Tolerancia a la radiación de los condensadores de tantalio y cerámica

INTRODUCCIÓN

La resistencia a la radiación de los componentes electrónicos pasivos no es un tema bien estudiado actualmente y, en general, se consideran insensibles a entornos ionizantes o no se utilizan en aplicaciones resistentes a la radiación. Esta falta de conocimiento frena la adopción de tecnologías relativamente nuevas en aplicaciones espaciales, nucleares, militares y otras aplicaciones con entornos de radiación ionizante, incluyendo los condensadores de polímero de tantalio, que ofrecen alta densidad de energía, baja resistencia en serie y parámetros eléctricos estables.

Para investigar más a fondo los componentes electrónicos pasivos para estas aplicaciones, es importante centrarse no solo en la dosis de radiación ionizante, sino también en el tipo de radiación. Los efectos de la radiación ionizante directa e indirecta pueden diferir, y cada grupo tiene clasificaciones adicionales. La radiación ionizante directa consiste en partículas cargadas, por ejemplo, electrones y protones, con energía suficiente para crear ionización en los materiales. Debido a su carga, se ven influenciadas por los campos electromagnéticos, lo que generalmente reduce su penetrabilidad. La radiación ionizante indirecta incluye partículas sin carga eléctrica, como neutrones y fotones, y presenta una mayor penetrabilidad debido a una menor probabilidad de interacción con la materia.

En un artículo de 2023 titulado "Tolerancia a la radiación de los condensadores de polímero de tantalio", Kyocera AVX investigó la tolerancia a la radiación de condensadores de tantalio SMD moldeados con cátodo convencional de MnO₂ y de polímero. En ambos casos, los condensadores mostraron una excelente tolerancia a la radiación en términos de capacitancia (CAP), factor de disipación (DF), resistencia en serie equivalente (ESR) y fuga de corriente continua (DCL) tras la irradiación con un haz de fotones de 20 MeV a una tasa de dosis de 1.44 kGy, hasta una dosis total de 4.5 kGy. [1].

Este artículo investiga más a fondo la tolerancia a la radiación de los componentes pasivos en múltiples series de condensadores de alta confiabilidad fabricados por Kyocera AVX, específicamente los condensadores de polímero de tantalio herméticamente sellados, los condensadores de tantalio húmedos MIL-PRF-39006/33 y los MLCC MIL-PRF-32535 con dieléctrico X7R.

CONDENSADORES DE TANTALIO DE POLÍMERO HERMÉTICAMENTE SELLADOS

La construcción de los condensadores de tántalo herméticamente sellados es similar a la de los condensadores de polímero de tántalo SMD estándar, como se muestra en la Figura 1. Cada condensador consiste en una pastilla sinterizada de polvo de tántalo con una superficie muy amplia. El dieléctrico de pentóxido de tántalo se forma aplicando tensión continua a las pastillas sumergidas en un electrolito ácido, con un espesor dieléctrico proporcional a la tensión aplicada. El terminal del cátodo de polímero se prepara mediante polimerización in situ o mediante la deposición de dispersiones poliméricas. El material polimérico conductor más utilizado es el PEDOT (poli(3,4-etilendioxitiofeno)), que proporciona un contacto firme con el dieléctrico, alta conductividad y estabilidad térmica. El sellado hermético de estos condensadores en una carcasa de cerámica previene la oxidación y la degradación por humedad del cátodo de polímero.

Los condensadores de polímero de tantalio herméticamente sellados ofrecen baja ESR, alta densidad de energía, voltajes de hasta 125 V y parámetros eléctricos estables. Sus aplicaciones típicas incluyen fuentes de alimentación y potencia de pulso en la industria aeroespacial y de defensa. [ 2,3 ]

Figura 1 – Construcción del condensador de polímero de tantalio SMD
CONDENSADORES DE TANTALIO HÚMEDO

Al igual que los condensadores de polímero de tantalio SMD, los condensadores de tantalio húmedos consisten en una pastilla sinterizada de polvo de tantalio prensado con una superficie muy alta y un alambre de tantalio incrustado. Esta pastilla actúa como electrodo positivo (ánodo). Se crea una capa de dieléctrico de pentóxido de tantalio (Ta₂O₅) sobre la superficie del ánodo aplicando una corriente continua a través del ánodo en un electrolito ácido. El electrodo negativo (cátodo) incluye un material de superficie extremadamente alta en la superficie interior de una cápsula de tantalio, que está en contacto con un electrolito líquido. Este electrolito conecta el cátodo con la capa dieléctrica, formando el cátodo completo. Todos los componentes se encuentran dentro de la cápsula, que está herméticamente sellada, con un cable de ánodo externo conectado al cable de ánodo incrustado y un cable de cátodo externo conectado a la cápsula. La Figura 2 muestra un ejemplo.

