タンタルコンデンサとセラミックコンデンサの耐放射線性

はじめに

受動電子部品の耐放射線性については、現在十分な研究が進んでおらず、一般的に電離放射線環境の影響を受けないと考えられているか、耐放射線性を必要とする用途には使用されていません。こうした知識不足が、高エネルギー密度、低直列抵抗、安定した電気パラメータを提供するポリマータンタルコンデンサなど、比較的新しい技術の宇宙、原子力、軍事、その他の電離放射線環境における用途への導入を遅らせています。

これらの用途における受動電子部品のさらなる調査には、電離放射線量だけでなく、放射線の種類にも注目することが重要です。直接電離放射線と間接電離放射線の影響は異なる場合があり、それぞれのグループにはさらに細分化されています。直接電離放射線は、電子や陽子などの荷電粒子で構成され、物質を電離させるのに十分なエネルギーを持っています。荷電粒子は電荷を持っているため、電磁場の影響を受け、一般的に透過性が低下します。間接電離放射線には、中性子や光子などの電荷を持たない粒子が含まれており、物質との相互作用の可能性が低いため、透過性は高くなります。

京セラAVXは2023年に発表した「タンタルポリマーコンデンサの放射線耐性」という論文で、従来のMnO₂カソードとポリマーカソードを用いたモールドSMDタンタルコンデンサの放射線耐性を調査しました。どちらの場合も、20MeV光子ビームを1.44kGyの線量率で照射した後、総線量4.5kGyまで、静電容量（CAP）、誘電正接（DF）、等価直列抵抗（ESR）、直流電流リーク（DCL）の点で優れた放射線耐性を示しました。 [1]。

この記事では、京セラ AVX が製造する複数の高信頼性コンデンサ シリーズ (具体的には密閉型ポリマー タンタル コンデンサ、MIL-PRF-39006/33 湿式タンタル コンデンサ、および X32535R 誘電体を使用した MIL-PRF-7 MLCC) にわたる受動部品の放射線耐性をさらに調査します。

密閉型ポリマータンタルコンデンサ

密閉型タンタルコンデンサの構造は、図1に示すように、標準的なSMDポリマータンタルコンデンサの構造と似ています。各コンデンサは、非常に大きな表面積を持つタンタル粉末の焼結ペレットで構成されています。五酸化タンタル誘電体は、酸性電解液に浸漬したペレットにDC電圧を印加することで形成され、誘電体の厚さは印加電圧に比例します。ポリマーカソード端子は、in-situ重合法またはポリマー分散液の堆積法のいずれかで作製されます。最も一般的に使用される導電性ポリマー材料はPEDOT（ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン））で、誘電体との強力な接触、高い導電性、および温度安定性を提供します。これらのコンデンサをセラミックケースに密閉することで、ポリマーカソードの酸化や湿度による劣化を防止します。

密閉型ポリマータンタルコンデンサは、低ESR、高エネルギー密度、最大125Vの電圧、そして安定した電気パラメータを備えています。代表的な用途としては、航空宇宙・防衛分野における電源やパルス電源などが挙げられます。 【2,3]

図1 – SMDタンタルポリマーコンデンサの構造
湿式タンタルコンデンサ

SMDポリマータンタルコンデンサと同様に、湿式タンタルコンデンサは、非常に高い表面積を持つ圧縮タンタル粉末から作られた焼結ペレットと、埋め込まれたタンタルワイヤで構成されています。このペレットが正極（アノード）として機能します。酸性電解液中でアノードに直流電流を流すと、アノード表面に五酸化タンタル（Ta₂O₅）誘電体層が形成されます。負極（カソード）は、タンタル缶の内面に極めて高い表面積を持つ材料が含まれ、液体電解液と接触しています。この電解液がカソードを誘電体層に接続し、完全なカソードを形成します。すべてのコンポーネントは缶内に収納され、密閉されています。外部のアノードリードは埋め込まれたアノードワイヤに接続され、外部のカソードリードは缶に接続されています。図2に例を示します。

湿式タンタルコンデンサは、産業用石油探査、軍事用航空電子工学、航空宇宙用途など、体積効率と高い信頼性が不可欠な高エネルギー貯蔵用途で長年使用されてきました。 【4]京セラ AVX MIL-PRF-39006/33 は、軍事用途における湿式タンタルコンデンサの要件を満たしています。

図2 – 湿式タンタルコンデンサの構造 MIL-PRF-39006/33
X7R誘電体セラミックコンデンサ

積層セラミックコンデンサ（MLCC）は、セラミック誘電体内にオフセットされた7組のインターリーブ電極を備えたモノリシックセラミックブロックで構成されています。一般的に使用されているセラミック組成は、温度補償型のクラスIと、温度安定性があり一般用途に適したクラスIIの15種類です。X55R誘電体は、最も広く使用されているクラスII組成の125つであり、-XNUMX°C～+XNUMX°Cの温度範囲で±XNUMX%以内の静電容量変化を実現することで知られています。クラスII MLCCの静電容量は、温度に加えて、印加電圧と周波数によっても変化します（様々な動作条件下での性能の詳細については、京セラAVXのSpiCapソフトウェアをご覧ください）。 【5] MLCC の構造例を図 3 に示します。

