Танталовые конденсаторы в космических приложениях
Существует тенденция к использованию коммерческих (автомобильных) деталей в космических приложениях для снижения стоимости конечного электронного устройства. В танталовых (Ta) конденсаторах снижение номинальных характеристик на 50% или выше (уменьшенное прикладное напряжение V a по сравнению с номинальным напряжением V r ) — это способ решения проблем надежности коммерческих деталей. В действительности, коммерческие конденсаторы Ta со снижением номинальных характеристик на 50 % могут быть более дорогими и менее надежными, чем высоконадежные или специальные детали COTS без или с низким снижением номинальных характеристик, особенно при более высоких напряжениях питания. Продолжить чтение ниже.
Автор(ы): Юрий Фриман и Фил Лесснер
Организация(и): KEMET Electronics Corporation, 2835 KEMET Way, Simpsonville, SC 29681
Симпозиум: ESA SPCD 2018
Артикул:
ISBN: Н/Д
e-Sessions Applications: Aerospace
e-Sessions Scope Компоненты: Конденсаторы
e-Sessions Темы: Спецификация и квалификация, технология, качество и надежность
Кроме того, тестирование коммерческих деталей конечным пользователем может быть непродуктивным, поскольку материалы и процессы в этих деталях могут быть изменены для снижения производственных затрат. В этом случае детали из следующей производственной партии могут отличаться от только что протестированных. В отличие от этого, изменение материалов и процессов в Hi-Rel и специальных частях COTS требует повторной квалификации и уведомления клиентов, в то время как каждая производственная партия подвергается установленному тесту на надежность.
В целом значительный объем данных свидетельствует о повышенной вероятности отказов и высоких связанных с ними потерях из-за использования коммерческих деталей в космосе.
Существует возможность достижения максимальной надежности и эффективности и потенциального снижения стоимости конденсаторов Ta за счет использования специальных деталей COTS, изготовленных с использованием передовой безупречной технологии (F-Tech) и уникального экранирования с имитацией пробоя (SBDS) и используемых с отсутствием/низким снижение рейтинга. Термодинамические основы и особенности F-Tech и SBDS описаны в книге 9.
Рис. 1. Интенсивность отказов при номинальном напряжении, 85 o C и 42,25 ч в базовом корпусе D 15 мкФ – 35 В Твердотельные электролитические конденсаторы Ta с традиционной (Industry Average) и технологиями F-Tech/SBDS
Как видно из таблицы, для одного и того же типа детали и условий применения частота отказов примерно в 5*10 7 раз ниже с F-Tech/ SBDS по сравнению с традиционной технологией.
Кроме того, снижение номинальных характеристик деталей F-Tech/SBDS обеспечивает гораздо более резкое снижение частоты отказов (коэффициент коррекции напряжения) по сравнению с традиционной технологией (рис. 2).
Рис. 2. Поправочный коэффициент напряжения отказов в корпусе D 15 мкФ – 35 В Твердотельные электролитические конденсаторы Ta с традиционными (среднеотраслевыми) и технологиями F-Tech/SBDS.
Согласно рис. 2 снижение номинальных характеристик деталей KEMET F-Tech/SBDS на 20 % обеспечивает большее снижение интенсивности отказов, чем снижение номинальных характеристик на 50 % для деталей, соответствующих среднему по отрасли стандарту с традиционной технологией. В обоих случаях экспериментальные данные хорошо согласуются со степенной функцией; однако показатель степени в этой функции примерно в 4 раза больше для F-Tech/SBDS по сравнению с традиционной технологией, что приводит к резкому падению частоты отказов при снижении рейтинга.
Представленные на рис.
