Los condensadores de tantalio sólido tienen una larga historia de rendimiento comprobado en aplicaciones militares y espaciales de alta confiabilidad. Pero no todos los condensadores son iguales, ni siquiera dentro de la misma clase. Como ocurre con prácticamente todas las tecnologías de componentes, los materiales importan. Este artículo discutirá las diferencias en rendimiento y confiabilidad entre capacitores de tantalio sólidos con dióxido de manganeso (MnO₂) cátodos y aquellos con cátodos de polímero conductor.

Bell Laboratories introdujo en el mercado los primeros condensadores de tantalio sólidos a principios de la década de 1950. La primera especificación militar para condensadores de tantalio de montaje superficial (MIL-PRF-55365) se publicó en 1989 e introdujo componentes estilo CWR09. Desde entonces, la oferta de productos regida por esta especificación se ha ampliado para incluir condensadores estilo CWR19 con una gama ampliada de valores CV y ​​condensadores estilo CWR29, que ofrecen límites bajos de ESR para todas las clasificaciones en las categorías de productos CWR09 y CWR19.

A finales de la década de 1990, KYOCERA AVX comenzó a ofrecer familias COTS-Plus de productos de condensadores de tantalio con valores CV (capacitancia x voltaje) extendidos y resistencia en serie equivalente (ESR) baja. Estos componentes de nivel comercial o profesional podrían luego ser mejorados (es decir, probados y calificados de confiabilidad según los requisitos y métodos de prueba militares) para su uso en aplicaciones militares y aeroespaciales de alta confiabilidad, a menudo con costos más bajos y plazos de entrega más cortos que los verdaderos. componentes con especificaciones militares. Luego, a principios de la década de 2000, KYOCERA AVX lanzó su primera línea de productos de tantalio a nivel espacial, la serie SRC9000, que incluye productos militares QPL y COTS-Plus y ofrece varias características ventajosas, como detección 100% de rayos X, detección estadística , muestreo de DPA y pruebas funcionales/de vida útil en cada lote. En 2008, la serie SRC9000 se había convertido en la base para la introducción de las soluciones espaciales de nivel T introducidas en la especificación MIL-PRF-55365, que, al igual que todas las demás especificaciones que regulan el uso de condensadores de tantalio en aplicaciones de alta confiabilidad. aplicaciones militares y aeroespaciales (p. ej., MIL-PRF-39003, MIL-PRF-39006, MIL-PRF-49137): se basa en condensadores de tantalio con MnO₂ tecnología catódica.^{[ 1 ]}

Condensadores de tantalio con cátodos de polímero conductores de corriente, en lugar de MnO₂ cátodos, existen desde la década de 1990 y ofrecen una serie de ventajas de rendimiento sobre MnO₂ variantes. Sin embargo, aunque en algunos dibujos del DSCC se incluyen condensadores de tantalio con cátodos de polímero, no existen especificaciones militares para estos productos, ya que las ventajas que ofrecen conllevan serias desventajas en términos de confiabilidad reducida a largo plazo, la introducción de mecanismos de desgaste y variabilidad en el desempeño paramétrico bajo estrés ambiental.^{[ 2 ]}

Los condensadores de tantalio sólido tienen distintos grados de requisitos de almacenamiento y manipulación. Las familias de productos y/o ciertos tamaños de cajas dentro de ellas están designados con un nivel de sensibilidad a la humedad (MSL) que determina qué condiciones ambientales (por ejemplo, temperatura y humedad) son adecuadas para el almacenamiento y manipulación del producto antes del ensamblaje de PCB. Condensadores de tantalio con MnO₂ Los cátodos generalmente se clasifican como MSL 1, con algunas clasificaciones MSL 3 para piezas con volúmenes internos más grandes, mientras que prácticamente todos los productos poliméricos no herméticos se definen como MSL 3 o superior a pesar de que la estructura porosa del ánodo responsable del potencial de captación de humedad es la Lo mismo para polímero y MnO.₂ condensadores de tantalio. Esta discrepancia entre las clasificaciones MSL para condensadores de tantalio sólidos con MnO₂ y cátodos poliméricos se debe al mecanismo de desgaste que sólo está presente en estos últimos y a la posterior degradación del rendimiento a largo plazo.