Los condensadores de tantalio húmedo se han utilizado durante muchos años en aplicaciones de almacenamiento de alta energía donde la eficiencia volumétrica y la alta confiabilidad son esenciales, incluso en la exploración petrolera industrial, la aviónica militar y las aplicaciones aeroespaciales. [ 4 ]El Kyocera AVX MIL-PRF-39006/33 cumple con los requisitos para condensadores de tantalio húmedo en aplicaciones militares.

Figura 2 – Construcción del condensador de tantalio húmedo MIL-PRF-39006/33
CONDENSADORES CERÁMICOS CON DIELÉCTRICO X7R

Los condensadores cerámicos multicapa (MLCC) consisten en un bloque cerámico monolítico que contiene dos conjuntos de electrodos intercalados y descentrados, incrustados en el dieléctrico cerámico. Se utilizan comúnmente dos tipos de formulaciones cerámicas: Clase I, con compensación de temperatura, y Clase II, estable a la temperatura y apta para aplicaciones generales. El dieléctrico X7R es una de las formulaciones de Clase II más utilizadas, conocida por su variación de capacitancia de ±15 % en un rango de temperatura de -55 °C a +125 °C. Además de la temperatura, la capacitancia de los MLCC de Clase II varía con la tensión y la frecuencia aplicadas (para más detalles sobre el rendimiento en diversas condiciones de funcionamiento, consulte el software SpiCap de Kyocera AVX). [ 5 ] En la Figura 3 se muestra un ejemplo de construcción de MLCC.

Kyocera AVX ofrece MLCC dieléctricos MIL-PRF-32535 X7R con certificación DLA en tamaños de carcasa de 0402 a 2220, con valores nominales de capacitancia/tensión de 2.2 nF a 22 µF y de 16 a 100 V. Estos condensadores amplían el rango de CV en comparación con las especificaciones MIL estándar, manteniendo al mismo tiempo una alta fiabilidad. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen satélites de exploración científica, satélites de observación terrestre, satélites de comunicaciones, lanzadores de satélites y diversas aplicaciones militares, terrestres o aéreas. [ 6 ]

Figura 3 – Construcción del MLCC [5]
PRUEBAS DE RADIACIÓN

Para la irradiación de las piezas se utilizó un Microtron MT25 de la Academia Checa de Ciencias (CAS) en Praga (Figura 4).

Figura 4 – Microtron MT25

El MT25 es un acelerador de electrones cíclico con un resonador Kapitza, capaz de energizar electrones en cúmulos a niveles escalados en pasos de 1 MeV, desde 6 MeV hasta 25 MeV. Los electrones son acelerados por un campo eléctrico de RF de amplitud y frecuencia constantes, en un campo magnético uniforme. La Figura 25 muestra un esquema del MT5. [ 7 ]

Figura 5 – Componentes del MT25 que incluyen (1) magnetrón, (2) desfasador, (3) circulador, (4) carga de agua, (5) cavidad de aceleración, (6) imán principal (cámara de vacío), (7) trayectorias de electrones, (8) extractor de haz ajustable, (9) primer deflector

A diferencia de los ciclotrones que producen protones, el microtrón acelera electrones, que son aproximadamente mil veces más ligeros que los protones. Si bien los electrones pueden acelerarse a altas energías cinéticas comparables a las de los protones, sus interacciones con la materia difieren significativamente debido a diferencias de masa, carga y comportamiento a nivel atómico. La menor masa de los electrones resulta en una menor energía impartida a las muestras irradiadas, lo que provoca principalmente cambios químicos sin inducir reacciones nucleares. En consecuencia, no se imparte radiactividad al dispositivo bajo prueba (DUT), lo que facilita la irradiación homogénea de la muestra. El microtrón también proporciona un excelente control y configurabilidad de la dosis total de radiación. [ 1 ]

La irradiación utilizó un haz de fotones (Bremsstrahlung) con una energía de 20 MeV. Esta radiación electromagnética se produce por la desaceleración de los electrones que pasan a través de un blanco de tungsteno situado detrás de la ventana de salida.[ 7 ] La tasa de dosis de este haz de fotones fue de 1.44 kGy/hora.