1 и 2 экспериментальные значения интенсивности отказов конденсаторов MnO 2 Ta получены в результате ступенчатого стресс-теста (SSLT) с постепенным увеличением приложенного напряжения выше номинального напряжения и времени выдержки на каждом шаге . Аналогичное испытание SSLT было выполнено для того же типа конденсаторов D-корпуса 15 мкФ – 35 Polymer Ta, изготовленных F-Tech/SBDS. Материалы и процессы в полимерных конденсаторах были такими же, как и в конденсаторах MnO
2 , за исключением катода, где диоксид марганца был заменен проводящим полимером. Полимерная технология была либо гибридной с внутренней полимеризацией на месте и внешней предварительно полимеризованной суспензией, либо специальной суспензией внутри и снаружи (книга, глава 2.3). На рис. 3 показаны результаты ТЛТ для D-корпуса 15 мкФ – 35 В MnO 2 , Полимерные гибридные и полимерные суспензионные конденсаторы.
Рис. 3. Результаты SSLT для конденсаторов Ta 15 мкФ – 35 В в корпусе D с F-Tech/SBDS и различными катодами
Как видно из рис.
условия испытаний, вызвавшие отказы практически всех конденсаторов MnO 2
Рис. 4. БДВ в корпусе D Конденсаторы 15 мкФ – 35 В Ta с F-Tech/SBDS и различными катодами
Рис. -Tech), специальная технология суспензионного полимера и уникальная технология экранирования (SBDS) обеспечивают высочайшую диэлектрическую прочность и, следовательно, стабильность и надежность, когда-либо достигнутые в любых твердотельных конденсаторах Ta. DCL, которые сравнимы с таковыми в конденсаторах Wet Ta, при этом их ESR намного ниже, чем ESR в Wet. В качестве примера на рис. 5 показана эволюция конденсаторов Ta с выводами в корпусе B 9.0009
Рис.5 Эволюция конденсаторов Ta
Основной движущей силой эволюции конденсаторов Ta является снижение ESR, чтобы обеспечить более высокие рабочие частоты и меньшее выделение тепла переменным током.
Показан на рис. 5 Конденсаторы Polymer 2015 Ta представляют собой полимерное герметичное уплотнение (PHS) KEMET Конденсаторы Ta, изготовленные с использованием F-Tech/SBDS, специальной полимерной суспензии и регулируемой влажности в герметичном корпусе (книга, глава 3.3). Эти конденсаторы Polymer Ta имеют рабочее напряжение и DCL, подобные тем, что у конденсаторов Wet Ta, но гораздо более низкое ESR, особенно при низких температурах. PHS подпадают под действие DLA 13030 и успешно используются в космосе около пяти лет.
При любой технологии снижение номинальных характеристик оказывает более сильное влияние на объем и вес конденсаторов Ta по сравнению с другими типами конденсаторов.
Например, снижение номинальных характеристик керамических конденсаторов на 50 % обычно приводит к увеличению объема примерно в 2 раза при сохранении той же емкости.
В противоположность этому снижение номинальных характеристик конденсаторов Ta на 50 % приводит к 10-кратному увеличению объема и пропорциональному увеличению веса при сохранении той же емкости. Сильное влияние снижения номинальных характеристик на объем и вес конденсаторов Ta связано с комбинацией более толстого диэлектрика и более крупного порошка Ta с меньшей удельной поверхностью, необходимой для формирования более толстого диэлектрика на анодах Ta.
В качестве примера на рис. 6 показаны твердоэлектролитные конденсаторы Ta емкостью 4,7 мкФ и напряжением питания 25 В: корпус D 4,7 мкФ – 50 В (снижение номинала на 50 %), корпус B 4,7 мкФ – 35 В (30 % снижения номинальных характеристик) и А-корпус 4,7 мкФ -25 (без снижения номинальных характеристик). Соотношение объема и веса в этих конденсаторах примерно 10:2,5:1.
Рис. 6. Твердоэлектролитные конденсаторы Ta поверхностного монтажа D-корпус 4,7 мкФ -50 В, B-корпус 4,7 мкФ — 35 В и A-корпус 4,7 мкФ — 25 В
Увеличение объема конденсаторов Ta из-за снижения номинальных характеристик означает равную потерю объемной эффективности с точки зрения заряда (CV/cc) и энергии (E/cc). В то же время высокий объемный КПД является основным преимуществом конденсаторов Та по сравнению с конденсаторами других типов.
