固体タンタル コンデンサは、消費者、自動車、航空宇宙、医療機器市場の電子アプリケーション向けの小型表面実装コンデンサの中で最も人気のあるタイプの XNUMX つです。 このホワイトペーパーでは、タンタルコンデンサ技術の開発に関する背景を提供し、フィルタリング用途における低い等価直列抵抗 (ESR) の必要性や、航空宇宙における可能な限り最高の信頼性と長寿命性能の必要性など、ユーザーが頻繁に直面する問題に対処します。および医療用途。

その後数十年にわたり、タンタル コンデンサ技術はいくつかのフォーム ファクタを含むように進化しました。 1980 年代まで主流だったスルーホール技術の自動挿入プロセスと互換性のあるアキシャル リードおよびラジアル リード構成。 当時、組立技術は表面実装技術 (SMT) を採用するように進化し、さまざまなサイズの SMT タンタル コンデンサが開発され、広く採用されました。

表面実装技術の普及により、タンタル コンデンサは、アキシャル リード型およびラジアル リード型のコンデンサとは異なる条件にさらされるようになりました。 高温の基板レベルのリフロー プロセスでは、タンタル コンポーネントの薄膜誘電体層に欠陥が発生し、場合によっては壊滅的な故障や発火につながる可能性があります。

この経験の結果、タンタル コンデンサのメーカーは、コンデンサが実装やリフロー条件に耐えられるようにするために、インライン リフロー コンディショニングやその他の対策を採用しました。 これらの取り組みは致命的な故障のリスクを軽減することに成功し、固体タンタル コンデンサがあらゆる用途に適した信頼性を提供できるようになりました。

タンタル コンデンサの需要は、1980 年代後半の信頼性の高い SMT バージョンの開発により劇的に増加し、1990 年代まで続きました。 表面実装固体タンタルは、1 ～ 100μF の範囲で最小のコンデンサであり、多くのアプリケーションの業界標準になりました。 携帯電話とパーソナルコンピュータの導入と、自動車への広範な電子機器の組み込みが、この成長の主な市場原動力でした。

基本構造

固体タンタル コンデンサは電解コンデンサであり、すべての電解コンデンサには極性があり、電流はプラス端 (アノード) からマイナス端 (カソード) にのみ流れることを意味します。 電解コンデンサの XNUMX つの主要な要素は、アノード、誘電体、カソードです。 タンタル陽極は、スポンジ状の構造に圧縮および焼結された非常に純粋なタンタル粉末の粒子で構成されています。 従来のバージョンでは、回路へのプラスの接続を作成するために構造内にタンタルワイヤが埋め込まれています。 アノードの表面は五酸化タンタル (Ta) の層で覆われています。₂O₅)、コンデンサ誘電体として機能します。 従来の固体タンタル コンデンサでは、陰極は二酸化マンガン (MnO) です。₂）。 この材料は誘電体上に堆積され、続いて他の材料 (通常はカーボンや銀) が堆積され、他のコンデンサ部品との接続が確立されます。

MnO₂ 陰極はタンタルコンデンサの信頼性に大きく寄与する特性を持っています。 Taの欠陥₂O₅ 誘電体はコンデンサの動作中に欠陥サイトで局所的な加熱を引き起こし、近くの MnO を変化させます。₂ へ₂O₅ — 酸化マンガンの非導電性相。 この非導電性サイトは、コンデンサのその部分を回路から除去する役割を果たし、欠陥を効果的に修正します。 この特性は自己修復と呼ばれ、MnO を使用したタンタル コンデンサが可能になります。₂ カソードの故障率は時間の経過とともに減少します。 タンタル コンデンサのメーカーは、その歴史を通じて、この自己修復特性を促進し、弱い部分を集団から取り除くことを目的として、高い電圧と温度にさらすことでプレコンディショニング (つまりバーンイン) を実行してきました。 固体タンタルコンデンサの構造の詳細については、「タンタルコンデンサの基本技術』ジョン・ギル著。

ほとんどの表面実装タンタル コンデンサは上に示したように構成されていますが、外側表面としてコンフォーマル エポキシ コートを使用するバージョンもあります。 これらはモールドコンデンサよりも若干小さくできますが、機械的強度が低下します。 利用可能な基板スペースの使用を最適化するために、AVX は TACマイクロチップ® この構造は、表面にタンタル粉末がプレスされ焼結されたタンタル ウェハ基板を備えています。 個々の陽極は鋸引き操作を使用して表面上に形成され、ウェーハは誘電体の形成と陰極の堆積を通じて処理されます。 次に、構造上に蓋が置かれ、アノード間のチャネルにエポキシが流し込まれます。 続いて、コンデンサを分離するダイシング作業が行われ、その後、バーンイン、テスト、およびパッケージングのプロセスが行われます。 TACmicrochip とその高信頼性チップ COTS-Plus TBC シリーズ マイクロチップは、ハンドヘルド電子機器や埋め込み型医療機器など、スペースが貴重な用途で非常に人気があります。

