固体タンタル コンデンサには、信頼性の高い軍事および宇宙用途で性能が実証されてきた長い歴史があります。しかし、同じクラスであっても、すべてのコンデンサが同じように作られているわけではありません。事実上すべてのコンポーネント技術の場合と同様、材料が重要です。この論文では、二酸化マンガン (MnO) を使用した固体タンタル コンデンサの性能と信頼性の違いについて説明します。₂) 陰極と導電性ポリマー陰極を備えた陰極。

ベル研究所は、1950 年代初頭に最初の固体タンタル コンデンサを市場に導入しました。表面実装タンタル コンデンサの最初の軍事仕様 (MIL-PRF-55365) は 1989 年にリリースされ、CWR09 スタイルのコンポーネントが導入されました。それ以来、この仕様に準拠する製品は、CV 値の範囲が拡張された CWR19 スタイルのコンデンサや、CWR29 および CWR09 製品カテゴリのすべての定格に対して低い ESR 制限を提供する CWR19 スタイルのコンデンサを含むように拡大されました。

1990 年代後半、京セラ AVX は、拡張された CV (静電容量 x 電圧) 値と低い等価直列抵抗 (ESR) を備えたタンタル コンデンサ製品の COTS-Plus ファミリの提供を開始しました。これらの商用またはプロフェッショナルグレードのコンポーネントは、高信頼性の軍事および航空宇宙用途で使用するために、多くの場合、実際よりも低コストで短いリードタイムで使用できるよう、アップスクリーニング (つまり、軍事テスト方法および要件に従ってテストおよび信頼性のグレード付け) を行うことができます。ミルスペックコンポーネント。その後、2000 年代初頭に、京セラ AVX は初の宇宙レベルのタンタル製品ラインである SRC9000 シリーズを発売しました。これには軍用 QPL 製品と COTS-Plus 製品の両方が含まれ、100% X 線スクリーニング、統計スクリーニングなどのいくつかの有利な機能が提供されます。 、DPA サンプリング、および各バッチの機能/寿命テスト。 2008 年までに、SRC9000 シリーズは、MIL-PRF-55365 仕様に導入された T レベル空間ソリューション導入の基礎となりました。これは、高信頼性タンタル コンデンサの使用を規制する他のすべての仕様と同様です。軍事および航空宇宙アプリケーション (MIL-PRF-39003、MIL-PRF-39006、MIL-PRF-49137 など) — MnO を含むタンタル コンデンサに基づいています₂ カソード技術。^【1]

MnOではなく、電流を伝導するポリマー陰極を備えたタンタルコンデンサ₂ 正極は 1990 年代から存在しており、MnO に比べて多くの性能上の利点を提供します。₂ 亜種。ただし、一部の DSCC 図面にはポリマーカソードタンタルコンデンサが含まれていますが、これらの製品の軍事仕様はありません。これらの製品が提供する利点には、長期信頼性の低下、摩耗メカニズムの導入という重大なトレードオフが伴います。 、環境ストレス下でのパラメトリックパフォーマンスの変動。^【2]

固体タンタル コンデンサには、さまざまな程度の保管および取り扱いの要件があります。製品ファミリおよび/またはその中の特定のケース サイズは、PCB アセンブリ前の製品の保管および取り扱いにどの環境条件 (温度や湿度など) が適しているかを決定する耐湿性レベル (MSL) で指定されています。 MnOを使用したタンタルコンデンサ₂ カソードは一般に MSL 1 に分類されますが、内部容積がより大きい部品については一部の MSL 3 評価が付けられます。一方で、吸湿ポテンシャルの原因となる多孔質アノード構造は重要であるにもかかわらず、事実上すべての非密閉ポリマー製品は MSL 3 以上として定義されています。ポリマーとMnOの両方に同じ₂ タンタルコンデンサ。 MnOを含む固体タンタルコンデンサのMSL分類間のこの不一致₂ ポリマーカソードは、後者とその後の長期性能の劣化にのみ存在する磨耗メカニズムによるものです。

製品の推奨に従って保管されておらず、過剰な量の湿気を吸収することが許可されているタンタル コンデンサは、PCB アセンブリ中にリフロー温度にさらされると「ポップコーン」効果を受ける可能性があります。 「ポップコーン」は、構造内の水分が急速に蒸発し、内部圧力と通気が生じ、外部の包装材に亀裂が生じる可能性があるときに発生します。一般にポリマー陰極を備えたタンタルコンデンサはMnOよりもこの影響を受けやすいと考えられていますが、₂京セラ AVX は、MnO から余分な水分をすべて積極的に除去します。₂ SRC9000 および MIL-PRF-55365 コンデンサはパッケージング前に保護防湿パッケージで提供され、実装前に部品が湿気にさらされた場合の製品乾燥に関するガイドラインが提供されます。