Десятикратная потеря объемного КПД из-за 50% снижения номинальных характеристик делает КПД конденсаторов из Та сравнимым с КПД менее дорогих керамических конденсаторов. Кроме того, толстый диэлектрик в высоковольтных конденсаторах Та, изготовленных по традиционной технологии и используемых с 50% снижением номинала, содержит большое количество начальных дефектов, которые могут прогрессировать и вызывать сбои поля даже при снижении номинала.
В этом случае снижение номинальных характеристик отрицательно влияет на надежность.
Наконец, 10-кратное увеличение объема из-за снижения номинальных характеристик на 50% и пропорционального увеличения веса приводит к более высокой стоимости производства, которая сильно зависит от количества порошка Ta в анодах Ta.
Хотя F-Tech и SBDS увеличивают стоимость производства, конденсаторы Ta, изготовленные с использованием F-Tech/SBDS и используемые без понижения номинальных характеристик или с низким (20–30%) снижением номинальных характеристик, обеспечивают не только более высокую надежность и эффективность, но и потенциально более низкая стоимость по сравнению с коммерческими конденсаторами Ta большего размера, используемыми со снижением номинальных характеристик на 50%.
F-Tech и SBDS также помогают снизить аномальный ток заряда (ACC) в полимерно-танталовых конденсаторах высокого напряжения (книга, глава 3.5). В качестве примера на рис. 7 показан ток при V = 28 В во время линейного испытания (dV/dt = 120 В/с) негерметичного полимерного конденсатора Ta 15 мкФ – 35 В в D-корпусе, изготовленного ) и технологии F-Tech/SBDS (b).
Перед линейным испытанием конденсаторы были прогреты при 125 o C, а затем охлаждены до 0 o C.
Рис. 7. Линейное испытание полимерных танталовых конденсаторов 540D 15 мкФ – 35 В, изготовленных по традиционной технологии (а) и F-Tech/SBDS (б)
Как видно на рис. 7, ток значения ниже с F-Tech/SBDS по сравнению с традиционной технологией, тем не менее, все еще выше, чем теоретическое значение тока, рассчитанное как I = C*dV/dt. Ведутся работы по снижению тока до теоретического уровня (устранению АКК).
Выводы и рекомендации
- Для космического применения рекомендуются только Hi-Rel и специальные конденсаторы COTS Ta с установленной надежностью.
- Обычно используемое снижение номинальных характеристик конденсаторов Ta на 50 % приводит к 10-кратному увеличению объема и пропорциональному увеличению веса и стоимости. Это также может отрицательно сказаться на надежности конденсаторов Та высокого напряжения, изготовленных по традиционной технологии.
Конденсаторы - Ta, изготовленные с использованием F-Tech/SBDS и используемые без понижения номинальных характеристик или с низким (20%-30%) снижением номинальных характеристик, обеспечивают высокую надежность и эффективность, а также потенциальную экономическую выгоду по сравнению с конденсаторами Ta большего размера, изготовленными по традиционной технологии и используемыми со снижением номинальных характеристик на 50% и выше. Конденсаторы
- Polymer Ta, изготовленные с использованием F-Tech/SBDS и специальной полимерной технологии, обеспечивают не только низкое ESR, но и самую высокую диэлектрическую прочность и, следовательно, стабильность и надежность, когда-либо достигнутые в любых твердотельных конденсаторах Ta.
- F-Tech и SBDS помогают подавить ACC в высоковольтных конденсаторах Polymer Ta в сочетании с высокой стабильностью и надежностью.
Благодарность:
Авторы хотели бы поблагодарить Билла Винкеля, Эда Джонса, Эрин Аткинсон, Стива Хасси, Джонатана Полсена и Джимми Сиссона за важный вклад в экспериментальную часть работы и очень полезное обсуждение.
