Low-ESR-SMD-Tantalkondensatoren für Luft und Raumfahrt

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Die Ergebnisse der Stabilitätsuntersuchungen

Mit Tantalkondensatoren, die unter Schutzgasatmosphäre in hermetisch dichte Gehäuse (wie oben beschrieben) eingebaut wurden, hat man eine Reihe von Stabilitätsuntersuchungen durchgeführt. An verschiedenen Typen von Kondensatoren wurde umfangreich geprüft, wie sich ihre Werte mit der Temperatur und der Spannung verändern. Als Beispiel dafür, wie sich die hermetische Kapselung auswirkt, werden in den folgenden Abschnitten die Ergebnisse von herkömmlichen MnO₂- und Hochspannungs-Polymer-Kondensatoren dargestellt.

Test und Analyse der Stabilität von SMD-Tantalkondensatoren wurden mit Kondensatoren von 10 µF/35 V geprüft. An Kondensatoren mit MnO₂-Kathoden und mit Kathoden aus leitfähigem PEDOT-Polymer wurden Lebensdauer und Feuchteresistenz geprüft. Mechanisch geprüft wurden Kondensatoren von 100µF/35 V mit PEDOT-Kathoden. Zur Prüfung der Lebensdauer wurden die Kondensatoren der entsprechenden Temperatur in einen Wärmeschrank ausgesetzt, und zwar bei 50% der Nennspannung. Für die mechanische Prüfungen wurden die Kondensatoren mit einem Vibrationssystem den entsprechenden Bedingungen ausgesetzt. Dies sind die Parameter der Einzeltests:

A. Lebensdauer A1: Testzeit 2000 Std., Testtemperatur 150 °C, 0,50 U_R,

B. Lebensdauer A2: Testzeit 2000 Std., Testtemperatur 175 °C, 0,50 U_R,

C. Lebensdauer A3: Testzeit 2000 Std., Testtemperatur 200 °C, 0,50 U_R,

D. Lebensdauer A4: Testzeit 2000 Std., Testtemperatur 215 °C, 0,50 U_R,

E. Lebensdauer A5: Testzeit 2000 Std., Testtemperatur 230 °C, 0,50 U_R,

F. Feuchteresistenz D: Testzeit 64 Std., Testtemperatur 120 °C, Testfeuchtigkeit 85%, U_R,

G. Stoßtest: 1500 g, 0,5 ms, 5x, Ebenen X, Y, Z,

H. Vibration: 20 g, 10 bis 2000 Hz, Testtemperatur 125 °C.

Die Kapazität wurde mit einem Signal von 120 Hz und einem Effektivwert von 50% bei einer Vorspannung von 2,2 V Gleichspannung gemessen. Der Serienwiderstand wurde bei 100 kHz ermittelt. Diese Messungen wurden bei Umgebungstemperatur durchgeführt, um festzustellen, ob das Bauteil irgendwelche Verschlechterung zeigt. Die Ergebnisse sind in den Bilder 9 und 10 dargestellt.

Die Dichteprüfung erfolgte mit einem Heliumdetektor jeweils vor und nach den unten dargestellten Tests. Die maximale Heliumleckrate durfte 1 x 10^-8 atm cm³/s nicht überschreiten. Die Dichte wurde vor und nach allen Tests geprüft, um die Qualität der hermetischen Kapselung zu bestätigen.

Die Bilder 9 und 10 zeigen die elektrischen Messwerte (Kapazität und ESR) von SMD-Tantalkondensatoren mit PEDOT-Kathoden mit und ohne hermetische Kapselung in einem Keramikgehäuse bei 120 °C und voller Nennspannung während 64 Stunden. Man sieht beim Standardkondensator die typische Änderung der Kapazität durch Feuchtigkeit und auch den Anstieg des Serienwiderstands durch Degradation der Kathode. Kondensatoren, die unter Schutzgas hermetisch gekapselt wurden, zeigen hingegen nur kleine Änderungen von Kapazität und ESR, die man eventuell mit einer unvollständigen Trocknung vor dem hermetischen Abschluss erklären kann.

Die hermetisch gekapselten Polymerkondensatoren der Baureihe TCH von AVX sind verfügbar im großen Gehäuse ESCC 3012/003 CTC21 für maximale Kapazität. Der erste verfügbare Wert ist 100 µF/35 V, bei einem maximalen Serienwiderstand von 55 mΩ. Dank der großen Spannungsfestigkeit von Polymerkondensatoren werden weitere Werte mit 10 V bis 100 V Nennspannung zur Verfügung stehen. Ein Kondensator mit 22 µF/100 V ist bereits verfügbar, er ist der erste Kondensator, der die hervorragende Zuverlässigkeit eines Tantalkondensators bietet und direkt an eine Spannung von 48 V angeschlossen werden kann (der Standard-Versorgungsspannung in der Satellitentechnik). Dabei wird er (wie für Tantalkondensatoren empfohlen) bei maximal 50% seiner Nennspannung betrieben.

