des condensateurs polymères en matière de fiabilité à long terme est un mode de défaillance bénin par rapport au MnO.₂ condensateurs. Lorsqu'un MnO₂ Le composant tombe en panne, il court-circuite, ce qui signifie que le courant vers le composant est illimité et que la panne de l'appareil peut devenir catastrophique, du fait que le MnO₂ Le système cathodique est un agent d’oxydation. Le système cathodique du condensateur polymère élimine cet agent d'oxydation, mais peut toujours échouer par court-circuit, et même si cela n'a pas un effet aussi catastrophique que la défaillance d'un MnO.₂ condensateur, un courant illimité vers un condensateur polymère en court-circuit peut toujours entraîner un échauffement local important.

L'un des plus grands avantages des composants polymères réside dans leurs valeurs ESR extrêmement faibles, qui se situent entre un chiffre et des dizaines de milliohms. Alors que le MnO standard₂ Les composants ont une caractéristique ESR plus élevée, la disponibilité d'un style de construction multianode développé spécifiquement pour réduire l'ESR comble efficacement une grande partie de l'écart entre ces deux technologies. KYOCERA AVX Tunnelier série SRC9000 MnO à ESR ultrafaible₂ les condensateurs au tantale multianodes, par exemple, fournissent des limites ESR jusqu'à 18 mΩ et ont été activement conçus dans de nombreuses applications au niveau aérospatial et spatial au cours des 10 dernières années, au cours desquelles aucune erreur ou défaillance sur le terrain n'a jamais été signalée. Le succès significatif, les performances impressionnantes et la fiabilité à long terme de cette série sont peut-être mieux démontrés par son emploi dans le système ChemCam du Mars Curiosity Rover, qui comportait 630 condensateurs de la série TBM et les a alimentés plus d'un demi-million de fois entre l'atterrissage du rover sur Mars le 6 août 2012 et sa mort le 13 février 2019.

MnO₂ les condensateurs au tantale ont certains des niveaux DCL les plus bas disponibles et dépassent régulièrement et remarquablement les limites publiées. Par exemple, alors que les composants typiques de qualité militaire spécifient des niveaux de fuite de 0.01 CV, le MnO haute fiabilité₂ les composants présentent normalement des capacités de processus allant de 0.001 CV à 0.0025 CV. Tout MnO haute fiabilité₂ les condensateurs produits par KYOCERA AVX, par exemple, sont soumis à des protocoles de contrôle de conformité rigoureux pour garantir que les clients reçoivent des composants dans les trois écarts types (c'est-à-dire sigma) de la capacité du processus, ce qui est nettement inférieur aux limites des spécifications et à la capacité intrinsèque des non-produits. -Styles hermétiques de composants polymères.

À l'inverse, les composants polymères ont publié des valeurs DCL allant de 0.1 CV à 0.05 CV, mais sans les mêmes améliorations significatives des performances réelles, ce qui se traduit par des performances DCL 5 à 50 fois inférieures à celles d'un MnO comparable.₂ composants.

Enfin, les limites de filtrage utilisées lors des tests électriques des condensateurs sont également d'une importance cruciale. Les composants spatiaux SRC9000 de KYOCERA AVX font l'objet d'un contrôle statistique pour l'ESR et le DCL afin d'obtenir une répartition plus étroite au sein de la population et d'éliminer les valeurs aberrantes. Une limite de trois sigma est établie pour chaque lot de composants et utilisée pour supprimer les unités individuelles qui, bien que bien en deçà des limites publiées, sont en dehors de la population normale afin de fournir une population plus homogène et d'améliorer encore les performances.

Vous trouverez ci-dessous un tableau décrivant les différences générales de performances ESR et DCL entre différents groupes de composants.

En raison de mécanismes d'usure connus et de l'instabilité des performances CA ou CC dans des conditions électriques et environnementales, les condensateurs au tantale dotés de systèmes de cathodes polymères ne sont pas recommandés pour une utilisation à long terme dans toutes les applications à haute fiabilité. Condensateurs au tantale avec MnO₂ Les systèmes cathodiques, en revanche, ont une longue histoire de performances extrêmement stables au fil de décennies d'emploi dans des applications militaires et spatiales exigeantes et dans des environnements difficiles, ce qui en fait clairement la technologie préférée pour une utilisation à long terme dans des missions à haute fiabilité. - les applications critiques au niveau militaire et spatial.