La dosis de irradiación extrema utilizó un haz de electrones directamente del microtrón, con una energía de 20 MeV y una tasa de dosis de 120 kGy/hora.

Los condensadores de polímero de tantalio herméticamente sellados (TCH9226M100W0150), los condensadores de tantalio húmedos (M39006/33-0040) y dos condensadores cerámicos con dieléctrico X7R se montaron en una matriz de PCB FR5 personalizada para su irradiación y caracterización (Figura 6). Cada grupo se expuso a tres dosis de radiación diferentes de un haz de fotones con la tensión de polarización nominal aplicada. Además, todos los grupos se sometieron a pruebas con una dosis de irradiación extrema del haz de electrones, con la tensión de polarización nominal aplicada, como se muestra en la Figura 7.

Figura 6 – Prueba de PCB con condensadores
Figura 7 – Tabla de dosis/sesgo para la exposición a la radiación

Además, se incluyó un período de recocido a alta temperatura de 24 horas a 125 °C como etapa final del ciclo de pruebas. Este paso, comúnmente referenciado en las normas para componentes irradiados (como MIL-STD 750-1, MIL-STD 883, ESCC 25100 y ESCC 22900), puede ayudar a disipar los electrones de excitación inducidos en el material dieléctrico por la radiación.

Tras cada dosis de radiación, se midieron la capacitancia volumétrica, la ESR, el factor de disipación (FD) y la corriente de fuga de CC (DCL) en los dispositivos del conjunto. En el caso de los condensadores de polímero de tantalio herméticamente sellados, la capacitancia volumétrica y la FD se midieron a 120 Hz con una polarización de 2 V y una corriente de medición de 1 V CA; la ESR se midió a 100 kHz con una polarización de 2 V y una corriente de medición de 1 V CA; y la DCL se midió con una resistencia de 1 kΩ en serie a temperatura ambiente (TA), con lecturas obtenidas tras 300 segundos de aplicar la tensión nominal.

Para los capacitores de tantalio húmedos, la capacitancia en masa, DF y ESR se midieron a 120 Hz con una polarización de 2 V y una corriente de medición de CA de 1 V; la DCL se midió con una resistencia de 1 kΩ en serie a temperatura ambiente, y las lecturas se tomaron después de 300 segundos de aplicar el voltaje nominal.

Para los capacitores cerámicos con dieléctrico X7R, la capacitancia en masa, DF y ESR se midieron a 1 kHz con una polarización de 2 V y una corriente de medición de CA de 0.5 V; la DCL se midió con una resistencia de 10 kΩ en serie a temperatura ambiente, y las lecturas se tomaron después de 300 segundos de aplicar el voltaje nominal.

Al observar los cambios en estos parámetros a través de diferentes dosis de radiación, se puede evaluar la resiliencia de cada dispositivo a la radiación ionizante.

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS | IRRADIACIÓN CON HAZ DE FOTONES

Se observó una ligera disminución de la capacitancia en los MLCC de 25 V y 100 V tras la irradiación con fotones a dosis de entre 1.5 y 4.5 kGy (Figuras 8 y 9). El cambio de capacitancia tras la irradiación fue del -7.5 % para las piezas de 100 V y del -10 % para las de 25 V. Para ambos números de pieza, la capacitancia se mantuvo dentro del límite de cambio permitido del -15 % especificado en la norma MIL-PRF-32535 (línea roja), a pesar de la disminución.

Se observó un ligero aumento de la corriente de fuga en los condensadores de tantalio húmedos, que aumentó aproximadamente 1 µA hasta un total de aproximadamente 2 µA (Figura 11). Este aumento no tuvo un impacto significativo en el rendimiento de las piezas y se mantuvo muy por debajo del límite de especificación de 5 µA (línea negra).

No se observaron otros cambios significativos en los parámetros medidos de ninguno de los condensadores probados tras la irradiación con haz de fotones a dosis de hasta 4.5 kGy. Los condensadores de polímero de tántalo, herméticamente sellados, mostraron una excelente estabilidad en todos los parámetros medidos bajo la irradiación con haz de fotones hasta este nivel de dosis (Figura 10).