Durch den Einsatz von HiCV-SMD-Tantalelkos mit niedrigem ESR kann bei fliegender Hardware erheblich Gewicht gespart werden. Bisher ist die Auswahl von zertifizierten Kondensatoren für Luft- und Raumfahrtzwecke sehr begrenzt. Nun gibt es zwei neue Baureihen von Low-ESR-Tantalkondensatoren aus europäischer Herstellung, die speziell für europäische Luft- und Raumfahrtanwendungen gedacht sind. Sie werden in Lanskroun in der Tschechischen Republik produziert.

Maximale CV- und minimale ESR-Werte

Die Baureihe befindet sich aktuell im QPL-Qualifikationsprozess nach ESCC 3012/004. Die Kondensatoren erreichen maximale CV- und minimale ESR-Werte und erfüllen damit die Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen in Luft- und Raumfahrt. Die größeren Werte in Gehäusen D und E arbeiten mit Mehranodentechnik, das bringt den niedrigstmöglichen ESR und ermöglicht höhere Rippleströme

Hermetisch gekapselte Polymerkondensatoren

Ein neues, hermetisch gekapseltes Design für SMD-Tantalkondensatoren mit Polymerkathoden wurde auf den Markt gebracht, um den wesentlichen Vorteil der Polymerkathode – niedrigen ESR – für die anspruchsvollsten Anwendungen wie etwa ausfallkritische Schaltungen in der Raumfahrtelektronik verfügbar zu machen. Die hermetische Kapselung minimiert den Einfluss der Feuchtigkeit, so dass Schwankungen der Kapazität infolge von Feuchtigkeitsänderungen, bisher ein Schwachpunkt der Polymertechnologie, wesentlich verringert werden.

Tests an SMD-Tantalkondensatoren mit Polymerkathode, die unter einer Schutzgasatmosphäre hermetisch gekapselt wurden, zeigten eine ausgezeichnete Leistung im Vergleich zu den gleichen Kondensatoren, die in Standard-Epoxydharz eingebettet waren. Die Wirkung extremer Feuchtigkeit auf den ESR beim HAST-Test (120 °C/85% relative Feuchtigkeit/Nennspannung) war mit einem hermetisch gekapselten Gehäuse auch geringer als bei Standardbauteilen, die nur in Epoxydharz eingebettet waren. Auch die mechanische Festigkeit wurde geprüft. Sie erfüllt mit einer Stoßfestigkeit von 1500 g und einer Vibrationsfestigkeit von 20 g die Anforderungen der ESA und des tschechischen Raumfahrtförderprogramms.

Das Projekt zur Entwicklung von hermetisch gekapselten Low-ESR-SMD-Tantalpolymerkondensatoren wird unterstützt von der ESA und vom tschechischen Raumfahrtförderprogramm AO6052.

Literaturhinweise:

[1] H. S. Nalwa: Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers, Willey&Sons (1997).

[2] A. Skotheim, J. R. Reynolds: Conjugated Polymers, CRC Press (2007).

[3] T. Zednicek, J. Sikula, H. Leibovitz; A Study of Field Crystallization in Tantalum Capacitors and its effect on DCL and Reliability; CARTS USA (2009).

[4] E. Reed, J. Marshall „18 mOhms and Falling – New Ultra Low ESR Tantalum Chip Capacitors” CARTS USA 1999, New Orleans, pp 133-141

[5] J. Ladd, „Lowest Available ESR Conformally-Coated Multiple-Anode Tantalum Capacitor” CARTS USA 2000, California, pp 228-233

[6] R. Hahn, B. Melody, „Process for Producing Low ESR Solid Tantalum Capacitors”, CARTS USA 1998, California, pp 129-133.

[7] G. Winkler, J. Gerblinger, M. Brenner, „Lowest and Stable ESR Values of Tantalum Capacitors with Improved Standard Technologies“, CARTS Europe 1999 Lisboa, Portugal, pp.79-84

[8] I. Horacek, T. Zednicek et col., „Improved ESR on Mn=₂ Tantalum Capacitors at Wide Voltage Range” CARTS USA 2002, New Orleans

[9] I. Horacek, T. Zednicek et col.,” Lowest ESR at High Voltage - Multianode Tantalum Capacitors” CARTS USA 2004, San Antonio, TX

* Thomas Zednicek, Martin Barta, Jan Petrzilek und Martin Biler sind Mitarbeiter bei AVX Czech Republic s.r.o.

(ID:42479252)

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