京セラAVXは、DLA認定のMIL-PRF-32535 X7R誘電体MLCCを0402～2220のケースサイズで提供しています。静電容量／電圧定格は2.2nF～22µF、電圧定格は16～100Vです。これらのコンデンサは、高い信頼性を維持しながら、標準的なMIL規格と比較してCV範囲を拡大しています。主な用途としては、科学探査衛星、地球観測衛星、通信衛星、衛星打ち上げ機、そして様々な軍事用途、陸上・航空用途などが挙げられます。 【6]

図3 – MLCCの構造[5]
放射線検査

部品の照射には、プラハのチェコ科学アカデミー (CAS) の Microtron MT25 が使用されました (図 4)。

図4 – マイクロトロン MT25

MT25は、カピッツァ共振器を備えた環状電子加速器で、1MeVから6MeVまで25MeVステップで調整可能なエネルギーレベルでクラスター電子を励起することができます。電子は、均一磁場中で一定振幅および一定周波数の高周波電界によって加速されます。MT25の概略図を図5に示します。 【7]

図5 – MT25の構成要素（1）マグネトロン、（2）移相器、（3）サーキュレータ、（4）水負荷、（5）加速空洞、（6）主磁石（真空チャンバー）、（7）電子軌道、（8）調整可能ビーム抽出器、（9）第XNUMX偏向器

陽子を生成するサイクロトロンとは異なり、マイクロトロンは陽子の約1000分の1の軽さを持つ電子を加速します。電子は陽子に匹敵する高い運動エネルギーまで加速できますが、質量、電荷、そして原子レベルでの挙動の違いにより、物質との相互作用は大きく異なります。電子の質量が小さいため、照射サンプルに与えられるエネルギーは低く、核反応を誘発することなく主に化学変化を引き起こします。その結果、被試験デバイス（DUT）に放射能が付与されず、サンプルへの均一な照射が容易になります。また、マイクロトロンは総放射線量の優れた制御と設定可能性も備えています。 【1]

照射には20MeVのエネルギーを持つ光子ビーム（制動放射線）が用いられました。この電磁放射線は、出射窓の後ろに配置されたタングステンターゲットを通過する電子の減速によって生成されます。【7] この光子ビームの線量率は1.44 kGy/時でした。

極度の照射線量では、エネルギー 20 MeV、線量率 120 kGy/時のマイクロトロンからの電子ビームを直接使用しました。

密閉型タンタルポリマーコンデンサ（TCH9226M100W0150）、湿式タンタルコンデンサ（M39006/33-0040）、およびX7R誘電体を用いたセラミックコンデンサ5個を、カスタムFR6 PCBアレイに実装し、照射試験および特性評価を行いました（図7）。各グループは、定格バイアス電圧を印加した状態で、光子ビームによるXNUMX種類の異なる放射線量に曝露されました。さらに、図XNUMXに示すように、全グループに対し、定格バイアス電圧を印加した状態で、電子ビームによる極限放射線量試験を実施しました。

図6 – コンデンサを搭載したPCBのテスト
図7 – 放射線被曝の線量/バイアス表

さらに、試験サイクルの最終段階として、24℃で125時間の高温アニール処理が行われました。このステップは、照射部品に関する規格（MIL-STD 750-1、MIL-STD 883、ESCC 25100、ESCC 22900など）で一般的に参照されており、放射線によって誘電体材料に誘起された励起電子を消散させるのに役立つ可能性があります。

各放射線照射後、アレイ内のデバイス全体でバルク容量、ESR、誘電正接（DF）、および直流リーク電流（DCL）を測定しました。密閉型ポリマータンタルコンデンサについては、バルク容量とDFは120 Hz、バイアス電圧2 V、測定電流1 VのACで測定しました。ESRは100 kHz、バイアス電圧2 V、測定電流1 VのACで測定しました。DCLは、室温（RT）で1 kΩの抵抗器を直列に接続して測定し、定格電圧を印加してから300秒後に測定値を取得しました。

湿式タンタルコンデンサの場合、バルク容量、DF、および ESR は、120 V バイアスおよび 2 V AC 測定電流を使用して 1 Hz で測定されました。DCL は、RT で 1 kΩ の抵抗器を直列に接続して測定され、定格電圧を印加してから 300 秒後に読み取りが行われました。

X7R 誘電体を使用したセラミック コンデンサの場合、バルク容量、DF、および ESR は、1 V バイアスおよび 2 V AC 測定電流を使用して 0.5 kHz で測定されました。DCL は、RT で 10 kΩ の抵抗器を直列に接続して測定され、定格電圧を印加してから 300 秒後に読み取りが行われました。

