James C Lewis, teknologiexpert hos KEMET, beskriver i den här artikeln två tekniker som gör det möjligt att använda lagerförda tantalkondensatorer i extremt krävande tillämpningar.

Företag som utvecklar högteknologiska utrustningar för försvars- och medicintillämpningar och andra högtillförlitliga tillämpningar söker COTS (Commercial Off The Shelf) i stället för kundanpassade lösningar för att kunna leverera högpresterande produkter snabbt och till lägsta möjliga kostnad. När myndigheter minskar sina försvarsbudgetar förväntas COTS-produkter bli den starkaste kategorin på den militära sektorn och rymdsektorn med CAGR på runt sex procent, enligt en rapport 2012 från Databeans.

Tantalkondensatorer
Det finns detaljerade riktlinjer för entreprenörer som täcker användningen av olika typer av COTS-komponenter, däribland system på chip och diskreta halvledare, optoelektriska kretsar och kontaktdon samt passiva komponenter som motstånd och kondensatorer. Fördelarna med den kommersiella sektorn är erkända men riktlinjerna hanterar också utmaningar som det stora antalet leverantörer med olika attityd till produktkvalitet, screening och testning.

Det är upp till komponenttillverkaren att garantera att COTS-enheter ger de kostnadsbesparingar och tekniska fördelar som de upphandlingsansvariga förväntar sig. Samtidigt förväntas tillverkarna förbättra kvalitet, prestanda och långtidshållbarhet på fältet.
För att förbättra tillförlitligheten hos tantalkondensatorer för COTS-tillämpningar finns två möjliga vägar. Den första är att gripa sig an grundorsaken till fel som brister i dielektrikumet och svagheter i anslutningen till anoden. Det andra är att skapa nya screeningstekniker som ökar möjligheten för tillverkare att sortera ut de kondensatorer som har högsta möjliga tillförlitlighet på fältet. Båda dessa metoder har nyttjats av KEMET i den nya tillverkningsteknologin F-Tech och den nya testmetoden Simulated Breakdown Screening.

F-Tech
Teknologin F-Tech introducerar två nya tekniker som styr kol- och syreinnehållet i tantalpulvret under sintringen och tillhörande processer som hanterar kondensatorns anod och dielektrikum. Dessa styrprocesser för kol och syre förhindrar bildandet av tantalkarbid och tantaloxid vilka är de huvudsakliga föroreningarna som påskyndar kristallisering.

För att kontrollera kol har KEMET utvecklat en ”de-lube”-processvätska med vilken anoderna upprepade gånger tvättas och analys utförs för att garantera att kolinnehållet är på eller under nivån för tantalpulvret (se fig 1). När det gäller syre används en unik avoxideringsprocess med magnesiumånga och en unik passiveringsprocess för tantalanoderna. Magnesium har högre affinitet för syre än för tantal och när det deponeras på anoden tar det aktivt bort syre från tantalet. Efter deponeringen av magnesium tar en urlakningsprocess bort magnesiumoxiden. Syrenivåerna övervakas för att garantera att syrenivån på anoden är på eller under nivån för tantalpulvret.

Fig. 1. F-Tech kolkontroll

F-Tech har visat sig påtagligt öka tillförlitligheten. Efter 200 timmars accelererad testning vid 85 °C och 1,32 x märkspänningen har KEMETs F-Tech-kondensatorer visat sig inte ha någon degradation, samtidigt som standardtantalkondensatorer har storleksordningen 1,5 gångers degradation i läckström. F-Tech-kondensatorer drar också nytta av en kontakteringsteknologi som ger starkare mekanisk koppling mellan anod och tilledare vilket förhindrar ett vanlig avbrottsfel.

SBDS
SBDS (Simulated Breakdown Screening) är en patenterad teknik (US 7,671,603 B2) för icke förstörande testing för att fastställa sann genombrottsspänning (breakdown voltage, BDV) och materialförstörning då BVD är under ett förutbestämt minimumvärde.

Genom att simulera kondensatorns BVD utan att skada dielektrikumet gör SBDS att KEMET kan fastställa genombrottsspänningen för varje enskild kondensator och välja ut de bästa ur varje parti (se fig 2). Fördelen med SBDS visar sig i form av att genombrottsspänningen är större än 2x märkspänningen i jämförelse med Weibull-specificerade komponenter med en genombrottsspänning så låg som 1,25x märkspänningen. Detta är mätt utan att ta hänsyn till utslitning som är ett fenomen som ibland kan förknippas med Weibull-specificering.

Fig 2. Jämförelse av genombrottsspänning före och efter screening med SBDS

Genom att tillhandahålla ett effektivt sätt att sortera ut kondensatorer med låg genombrottsspänning kan ingenjören med SBDS ta hänsyn till detta vid konstruktionsstadiet och få högre effektivitet. Utan sådan screening är det vanligt för konventionella tantalkondensatorers värde att behöva reduceras med uppåt 50 % vilket kan resultera i 90 % lägre effektivitet.

Degradation och genombrottsspänning
Tantalkondensatorer är polariserade elektrolytkondensatorer med anod i rent sintrat tantal som möjliggör mycket tunt dielektriskt lager. Jämfört med andra typer av kondensatorer har de högre kapacitans per volym, bättre högfrekvensegenskaper och bra långtidsstabilitet. De används också ofta i tillämpningar som filter i kraftaggregat och avkopplingar till mikroprocessorer. Dessutom ger deras låga läckström god funktion i sample-and-hold-kretsar där lång hålltid behövs. Tantalkondensatorer används i militära och medicinska utrustningar och rymdutrustningar som i kraftaggregat, DC/DC-omvandlare samt lednings-, målsystems- och kommunikationsutrustningar.

Den huvudsakliga degradationsmekanismen i tantalkondensatorer är kristalliseringen av anodens oxidfilm. Kristalliseringen stör eller förstör den amorfa strukturen på anodens oxidfilm vilket ökar läckströmmen och risken för genombrott och kortslutning. Hastigheten på kristalliseringen i anodens oxidfilm beror på flera faktorer men viktigast är kemisk renhet och syre i anoden. Man har funnit att ur kemiskt perspektiv är närvaron av kol och syre i anoden den viktigaste orsaken till att det utbildas kristallina strukturer och dessas tillväxthastighet.

Fig 3. Kristallisering beroende på kontaminering av dielektrikumet är en huvudsaklig degradationsorsak

Genombrottsspänningen (BVD) är en indikator på långtidsstabiliteten I tantalelektrolyter och är huvudorsak till degradering av dessa komponenter. Låg BDV indikerar defekter i dielektrikumet och därmed högre risk för fel på fältet. Ett högre BDV indikerar ett bättre dielektrikum och högre tillförlitlighet på fältet.

När det gäller screening av kondensatorer kan inte traditionella läcktester (DC-Leakage, DCL) under tillverkningen upptäcka gömda fel i dielektrikumet som kontaminationer som kan fungera som frö för kristallisation. Därför kan potentiellt icke-tillförlitliga komponenter förbli oscreenade. Å andra sidan kan inbränning och DCL-tester vid överstressning av komponenten inducera nya defekter I dielektrikumet.
James C Lewis, KEMETs Senior Technical Expert för Applications and Technology

Filed under: Kontaktdon