MnO の重要な利点の 1 つ₂ タンタル コンデンサは、信頼性が高く寿命の長いアプリケーションでの使用に最適である主な理由の 1 つは、このテクノロジには既知の摩耗メカニズムが存在しないことです。実はMnO₂ タンタル コンデンサは、MIL-PRF-30 仕様が発行される前から 55365 年以上アプリケーションで動作しており、経年変化とともに漏れ性能と信頼性が向上し続けています。導電性高分子コンデンサはMnOと同じ誘電体を採用₂ タンタルコンデンサは同じ信頼性と長寿命特性を備えていますが、無機二酸化マンガンに代わる導電性ポリマーは湿気や酸化に敏感であり、長期的なパラメータ変化を引き起こす可能性があります。導電性ポリマーコンデンサのパッケージングには改良が加えられ、懸念事項の一部が軽減され、AEC-Q200を含む自動車グレードの環境要件を満たすことが可能になりましたが、これを超えてもポリマー材料の磨耗は続くでしょう。これらのポリマーデバイスを気密封止することが、現在、湿気の侵入と酸化によって引き起こされる環境摩耗メカニズムを防ぐ唯一の真の手段です。京セラAVXの TCHシリーズは、航空宇宙用途での使用を目的として欧州宇宙機関 (ESA) と提携して開発され、さまざまな静電容量と電圧値を備えた 2 つのケース サイズの密封された導電性ポリマー コンデンサを提供します。

以下のグラフは、アルミニウム、MnO の典型的な信頼性曲線を示しています。₂、導電性高分子コンデンサ、および MnO を示します。₂ タンタル コンデンサは通常、早期の乳児死亡事故のみが発生し、それ以外の場合は無期限の寿命を持ちますが、アルミニウム コンデンサや導電性ポリマー コンデンサは時間の経過とともに常に劣化します。そのため、このようなコンポーネントを電子システムに設計する際には、予想される耐用年数が終了した際の性能を十分に理解した上で特別な注意を払う必要があります。

アルミニウム、MnO の典型的な信頼性曲線₂、導電性高分子コンデンサは、MnO が存在するという事実を裏付けています。₂ タンタルコンデンサは通常、早期の乳児死亡事故のみを経験し、それ以外の場合は無期限の寿命を持ちますが、導電性ポリマーコンデンサには追加のパラメトリック摩耗特性があります。

導電性高分子コンデンサは、特定の保管、取り扱い、およびリフロー実装条件に敏感であることに加えて、完成したデバイス、ハイブリッド、アセンブリ、および一部の最終デバイス内の湿度の影響も受けやすいです。湿気の侵入を取り巻く環境に関係なく、過剰な水分が存在するとポリマーカソード材料の劣化が始まります。この劣化は、アプリケーションの温度および電圧特性 (たとえば、定格電圧の 85% で 85°C 以上の温度) によってさらに加速され、パラメトリック容量の損失につながります。

あるいは、アプリケーション中または組み立てた保管中に水分が存在することは、MnO では問題になりません。₂タンタルコンデンサは、その陰極材料が湿気の存在によって劣化しないためです。以下のグラフは、MnO の典型的な性能を比較しています。₂ 導電性高分子コンデンサは 85°C、相対湿度 85%、定格電圧で 500 時間。 MnO₂ コンデンサは、7 時間後に 10% ～ 500% のデルタ静電容量の一貫した予測可能な増加を示しますが、導電性ポリマー コンデンサは、12% から -30% までの範囲のデルタ静電容量性能を示す個別のユニットを備えています。 、時間の経過とともにさらに劣化し、追加の容量損失が発生します。

これら 2 つのグラフは、市販のタンタル コンデンサと MnO の典型的な性能を比較しています。₂ 陰極 (左) と導電性ポリマー陰極 (右) を 85°C、相対湿度 85%、定格電圧で 500 時間放置。