等価直列抵抗

タンタル コンデンサの固有の等価直列抵抗 (ESR) は、一部の競合技術よりも高くなります。 AVX および業界の他のメーカーは、この問題に対処するために多くのことを行ってきました。

固体タンタルコンデンサは電源フィルタ用途で頻繁に使用され、コンデンサ抵抗が低くなり効率が向上します。 この種のアプリケーションのニーズに対応するために、AVX は初のモールド、低 ESR、表面実装タンタル コンデンサを導入しました。 TPSシリーズ このシリーズは非常に人気があり、タンタル コンデンサの市場拡大に貢献しました。 たとえば、AVX などは、電源投入時の障害に関する懸念に対処するために、すぐにサージ テストを生産シーケンスに組み込みました。 長年にわたり、マルチアノード タンタル コンデンサ ( COTS-Plus TBMシリーズ)さらに低いESRを実現します。

最近では、従来の MnO の代わりに導電性ポリマー対電極を備えたタンタル コンデンサが登場しました。₂ ポリマー材料はMnOよりも抵抗が低いため、カソードシステムは家庭用電化製品や自動車の用途で一般的になっています。₂。 ただし、固体タンタル コンデンサの低 ESR と高い信頼性の間にはトレードオフが存在する可能性があります。 導電性高分子コンデンサの信頼性は、MnO よりも劣るとされています。₂ ポリマー材料にはMnOの自己修復特性がないため、ベースのシステム₂ システム。 これにより、ポリマーコンデンサの漏れ電流も MnO よりも大幅に高くなります。₂-カソードコンデンサ。

衛星エレクトロニクスなど、低 ESR と非常に長い製品寿命が重要な要求の厳しいアプリケーションでは、低 ESR MnO₂- カソードコンデンサは依然として好ましい選択肢です。 AVX が宇宙レベルで開発 SRC9000 TBM シリーズ マルチアノード コンデンサ実績のあるMnOを利用₂ 可能な限り低い ESR を達成するためのカソード技術と、最新の処理およびテスト技術、ワイブル バーンインおよび DC リークの統計的スクリーニングを組み込んで、母集団から異常値を除去します。 この方法論により、航空宇宙回路に必要な低 ESR が宇宙プラットフォームに必要な長い寿命にわたって維持されることが保証され、航空宇宙産業の厳しいニーズを満たすことに成功しています。 この方法で製造されたコンデンサは、火星探査車キュリオシティを含む米国のほとんどの宇宙システムに組み込まれています。

ESR に関する技術情報の詳細については、「タンタルコンデンサの等価直列抵抗R・W・フランクリン著。

直流漏れ

従来、タンタル コンデンサ DCL は、0.01 x 静電容量 x マイクロアンペア (µA) 単位の電圧として指定されてきました。 たとえば、10µf、10V コンデンサの DCL は次のようになります。

0.01×10μF×10V＝1.0μA

携帯電話などの最も一般的な商用アプリケーションは簡単に充電できます。 したがって、これらのアプリケーションではコンデンサの漏れは大きな問題ではなく、コンデンサが致命的に故障した場合にのみ問題になります。 しかし、民生用アプリケーションほど簡単に再充電できない重要な埋め込み型医療機器アプリケーションでは、コンデンサの漏れはバッテリ寿命に大きな悪影響を及ぼします。 誘電体欠陥に起因してコンデンサの漏れが大きい場合、高温リフロープロセスにより欠陥が悪化して、コンデンサの漏れが大幅に増加する可能性があります。

コンデンサの漏れに寄与する要因はいくつかありますが、最も重要なのは誘電体の厚さです。 五酸化タンタル (Ta₂O₅) は他のタイプのコンデンサよりも誘電率が低いですが、タンタル金属の表面上に膜として成長させることができます。 これは、非常に薄い膜で機能する誘電体層を作成できるため、タンタル コンデンサの小型化に大きく貢献します。 タ₂O₅ 誘電体は、液体電解質の存在下で焼結タンタル陽極に電流を流すことによって生成されます。 このプロセスでは、タンタル粒子の表面に層を構築し、アノードからタンタルを、電解質から酸素を取り出して Ta を形成します。₂O₅。 形成中に印加される電圧によって、誘電体層の厚さが決まります。 より厚い誘電体はより高い電圧処理能力を持ち、より薄い誘電体よりも所定の印加電圧での DCL が低くなります。 コンデンサ業界では、誘電体の厚さは通常、電圧と比較した形成比として表されます。 たとえば、形成比 3 は、30V のコンデンサに対して誘電体が 10V で形成されることを意味します。