Los condensadores de tantalio que no se almacenan de acuerdo con las recomendaciones del producto y se les permite absorber cantidades excesivas de humedad pueden sufrir efectos de "popcorning" cuando se los somete a temperaturas de reflujo durante el ensamblaje de la PCB. Las “palomitas de maíz” ocurren cuando la humedad dentro de la estructura se vaporiza rápidamente, causando presión interna y ventilación que puede causar grietas en el material de embalaje externo. Aunque generalmente se acepta que los condensadores de tantalio con cátodos de polímero son más sensibles a esto que el MnO₂Condensadores basados ​​en, KYOCERA AVX elimina proactivamente todo el exceso de humedad de su MnO₂ Condensadores SRC9000 y MIL-PRF-55365 antes del embalaje, los suministra en un embalaje protector con barrera contra la humedad y proporciona pautas para el secado del producto en caso de que las piezas queden expuestas a la humedad antes del montaje.

Un beneficio crítico del MnO₂ condensadores de tantalio, y una de las razones principales por las que son ideales para su uso en aplicaciones de alta confiabilidad y larga vida útil, es que no se conocen mecanismos de desgaste para esta tecnología. De hecho, MnO₂ Los condensadores de tantalio que han estado funcionando en aplicaciones durante 30 años o más (incluso desde antes de la publicación de la especificación MIL-PRF-55365) continúan mejorando en cuanto a rendimiento de fugas y confiabilidad con el tiempo. Los condensadores de polímero conductor emplean el mismo dieléctrico que el MnO.₂ condensadores de tantalio con las mismas características de confiabilidad y larga vida útil, pero el polímero conductor que reemplaza al dióxido de manganeso inorgánico es sensible a la humedad y la oxidación, lo que puede causar cambios paramétricos a largo plazo. Se han realizado mejoras en el embalaje de los condensadores de polímero conductor y se han aliviado con éxito algunas de las preocupaciones, permitiéndoles cumplir con los requisitos ambientales de grado automotriz, incluido AEC-Q200, pero más allá de esto, el desgaste del material polimérico continuará. Sellar herméticamente estos dispositivos de polímero es actualmente el único medio real de prevenir los mecanismos de desgaste ambiental causados ​​por la entrada de humedad y la oxidación. KYOCERA AVX Serie TCH, que fue desarrollado en asociación con la Agencia Espacial Europea (ESA) para su uso en aplicaciones aeroespaciales, ofrece capacitores de polímero conductor herméticamente sellados en dos tamaños de caja con varios valores de capacitancia y voltaje.

El siguiente gráfico presenta las curvas de confiabilidad típicas del aluminio, MnO.₂, y condensadores de polímero conductor y muestra que MnO₂ Los condensadores de tantalio generalmente solo experimentan fallas tempranas de mortalidad infantil y, por lo demás, tienen una vida útil indefinida, mientras que los capacitores de aluminio y polímeros conductores siempre se degradan con el tiempo. Como tal, se debe tener especial cuidado fundamentado en una comprensión profunda del rendimiento esperado al final de su vida útil al diseñar dichos componentes en sistemas electrónicos.

Curvas de confiabilidad típicas para aluminio, MnO₂, y los condensadores de polímero conductor respaldan el hecho de que MnO₂ Los condensadores de tantalio generalmente solo experimentan fallas tempranas relacionadas con la mortalidad infantil y, por lo demás, tienen una vida útil indefinida, mientras que los capacitores de polímero conductor tienen una característica de desgaste paramétrica adicional.

Además de demostrar sensibilidad a ciertas condiciones de almacenamiento, manipulación y montaje por reflujo, los capacitores de polímero conductor también son susceptibles a los efectos de la humedad dentro de dispositivos terminados, híbridos, ensamblajes y algunos dispositivos finales. Independientemente de las circunstancias que rodean su ingreso, la presencia de exceso de humedad inicia la degradación del material polimérico del cátodo. Luego, esta degradación se acelera aún más por las características de temperatura y voltaje de una aplicación (por ejemplo, temperaturas iguales o superiores a 85 °C al 85 % del voltaje nominal), lo que conduce a una pérdida de capacitancia paramétrica.

Alternativamente, la presencia de humedad en una aplicación o durante el almacenamiento ensamblado no es una preocupación para el MnO.₂condensadores de tantalio, ya que el material de su cátodo no se degrada por la presencia de humedad. Los siguientes gráficos comparan el rendimiento típico de MnO₂ y condensadores de polímero conductor a 85°C, 85% de humedad relativa y tensión nominal durante 500 horas. El MnO₂ Los capacitores demuestran aumentos de capacitancia delta constantes y predecibles entre 7 % y 10 % después de 500 horas, mientras que los capacitores de polímero conductivo tienen unidades individuales que exhiben un rendimiento de capacitancia delta que va desde 12 % hasta -30 % y, si el gráfico continuara , una degradación aún mayor y una pérdida de capacitancia adicional con el tiempo.