導電性ポリマー陰極内の湿気によるもう 1 つの副作用は、導電性の損失であり、これも誘電正接や ESR に影響を与える可能性があります。

最も市販されているMnO₂ タンタル コンデンサの動作温度範囲は -55 °C ～ 125 °C で、これはほとんどの軍事および高信頼性アプリケーションの要件に適合しますが、多くの市販のポリマー コンデンサの動作温度範囲は通常 -55 °C ～ 85 °C です。 ℃または105℃。自動車およびその他の高信頼性アプリケーション向けに設計された導電性ポリマー コンデンサは、-55°C ～ 125°C の全温度範囲で動作します。

NASAが実施した研究^【3] 標準ポリマーを 100 °C から 150 °C の範囲の高温で保管した場合、材料の AC 特性が大幅に劣化することが示されました。これはポリマー コンデンサのストレス テスト結果と一致しています。高温下で 12 週間も経たないうちに、材料の ESR は増加し始め、10 か月後にはその大きさが元の値の 150 ～ 100 倍に増加しました。この期間中の DC 漏れ (DCL) 性能は低下する傾向がありました。自動車グレードのポリマー部品を XNUMX°C までの高温保管にさらした場合、AC 特性の変化はほとんどありませんでしたが、DCL は初期値の XNUMX 桁 (つまり XNUMX 倍) まで大きな変動を経験しました。ただし、DCL は室温で長期間保管しても回復可能でした。ポリマーコンデンサには複数の異なるタイプのポリマーカソード材料が適用されているため、ロット間およびピース間のばらつきに加えて、高温保管またはアプリケーションによる性能への影響も変動する可能性があります。

しかし、事実としては、MnO₂ タンタル コンデンサはこれらの影響をまったく示さず、代わりに、最大 150°C の温度で無期限の保存期間にわたって、AC 特性と DC 特性の両方で安定した性能を確実に示します。

導電性高分子コンデンサは、部品が過度の乾燥や真空環境での動作にさらされると、異常充電として知られる現象が発生する可能性があります。^【4] このような場合、最初のスイッチオン時に、コンポーネントはミリアンペアからアンペアの範囲に及ぶ数桁の高 DC 漏れ電流を示す可能性があり、これは通常動作時よりも大幅に大きくなります。これらの影響は、低温での動作によってさらに悪化し、コンデンサが数分の一秒から数分間ショートしたように見える可能性があります。この状態を排除するために開発された高電圧定格がいくつかあるため、この影響はすべての導電性ポリマーに見られるわけではありません。

DCL の不安定性によりシステム内に不要なノイズが発生する可能性があり、リップルを低減し信号を平滑化するという一般的なフィルタリングの目的に反するため、フィルタリング機能でコンデンサを使用する場合、異常な過渡現象は回路に特に悪影響を及ぼす可能性があります。また、部品が十分に大きな充電電流にさらされると、部品に永久的な損傷や故障が発生する可能性があります。これは、スイッチオン時の高電流状態により、指定された時間内に回路が機能するのに十分な速さでコンデンサが充電できなくなる可能性があるためです。

しかし、もう一度言いますが、MnO₂ タンタルもこの現象の影響を受けませんが、その代わりに、動作温度の全範囲にわたって、極度に乾燥した、湿気の多い、または真空の環境条件において、非常に一貫して予測可能な DCL 性能の低下を示します。

固体タンタル コンデンサは、主に適切な回路設計 (ソフト スタート、電流制限、回路保護などの特性) で効果的に克服できる過渡現象やサージ イベントにより、アプリケーションで 50% のディレーティングを推奨しますが、ポリマー コンデンサは一般に 20% のディレーティングのみを推奨します。アプリケーションでは XNUMX% ディレーティング。ただし、固体タンタルの設計、試験方法、および使用条件に応じて、固体タンタルに必要なディレーティングを減らすことは可能です。たとえば、京セラ AVX は Q-Process™ を開発し、特許を取得しました。^【5]これには、さまざまな温度での適切な方法を使用した DCL テストが組み込まれており、信頼性が向上し、多くのアプリケーションでディレーティングの必要性が大幅に軽減、または排除されることが実証されています。

元々はMnO₂ 軍事用途向けに設計されたタンタル コンデンサは、信頼性グレードと故障率を確立するために指数関数的なグレーディングを採用していました。これには、各製品バッチからサンプルを収集し、コンポーネント デバイスの大量の時間を生成するために、10,000 時間の長期寿命テストを実施することが含まれていました。 。合否情報は、製品ラインまたはファミリーの長期信頼性を判断するために使用されたため、ロット固有ではなく、変動の余地がより多く残されていました。さらに、このグレーディング プロセスでは、必要なインフラストラクチャとコンポーネントをサポートするという点でメーカーに多大なコストがかかりました。