高信頼性コンデンサの場合、AVX は通常、最適な信頼性と低リークを実現するために少なくとも 3 の形成比を指定します。 市販のコンデンサの形成比率がはるかに低いことは珍しいことではありません。

信頼性

一部の電解コンデンサは湿った電解液、またはカソード システム内の水分含量のレベルに依存しますが、これらは時間の経過とともに乾燥し、コンデンサの故障につながる可能性があります。 これらのタイプのコンデンサの長期信頼性は、カソード システムが劣化するにつれて最終的に故障率が増加することを示す、よく知られたバスタブ曲線で説明できます。 導電性ポリマー陰極を備えたタンタル コンデンサや湿式電解システムを備えたアルミニウム コンデンサは、この摩耗メカニズムを示します。

これらの技術とは異なり、MnO を使用した固体タンタル コンデンサは₂ カソードには磨耗機構がありません。 カソードは時間の経過とともに劣化しない固体システムであり、この技術によって示される自己修復メカニズムにより、通常の動作では小さな誘電欠陥が致命的な故障につながることはありません。 これらの要因の結果、故障率は時間の経過とともに改善され、これが MnO が故障する主な理由です。₂ベースのタンタル コンデンサは、航空宇宙および医療の生命維持アプリケーションで人気があります。

タンタル コンデンサの製造プロセスは時間の経過とともに大幅に改善されましたが、少数の弱い部品がどの製造バッチにも存在する可能性があります。 前述したように、プレコンディショニング (つまり、バーンイン) 方法は、これらの乳児死亡者を特定し、人口から除去するために使用されます。 バーンインの種類は意図するアプリケーションによって異なりますが、通常はコンデンサの定格を超える高温および/または電圧が含まれます。 市販のコンデンサの場合、サイクル タイムとコストを最小限に抑えるために、バーンイン時間は通常短くなります。 高信頼性タンタル コンデンサの従来のバーンイン方法は、信頼性の計算に統計的手法が使用されるため、ワイブル バーンインとして知られています。 これらのテスト条件は非常に加速され (例: 85°C および定格電圧の倍数)、時間の経過とともに故障がカウントされます。 ワイブル分布をバッチ動作の仮定モデルとして使用すると、計算された信頼性が所定のレベルに達し、故障率が低下する必要があります。 このシステムは、高信頼性コンデンサの特性を評価するために何十年にもわたって使用されており、信頼性レベルを 90% とした定格電圧での 1 時間の動作あたりの最大故障率として信頼性を示すために使用されます。 市販のコンデンサの信頼性レベルは通常、0.1 時間あたり 0.001% と予測されますが、高信頼性コンデンサは通常、90% の信頼度で XNUMX 時間あたり XNUMX% ～ XNUMX% の信頼性を提供します。 ただし、意図されたアプリケーション内で示される実際の信頼性は、バーンイン方法で予測されるよりもはるかに優れており、通常は非常に低い時間内故障 (FIT) 率で表されることに注意することが重要です。

このような高い信頼性レベルに到達するには、バーンインの初期段階で乳児死亡者を特定し、母集団から除外する必要があります。その後、故障率は急激に低下します。 ワイブルバーンインによって信頼性が評価されたタンタルコンデンサは、人工衛星や埋め込み型医療機器など、エレクトロニクス業界の最も要求の厳しいアプリケーションに採用されています。

信頼性グレーディングにワイブル バーンインを使用して医療機器業界に高信頼性タンタル コンデンサを長年供給してきた後、AVX は他の潜在的な選択肢を検討しました。 この移行の主な理由は、生産プロセスが改善されるにつれて、ワイブル等級付けに必要な幼児死亡動物を作成することがより困難になったことでした。 故障を発生させるには電圧加速係数を増加する必要がありましたが、それによりコンデンサの電気的パラメータに問題が発生しました。 医療機器業界のほとんどの顧客は 125°C のシステムレベルのバーンインを使用しているため、より低い電圧加速でその条件でコンデンサレベルのバーンインを使用することを検討し、定格電圧に近い電圧で 125°C のバーンインが可能であることを発見しました。他のパラメーターの統計的スクリーニングと併用すると、乳児死亡者の除去においてワイブルと同じくらい効果的ですが、ワイブルよりも低い DCL 分布が生成されます。 これが特許取得済みの Q-Process™ の開発につながりました。 Qプロセスの詳細については、「タンタルコンデンサの最高の信頼性を実現」ジェームズ・ベイツ、マーク・ボーリュー、マイケル・ミラー、ジョセフ・パウルス著。