Конденсаторы для космических аппаратов: выдерживают суровые радиационные условия
09.08.2016 // Мюррей Словик
Потрясающая колонка Денниса Зогби MarketEye «Космические пассивные компоненты: обновление мирового рынка: 2016 г.» побудила меня изучить влияние радиации на пассивные компоненты и, в частности, на конденсаторы, предназначенные для использования на космических кораблях. Пассивы составляют более 80% электронных компонентов, используемых на космических кораблях, поэтому излучение может быть серьезной проблемой, поскольку космические приложения не могут позволить себе перебоев в работе или потери какой-либо функции.
Существуют четыре основные причины радиации в космосе: захваченные электроны, захваченные протоны, солнечные протоны и космические лучи.
Радиационные пояса Ван Аллена содержат заряженные частицы, захваченные магнитным полем, окружающим Землю. Захваченные электроны представляют собой отрицательно заряженные частицы с относительно малой массой, но чрезвычайно энергичными. Обычно они находятся на очень высоких орбитах, таких как геостационарные орбиты, которые находятся на высоте примерно 36 000 км над планетой. Внутренний пояс Ван Аллена состоит в основном из высокоэнергетических протонов с энергией, превышающей 30 000 000 электрон-вольт. Пиковая интенсивность этих протонов составляет примерно 20 000 частиц в секунду, пересекающих сферическую площадь в один квадратный сантиметр во всех направлениях. Протоны, захваченные магнитным полем, существуют в высоких концентрациях на низкой околоземной орбите (НОО), которая определяется как 1400–2000 км от поверхности Земли. Солнечные протоны похожи на захваченные протоны, за исключением того, что они выбрасываются из Солнца во время солнечной вспышки.
Космические лучи исходят со всех направлений и состоят примерно на 85 % из протонов, на 14 % из альфа-частиц и на 1 % из тяжелых ионов, а также из рентгеновского и гамма-излучения. Тяжелые ионы — это массивные высокозаряженные частицы, которые могут серьезно повредить электронные устройства. В космосе эти частицы обычно обладают такой большой энергией, что легко ионизируют атомы, освобождая отрицательно заряженные электроны. В электронных устройствах этот процесс ионизации создает избыточный заряд, который может вызывать как кратковременные, так и длительные эффекты. Большинство эффектов вызываются частицами с энергиями от 0,1 до 20 ГэВ.
Диэлектрики, используемые в качестве изоляторов конденсаторов, имеют широкий диапазон физических и структурных характеристик, которые обусловливают различия в их электрических свойствах. Воздействие излучения является одним из факторов, которые могут повлиять на эти характеристики и привести к значительным изменениям характеристик конденсатора в цепи.
Все диэлектрические материалы становятся электропроводными при воздействии ионизирующего излучения. С точки зрения схемных применений наиболее важным воздействием излучения на конденсатор является наведенная проводимость в диэлектрическом материале. Величина радиационно-индуцированной проводимости (RIC) может широко варьироваться в зависимости от типа диэлектрического материала. В зависимости от природы материала проводимость может прекратиться очень быстро (наносекунды) после облучения или сохраняться в течение более длительного периода времени.
Изменение размеров промежутков между пластинами конденсатора является основной причиной изменения емкости во время облучения. Это изменение размеров наиболее заметно, когда в одной или нескольких частях конструкции конденсатора используются чувствительные к излучению материалы, обычно органические. Повышение давления из-за газовыделения и набухания вызывает физическую деформацию элементов конденсатора и, таким образом, изменяет расстояние между ними.
При излучении сопротивление утечки конденсатора уменьшается и, как следствие, уменьшается постоянная времени цепи. Если конденсатор находится в критической схеме синхронизации, схема синхронизации может привести к ошибкам, влияющим на производительность системы.
Исследования показали, что:
- Как правило, согласно спецификациям MIL и космического применения проводящие полимерные конденсаторы классифицируются как нечувствительные к радиации. Конденсаторы из проводящего полимера были оценены при испытании на общую дозу ионизации (TID) с использованием источника Cobalt 60 при облучении до 200 тыс. рад при мощности дозы 500 рад/ч без влияния на характеристики детали.