このように、MnO₂ 信頼性試験プロセスは、ワイブル グレーディングとして知られるものに変換されました。これは、100% のコンデンサが加速電圧と温度 (具体的には 1.3°C で最低 85 倍の定格電圧) にさらされるバーンイン/電圧調整プロセスです。 ) 最低 40 時間。部品の 300 個のサンプルの故障が 15 分後、40 時間後、その後 XNUMX 時間後に監視され、それらの故障の分布によって、その特定のバッチの信頼性グレード (B、C、または D) が計算されます。コンデンサー。サンプルの故障が監視されている間、バッチ全体が同じ条件でバーンインされ、故障として指定されたユニットは母集団から削除されます。歴史的に、このプロセスは、どのバッチの製品が高信頼性アプリケーションに適しているかを決定することに非常に成功してきました。

このオープンバスタブ信頼性曲線は MnO を示しています₂ バーンイン/信頼性グレーディングプロセス中に死亡した乳児は削除されます。

MnOを考慮すると₂ コンデンサの故障は幼児による死亡事故が多い傾向にあります。つまり、ほとんどの故障は初めて電源を入れたときに発生します。ワイブル等級付けは幼児死亡事故を除去してバッチを減少傾向の故障に効果的に移行させるため、この技術の信頼性を確立するのに特に適しています。信頼性曲線のレート部分。ただし、これと同じプロセスはポリマー コンデンサには機能しません。ポリマー コンデンサは、磨耗やパラメータ性能の変化により潜在的な故障モードが発生する傾向があります。そのため、現在、ポリマー部品の信頼性を確立するための、業界で検討および承認された代替方法はありません。

信頼性のグレーディングに加えて、他のいくつかの設計およびプロセス開発により MnO が向上しました。₂ 長期にわたるタンタルの信頼性。^【6] おそらく最も重要なのは、単にカタログや顧客定義の制限を適用するのではなく、各生産バッチを統計的にスクリーニングして処理能力を向上させることです。このプロセスにより、アプリケーションで問題を引き起こす可能性が最も高い外れ値が効果的に除去されます。普通の人口。

MnO の長期信頼性における最も重要な利点の 1 つ₂ タンタル コンデンサには、磨耗メカニズムがないことを除けば、欠陥箇所を「自己修復」または隔離する能力があります。この現象は、高漏洩経路が熱を発生させ、MnO を変質させるときに発生します。₂ 非導電性 Mn2O5 に変換することで欠陥サイトを隔離し、さらなる劣化を防ぎ、DCL を公称レベルに戻します。ポリマーコンデンサにも同様の自己修復メカニズムがありますが、効果は劣ります。ポリマー材料は導電性が高いため、欠陥部位から発生する熱が少なくなります。そのため、欠陥サイトは MnO の場合のように完全に孤立しない傾向があります。₂ これは、DC 漏れが高い状態に留まる傾向があり、さらなる劣化の可能性が高まることを意味します。

高信頼性 MnO の顧客からの返品と報告された障害₂ タンタル（ペースメーカーや除細動器などの生命維持医療用途を含む重要な新製品に毎年数百万個が設計されている）は現在、史上最低水準にある。このフィールド故障率の低下は、顧客の処理中に故障が発生する可能性のある部品を確実に除去し、より優れたベースライン コンポーネントをサポートする設計、処理、およびスクリーニング技術の継続的な改善に起因しています。現在発生している顧客からのクレームのほとんどは、取り付け前の適切な保管や取り扱いを考慮せずに長期間保管されていた製品、またはデバイスの性能や信頼性に影響を与えず、本質的に表面的なものに過ぎなかった製品に関するものです。表面上の欠陥は通常、材料の熱膨張によって引き起こされるコンデンサ本体のケース亀裂、または CV 製品の膨張をサポートするように設計された薄いケース壁で構成され、MnO には影響を与えません。₂ アプリケーションにおけるコンデンサの性能、寿命、または信頼性。

しかし、高分子コンデンサについてはそうは言えません。近年、ポリマー部品のパッケージングにいくつかの改良が加えられていますが、磨耗を防ぐための唯一の真の安全策は、密閉されたデバイスを使用することです。

場合によっては、電圧破壊レベルもコンポーネントの信頼性を評価する手段として宣伝されますが、どちらも MnO₂ また、ポリマー部品は同様の電圧破壊性能 (通常、定格電圧の 2 倍から開始) を持ちます。これは、誘電体内の形成後の修復プロセスに直接関係しており、アプリケーション内の性能には直接影響しません。