異なる放射線量にわたってこれらのパラメータの変化を観察することにより、電離放射線下での各デバイスの耐性を評価することができます。

試験結果 | 光子ビーム照射

25～100 kGyの光子照射後、1.5 Vおよび4.5 VのMLCCのいずれにおいても、静電容量のわずかな低下が観察されました（図8および9）。照射後の静電容量の変化は、7.5 V品で-100%、10 V品で-25%でした。両品番とも、静電容量は減少したにもかかわらず、MIL-PRF-15（赤線）で規定されている許容変化率-32535%の範囲内に留まりました。

湿式タンタルコンデンサでは、リーク電流がわずかに増加し、約1µA増加して合計約2µAとなりました（図11）。この増加は部品の性能に大きな影響を与えず、5µAの仕様限界（黒線）を大きく下回っていました。

試験対象となったコンデンサのいずれにおいても、最大4.5 kGyの光子線照射後、測定パラメータにその他の顕著な変化は認められませんでした。密閉型ポリマータンタルコンデンサは、この線量レベルまでの光子線照射下において、測定パラメータ全てにおいて優れた安定性を示しました（図10）。

図8 – 光子ビーム照射前後の100 V MLCCの電気的パラメータ
図9 – 光子ビーム照射前後の25 V MLCCの電気的パラメータ
図10 – 光子ビーム照射前後の密閉型ポリマータンタルコンデンサの電気的パラメータ。
図11 – 光子ビーム照射前後の湿式タンタルコンデンサの電気的パラメータ。
試験結果 | 電子ビーム照射

250kGyの電子線照射により、試験対象となった全てのコンデンサにおいてDCLが増加しました。試験後も、MLCCの両品番のDCLは70nA未満を維持しました（図12および13）。

密閉型ポリマータンタルコンデンサでは、DCLが約1µA増加しました。試験後、DCLはこれらの部品の仕様限界である220µA内に留まりました（図14）。

湿式タンタルコンデンサの場合、電子ビーム照射によるDCLの上昇は最大で1µAから5.1µAに増加し、一部の部品は初期仕様の5µAという限界値を超えました。MIL-PRF-39006/33Bによれば、信頼性試験では初期DCL限界値の125%までの増加が許容されており、この部品では6.25µAに相当します。この閾値を超えることはありませんでした（図15）。

図12 – 電子ビーム照射前後の100 V MLCCの電気的パラメータ。
図13 – 電子ビーム照射前後の25 V MLCCの電気的パラメータ。
図14 – 電子ビーム照射前後の密閉型ポリマータンタルコンデンサの電気的パラメータ。
図15 – 電子ビーム照射前後の湿式タンタルコンデンサの電気的パラメータ。
議論と今後の検討事項

X7R誘電体MLCCは、最大4.5 kGyの光子線照射および250 kGyの電子線照射後に静電容量の減少を示しましたが、この減少は信頼性試験の限界値内にとどまりました。また、DCLは電子線照射下では無視できるほどの増加を示しました。ESRおよびDFパラメータは、これらの条件下で優れた安定性を示しました。これらの結果は、以前の論文で得られた知見と一致しています。 【8]放射線被曝を伴う軍事および宇宙用途にこれらのコンデンサを推奨することを裏付けています。

密閉型タンタルコンデンサは、最大4.5 kGyの光子線照射および250 kGyの電子線照射後も、すべての電気的パラメータにおいて優れた放射線安定性を示しました。この挙動は、モールド型SMDタンタルポリマーコンデンサの挙動と一致しています。 【1]高い体積効率、低い ESR、長寿命、自己修復特性を兼ね備えたこれらのコンデンサは、放射線への曝露を伴う軍事および宇宙用途に適しています。

湿式タンタルコンデンサは、最大4.5kGyの光子線照射後も優れた電気パラメータ安定性を示しました。250kGyの電子線照射後も、DCLはわずかに増加しましたが、信頼性試験の限界値内にとどまりました。これらの結果に基づき、湿式タンタルコンデンサは放射線曝露を伴う軍事および宇宙用途に推奨されます。

250 kGy という極めて高い電子ビーム照射後に観測された DCL の変化は、電子照射の直接的な電離効果と、120 kGy/時の線量率による高エネルギー密度に起因するものであった。

今後の試験では、従来のMnO₂タンタル、ポリマータンタル、湿式タンタルコンデンサの照射中の電気的パラメータのリアルタイム測定や、中性子照射の影響の研究が検討される可能性があります。いずれの試験も、試験装置と放射線安全性の面で独自の課題を伴います。

KYOCERA AVX のタンタルポリマーコンデンサの詳細については、以下をご覧ください。 https://www.kyocera-avx.com/products/tantalum/high-reliability/

参照：

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8月6、2025上   /   セラミックコンデンサ, ニュース / イベント / プレス, タンタル / ニオブ / ポリマー, 技術記事/ホワイトペーパー