Figura 8 – Parámetros eléctricos de los MLCC de 100 V antes y después de la irradiación con haz de fotones
Figura 9 – Parámetros eléctricos de los MLCC de 25 V antes y después de la irradiación con haz de fotones
Figura 10 – Parámetros eléctricos de condensadores de polímero de tantalio herméticamente sellados antes y después de la irradiación con haz de fotones.
Figura 11 – Parámetros eléctricos de los condensadores de tantalio húmedos antes y después de la irradiación con haz de fotones.
RESULTADOS DE LAS PRUEBAS | IRRADIACIÓN CON HAZ DE ELECTRONES

La irradiación con haz de electrones a una dosis de 250 kGy provocó un aumento de la DCL en todos los condensadores probados. La DCL de ambos números de pieza de MLCC se mantuvo por debajo de 70 nA después de la prueba (Figuras 12 y 13).

En los condensadores de polímero de tantalio herméticamente sellados, la DCL aumentó aproximadamente 1 µA. Tras las pruebas, la DCL se mantuvo dentro del límite de especificación de 220 µA para estas piezas (Figura 14).

En los condensadores de tantalio húmedos, el mayor aumento de DCL observado por irradiación con haz de electrones fue de 1 µA a 5.1 µA, y algunas piezas superaron el límite de especificación inicial de 5 µA. Según la norma MIL-PRF-39006/33B, se permite un aumento de hasta el 125 % del límite de DCL inicial para las pruebas de fiabilidad, lo que equivale a 6.25 µA para este número de pieza; este umbral no se superó (Figura 15).

Figura 12 – Parámetros eléctricos de MLCC de 100 V antes y después de la irradiación con haz de electrones.
Figura 13 – Parámetros eléctricos de MLCC de 25 V antes y después de la irradiación con haz de electrones.
Figura 14 – Parámetros eléctricos de condensadores de polímero de tantalio herméticamente sellados antes y después de la irradiación con haz de electrones.
Figura 15 – Parámetros eléctricos de los condensadores de tantalio húmedos antes y después de la irradiación con haz de electrones.
DISCUSIONES Y CONSIDERACIONES FUTURAS

Los MLCC con dieléctrico X7R mostraron una disminución de la capacitancia tras la irradiación con haz de fotones a dosis de hasta 4.5 kGy y con haz de electrones a una dosis de 250 kGy; sin embargo, esta disminución se mantuvo dentro de los límites de las pruebas de fiabilidad. Además, la DCL mostró un aumento insignificante bajo la irradiación con haz de electrones. Los parámetros ESR y DF demostraron una excelente estabilidad en estas condiciones. Estos resultados coinciden con los hallazgos de publicaciones anteriores. [ 8 ], apoyando la recomendación de estos condensadores para aplicaciones militares y espaciales con exposición a la radiación.

Los condensadores de tántalo herméticamente sellados demostraron una excelente estabilidad a la radiación en todos los parámetros eléctricos tras la irradiación con haces de fotones a dosis de hasta 4.5 kGy y con haces de electrones a 250 kGy. Este comportamiento es consistente con el de los condensadores de polímero de tántalo SMD moldeados. [ 1 ]La combinación de alta eficiencia volumétrica, bajo ESR y larga vida útil con propiedades de autorreparación hace que estos capacitores sean adecuados para aplicaciones militares y espaciales con exposición a la radiación.

Los condensadores de tantalio húmedos también mostraron una excelente estabilidad de los parámetros eléctricos tras la irradiación con haz de fotones a dosis de hasta 4.5 kGy. Tras la irradiación con haz de electrones a 250 kGy, la DCL aumentó ligeramente, pero se mantuvo dentro de los límites de fiabilidad de las pruebas. Con base en estos resultados, se recomiendan los condensadores de tantalio húmedos para aplicaciones militares y espaciales con exposición a la radiación.

Los cambios de DCL observados después de la dosis extrema del haz de electrones de 250 kGy se atribuyeron al efecto ionizante directo de la irradiación de electrones y su alta densidad de energía, con una tasa de dosis de 120 kGy/hora.

Las pruebas futuras podrían explorar la medición en tiempo real de parámetros eléctricos de condensadores de tantalio MnO₂ convencionales, tantalio polimérico y tantalio húmedo durante la irradiación, así como el estudio de los efectos de la irradiación neutrónica. Ambas pruebas presentan desafíos únicos en cuanto a equipos de prueba y seguridad radiológica.

Para obtener más información sobre los condensadores de polímero de tantalio de KYOCERA AVX, visite: https://www.kyocera-avx.com/products/tantalum/high-reliability/

Referencias:

Descargue la versión en PDF aquí
En agosto 6, 2025   /   Condensadores Cerámicos, Noticias / Eventos / Prensa, Tantalio / Niobio / Polímero, Artículos técnicos/documentos técnicos