さらに、固体タンタル コンデンサに対する従来のディレーティング ルール (最適な信頼性を実現するにはコンデンサを定格電圧の 50% で使用するというルール) を Q-Process コンデンサに適用する必要はありません。 Q-Process で製造されたコンデンサは最大定格電圧で動作できるため、ほとんどのアプリケーションで定格電圧が低い小型のコンデンサを選択できます。

軍事および航空宇宙用途

軍事および航空宇宙システムの設計者は、固体タンタル コンデンサ技術をいち早く採用しました。 湿式タンタルコンデンサは、高容量および/または高電圧の需要がある軍事および航空宇宙用途で長年使用されてきましたが、現在では固体タンタルコンデンサもこれらの用途の需要のかなりの部分を満たすことができ、さらに次のような利点があります。はるかに小型で軽量なコンポーネント。 さまざまな軍事仕様は、これらの用途の信頼性を高めるために、現在は国防兵站庁 (DLA) となっているコロンバス国防補給センター (DSCC) によって開発されました。 表面実装タンタル コンデンサの関連仕様は MIL-PRF-55365 です。 AVXの MIL-PRF-55365 CWR09シリーズ コンデンサは、軍事用途で使用される最も人気のある SMT タンタル コンデンサの XNUMX つです。 時間の経過とともに、この仕様は、次のようないくつかの新しいシリーズの追加によって強化されてきました。 CWR19シリーズ、低ESR CWR29シリーズ、MIL-PRF-55365/8 EIA ケースサイズ CWR11シリーズ、MIL-PRF-55365/12 マイクロチップ CWR15シリーズ.

1990 年代、国防総省は、より広範囲の低コストコンポーネントを採用することで多くの利点が得られると期待して、軍事および航空宇宙システムにおける商用既製 (COTS) 製品の使用を奨励するイニシアチブを発行しました。 ただし、一部のシステムでは市販のコンデンサを安全に使用できることが明らかになりましたが、軍事および航空宇宙用途で必要とされるシステムの高レベルの信頼性を維持するには、設計者が COTS コンデンサを指定する際に注意を払う必要があることも明らかになりました。 この取り組みを支援するために、AVX は COTS-Plus シリーズのタンタル コンデンサは、低コストで信頼性を向上させたソリューションを提供するために、軍用タイプのテストを行った保守的に設計された商用コンデンサを提供しています。 現在、この範囲はいくつかのシリーズで構成されています。 TAZシリーズ TBJシリーズ、マルチアノード TBMシリーズ TBCマイクロチップシリーズなどを備えており、MIL-PRF-55365 製品ラインと比較して、はるかに幅広いケース サイズ、ESR 機能、改善された体積効率を設計者に提供します。 COTS-Plus および SCR9000 の詳細については、「アップスクリーニングされたタンタルコンデンサの高度なテスト方法』ブライアン・ブルネット著。

最近では、共通の宇宙レベルの仕様の必要性に対処するために、AVX は DLA に対し、宇宙レベルの信頼性を確保するために設計されたテストを備えた 55365 の新しいセクションを導入することを奨励しました。 AVX を含む、そのようなテストを採用するシリーズ CWR Tレベルシリーズ と SRC9000宇宙レベルシリーズにより、航空宇宙設計者は、独自のソース管理図面を生成することなく、実績のある幅広いコンポーネントから選択できるようになりました。 図 9 は、当社のさまざまな軍用および航空宇宙用タンタル コンデンサ製品と、それぞれで利用可能な多くのオプションをリストおよび比較しています。

タンタルコンデンサの医療用途

固体タンタル コンデンサは、診断装置から心臓モニターに至るまで、ペースメーカーや除細動器などの植込み型生命維持装置を含むほとんどの医療用電子アプリケーションで使用されており、植込み型デバイスなどのスペースに制約のある用途では代替コンデンサ技術よりも好まれています。 これらのコンポーネントにはさまざまな潜在的な用途があり、それらの一部にはさまざまな性質があるため、当社は医療用途向けのコンデンサを簡単かつ効果的に選択できるように設計された製品構造を開発しました。

当社では、重要なアプリケーションを植込み型/生命維持装置 (ペースメーカー、除細動器、心臓再同期療法など) およびタンタルコンデンサの漏れがバッテリ寿命の決定要因となる可能性がある植込み型アプリケーション (神経調節装置など) として定義します。 過剰なコンデンサの漏れによってバッテリー寿命が短くなる可能性があり、バッテリーの早期消耗に対処するには手術が必要になるため、当社では長寿命動作を目的とした埋め込み型アプリケーションが重要であると考え、開発しました。 保守的に設計され、特別にテストされた一連のコンポーネント これらのアプリケーションには、 HRC5000 TAZシリーズ HRC5000 TBC マイクロチップシリーズ TCPシリーズ低ESRモジュール、 そしてその HRC6000 TBC マイクロチップシリーズ.