報告されているポリマーコンデンサの長期信頼性の利点の 1 つは、MnO と比較した場合に良性の故障モードであることです。₂ コンデンサー。 MnO の場合₂ コンポーネントが故障すると短絡します。これは、コンポーネントへの電流が無制限になり、MnO の影響によりデバイスの故障が致命的なものになる可能性があることを意味します。₂ カソード系は酸化剤です。ポリマーコンデンサのカソードシステムはこの酸化剤を除去しますが、それでも短絡によって故障する可能性があり、これは MnO の故障ほど壊滅的な影響を及ぼさないかもしれません。₂ コンデンサを使用しても、短絡したポリマー コンデンサに無制限に電流が流れると、局所的に重大な発熱が発生する可能性があります。

ポリマーコンポーネントの最大の利点の 1 つは、ESR 値が 1 桁から数十ミリオームの範囲に収まる非常に低いことです。標準的なMnO₂ コンポーネントはより高い ESR 特性を持っていますが、ESR を低減するために特別に開発されたマルチアノード構造スタイルの利用可能性により、これら 2 つの技術間のギャップの多くが効果的に埋められます。京セラAVXの TBM SRC9000シリーズ 超低ESR MnO₂ たとえば、マルチアノード タンタル コンデンサは、最低 18mΩ までの ESR 制限を提供しており、過去 10 年間にわたって数多くの航空宇宙および宇宙レベルのアプリケーションに積極的に設計されてきましたが、その中でエラーや現場での故障は XNUMX 件も報告されていません。このシリーズの大きな成功、印象的なパフォーマンス、長期的な信頼性は、おそらく次の点で最もよく証明されています。 マーズ・キュリオシティ・ローバーのChemCamシステムでの採用630 個の TBM シリーズ コンデンサが搭載されており、6 年 2012 月 13 日の探査機の火星着陸から 2019 年 XNUMX 月 XNUMX 日の探査車の死までの間に XNUMX 万回以上も電力が供給されました。

MnO₂ タンタル コンデンサは入手可能な中で最も低い DCL レベルを備えており、公表されている制限を定期的にかつ著しく上回っています。たとえば、一般的な軍用グレードのコンポーネントでは漏れレベルが 0.01 CV と規定されていますが、信頼性の高い MnO は₂ コンポーネントは通常、0.001 CV から 0.0025 CV の範囲のプロセス能力を示します。すべて高信頼性MnO₂ たとえば、京セラ AVX が製造するコンデンサは、顧客がプロセス能力の 3 標準偏差 (つまりシグマ) 以内のコンポーネントを確実に受け取ることを保証するために、厳格な適合性試験スクリーニング プロトコルの対象となります。これは仕様限界と非コンデンサの固有能力の両方を大幅に下回っています。 - ポリマーコンポーネントの気密スタイル。

逆に、ポリマー成分は 0.1 CV ～ 0.05 CV の範囲の DCL 値を公表していますが、実際の性能には同様の大幅な改善はなく、DCL 性能は同等の MnO の 5 ～ 50 倍悪くなります。₂ コンポーネント。

最後に、コンデンサを電気的にテストするときに使用されるスクリーニング限界も非常に重要です。京セラ AVX の SRC9000 宇宙レベルのコンポーネントは、ESR と DCL の両方について統計的スクリーニングを受け、母集団内でのより厳密な分布を実現し、外れ値を除去します。コンポーネントのバッチごとに XNUMX シグマ制限が設定され、公表されている制限値をはるかに下回っていても、正規集団から外れている個々のユニットを削除して、より均質な集団を提供し、パフォーマンスをさらに向上させるために利用されます。

以下の表は、さまざまなコンポーネント グループ間の ESR および DCL パフォーマンスの一般的な違いを概説したものです。

既知の磨耗メカニズムと、電気的および環境的条件にわたる AC または DC 性能の不安定性のため、ポリマー陰極システムを備えたタンタル コンデンサは、すべての高信頼性アプリケーションでの長期使用には推奨されません。 MnOを使用したタンタルコンデンサ₂ 一方、陰極システムには、要求の厳しい過酷な環境の軍事および宇宙用途で数十年にわたって非常に安定した性能を発揮してきた長い歴史があり、高信頼性のミッションでの長期使用に適した技術として確立されています。 - 重要な軍事および宇宙レベルのアプリケーション。