- Тефлон (ПТФЭ) продемонстрировал довольно высокую восприимчивость к радиационному повреждению. Ухудшение физических свойств происходит при облучении из-за высвобождения атомов фтора и образования захваченных фторуглеродных газов. Прочность на растяжение снижается, и материал становится хрупким. Охрупчивание становится сильным при длительном облучении [107 рад], и политетрафторэтилен может крошиться.
- Керамические изоляционные материалы практически не изменяют свойств (в том числе диэлектрической проницаемости) при рентгеновском облучении до доз 107 рад и выше.
- При облучении танталовых конденсаторов ионизирующим излучением электроны и дырки (положительно заряженные атомы) переходят в подвижное состояние. Результатом может быть радиационно-индуцированный разряд в конденсаторах с начальным смещением в несколько вольт и радиационно-индуцированное нарастание напряжения на изначально несмещенных конденсаторах. Влажные танталовые конденсаторы использовались в космических приложениях более 40 лет, с первых дней программ пилотируемых космических полетов.
- Электролиты, как правило, избегаются для космических применений (хотя доступны электролиты с техническими характеристиками mil). Электролитики могут подвергаться изменениям параметров от ионизирующего излучения или импульсного излучения, в зависимости от дозировки. Алюминиевые электролитические конденсаторы могут выделять воду и органические пары. Диэлектрик также может быть ослаблен, и в результате бомбардировки может возрасти утечка постоянного тока. НАСА обнаружило, что алюминиевые конденсаторы с твердым проводящим полимером обладают значительными преимуществами по сравнению с алюминиевыми конденсаторами, в которых используется жидкий электролит.
Охрупчивание становится сильным при длительном облучении [107 рад], и политетрафторэтилен может крошиться. 
Алюминиевые электролитические конденсаторы могут выделять воду и органические пары. Диэлектрик также может быть ослаблен, и в результате бомбардировки может возрасти утечка постоянного тока. НАСА обнаружило, что алюминиевые конденсаторы с твердым проводящим полимером обладают значительными преимуществами по сравнению с алюминиевыми конденсаторами, в которых используется жидкий электролит. Недавно полный ассортимент диэлектрических MLCC BME X7R космического уровня от AVX — размеры корпуса от 0603 до 1812, значения емкости от 2,2 нФ до 8,2 мкФ и номинальные значения от 16 В до 100 В — квалифицированы для использования в аэрокосмических проектах и военных приложениях США в соответствии с S- 311-P-838 для приложений, включая фильтрацию ввода-вывода и объемное хранение в импульсных источниках питания (SMPS) в космической и спутниковой связи и пусковых установках.
Спецификация S-311-P-838 Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) определяет требования к высокой надежности, керамическим диэлектрикам, многослойным электродам из недрагоценных металлов и микросхемам с фиксированной емкостью для высоконадежных космических приложений.
В нем также указаны проверки обработки и проверки, необходимые для сборок, используемых в полете.
Устройства, поставляемые в соответствии с этой спецификацией, подвергаются ультразвуковому контролю, который может быть выполнен до подключения конденсатора (в соответствии с требованиями MIL-PRF-123) или после подключения конденсатора по выбору изготовителя. Напряженно-температурная характеристика диэлектрика относится к значению +25 °C, применимому во всем диапазоне температур от -55 °C до +125 °C, и ±15% от емкости.
Утверждается, что MLCC BME X7R космического уровня от AVX обеспечивают повышенную устойчивость к механическим нагрузкам, допуская больший изгиб платы, чем стандартные разъемы, особенно в корпусах больших размеров. Протестированная с использованием стандартов и методов MIL-SPEC, включая 100% ультразвуковой контроль в соответствии со спецификацией S-311-P-838, одобренная НАСА серия рассчитана на 16–100 В и от 2,2 нФ до 8,2 мкФ с тремя допусками емкости (± 5%, ±10% и ±20%).