生命維持装置（血管補助装置など）用の外部電子機器、一時的な埋め込み型モニター、外部インスリンポンプなどの非クリティカルなアプリケーション向けに、比較的保守的な設計ルールによる変更管理と統計的スクリーニングを含むいくつかのコンデンサシリーズを開発しました。 T4J シリーズ、T4C マイクロチップ シリーズ、HRC4000 T4Z シリーズが含まれます。 FDA の変更管理要件への準拠は、標準的な市販コンポーネントでは実現できないため、この自主的な準拠は、当社の非クリティカル製品の重要なセールス ポイントです。

重要な医療用途

クリティカルおよび非クリティカルな医療アプリケーションの両方で、DCL を最小限に抑えるための AVX の取り組みには、保守的な設計ルール、重要な製造ステップでのプロセス制御の改善、異例のロット検出、異常を除去するための 3 シグマ限界までの統計的スクリーニングが含まれます。流通部品からの部品の除去、および複数の温度での漏れテストにより、確立された仕様限界が 75% 以上低くなりました。 これらの対策とコンポーネントのドライパッケージングにより、リフローによる DCL 増加のリスクが事実上排除されることが実証されており、タンタル コンデンサは最も重要な生命維持医療用途においても安全な選択肢となります。 AVX の重要な医療用途向けコンデンサ製品群 また、効果的な変更管理のための FDA 要件に準拠するために、材料、製造、およびテストの変更に関する制限もあります。 図 11 は、数百の製造ロットにわたる DCL の実際の分布を、一般的な商用仕様限界である 1.0µA および一般的な医療顧客仕様限界である 0.250µA と比較して示しています。

AVX の特許取得済みの Q-Process には、これらの技術がすべて組み込まれており、業界で最も低い DCL の医療用コンデンサを製造しています。 重要な医療用途向けの当社のタンタル コンデンサは、植込み型ペースメーカー、除細動器、神経刺激装置に広く採用されており、これらやその他の医療機器のバッテリ寿命の延長と信頼性の向上に直接貢献しています。

重要ではない医療用途

AVX は最近、医療グレードのタンタル コンデンサの範囲を拡大しました。 非クリティカルなアプリケーション向けに特別に開発された XNUMX つの新製品。 非重要な医療用途とは、埋め込み型の生命維持装置ではないものの、製品およびプロセスの変更制御、DC リークの低減、およびシステムの信頼性の向上による恩恵が受けられる用途です。

AVX の HRC4000 製品ファミリーは、タンタル粉末技術の最新の進歩を利用して、静電容量範囲の拡大とパッケージ サイズの小型化を実現します。 コンデンサの製造に使用されるタンタル粉末にはさまざまな粒径があります。 粒子を大きくすると、誘電体層を厚くして、より高い電圧搬送能力または低い DCL を実現できます。一方、より小さな粒子を使用すると、より小さなコンデンサを製造できますが、電圧定格が低くなります。 これらの新製品は、重要な医療用途向けに指定されたコンデンサよりも若干高い DCL を備えている可能性がありますが、同じ厳格な Q プロセスのテストと制御技術のより経済的なサブセットが組み込まれており、生産母集団から異常値を除去し、材料またはプロセスを厳密に制御します。高い信頼性と長寿命のパフォーマンスを保証するための変更。

固体タンタル コンデンサは、無限の耐用年数と比類のない体積効率を提供するため、軍事、航空宇宙、医療機器などの信頼性の高いアプリケーションにとって賢明な選択肢となります。 製造技術と試験技術の向上により、低 ESR MnO の採用に成功しました。₂ 航空宇宙プラットフォームにおけるタンタル コンデンサの採用、およびコンデンサの効率と信頼性の劇的な向上に加え、FDA 準拠の変更制御の組み込みが過去 10 年間にわたって導入され、重要な分野と重要な分野の両方にわたってこの技術の適用を拡大してきました。重要ではない医療アプリケーション。

4月23、2018上   /   その他, タンタル / ニオブ / ポリマー, 技術記事/ホワイトペーパー