Estos dos gráficos comparan el rendimiento típico de los condensadores de tantalio comerciales con MnO.₂ cátodos (izquierda) y aquellos con cátodos de polímero conductor (derecha) a 85°C, 85% de humedad relativa y voltaje nominal durante 500 horas.

Otro efecto secundario de la humedad dentro de los cátodos de polímeros conductores es la pérdida de conductividad que también puede afectar el factor de disipación y la ESR.

MnO más comercial₂ Los condensadores de tantalio tienen un rango de temperatura de funcionamiento que se extiende de -55 °C a 125 °C, lo que se alinea con la mayoría de los requisitos de aplicaciones militares y de alta confiabilidad, mientras que muchos condensadores de polímero comerciales generalmente tienen un rango de temperatura de funcionamiento que se extiende de -55 °C a 85 °C. C o 105°C. Los condensadores de polímero conductor diseñados para aplicaciones automotrices y otras aplicaciones de alta confiabilidad funcionan en todo el rango de temperatura de -55 °C a 125 °C.

Un estudio realizado por la NASA^{[ 3 ]} en los que los polímeros estándar se almacenaron a temperaturas elevadas que oscilaban entre 100 °C y 150 °C mostraron una degradación significativa de las características de CA del material, lo cual es consistente con los resultados de las pruebas de estrés para capacitores de polímero. En menos de 12 semanas a temperaturas elevadas, la ESR del material comenzó a aumentar y, después de seis meses, las magnitudes aumentaron de dos a 10 veces los valores originales. El rendimiento de la fuga de CC (DCL) durante este período tendió a disminuir. Cuando los componentes poliméricos de grado automotriz se sometieron a almacenamiento a alta temperatura de hasta 150 °C, las características de CA mostraron menos cambios, pero DCL experimentó un movimiento significativo de hasta dos órdenes de magnitud (es decir, 100x) de los valores iniciales. Sin embargo, el DCL se pudo recuperar con un tiempo prolongado de almacenamiento a temperatura ambiente. Dado que existen múltiples tipos diferentes de materiales de cátodos poliméricos aplicados a los condensadores poliméricos, además de las variaciones de lote a lote y de pieza a pieza, los efectos del almacenamiento o las aplicaciones a alta temperatura sobre el rendimiento pueden ser variables.

Sin embargo, el hecho es que MnO₂ Los condensadores de tantalio no exhiben ninguno de estos efectos, sino que demuestran de manera confiable un rendimiento estable para las características de CA y CC durante tiempos de almacenamiento indefinidos a temperaturas de hasta 150 °C.

Los condensadores de polímero conductor también pueden sufrir un fenómeno conocido como carga anómala cuando las piezas se exponen a un secado excesivo o al funcionamiento en un entorno de vacío.^{[ 4 ]} En estos casos, en el encendido inicial, los componentes pueden exhibir altos órdenes de magnitud de corriente de fuga de CC que se extienden en el rango de miliamperios a amperios, que son significativamente mayores que en el funcionamiento normal. Estos efectos se ven aún más exacerbados por el funcionamiento a temperaturas más bajas, lo que puede provocar que los condensadores parezcan sufrir un cortocircuito durante fracciones de segundo o durante varios minutos. Este efecto no se observa en todos los polímeros conductores, ya que se han desarrollado algunas clasificaciones de alto voltaje para eliminar esta condición.

Los transitorios anómalos pueden ser especialmente perjudiciales para los circuitos cuando los condensadores se utilizan en una función de filtrado, ya que la inestabilidad del DCL puede provocar ruido no deseado dentro de un sistema, lo que es contrario a los objetivos típicos del filtrado de reducir la ondulación y suavizar las señales. También pueden causar daños o fallas permanentes en los componentes si las piezas se someten a corrientes de carga suficientemente grandes, ya que una condición de alta corriente en el encendido puede provocar que un capacitor no se cargue lo suficientemente rápido como para que el circuito funcione dentro de un tiempo específico.

Una vez más, sin embargo, MnO₂ Los tantalios también son inmunes a este fenómeno y, en cambio, exhiben un rendimiento DCL decreciente muy consistente y predecible en condiciones ambientales extremadamente secas, húmedas o de vacío en todo el rango de temperaturas de funcionamiento.

Los condensadores de tantalio sólido recomiendan una reducción del 50% en su aplicación, principalmente debido a eventos transitorios y sobretensiones que pueden superarse eficazmente con diseños de circuitos apropiados (por ejemplo, características que incluyen arranque suave, limitación de corriente, protección de circuito, etc.), mientras que los condensadores de polímero generalmente solo recomiendan 20% de reducción en la aplicación. Sin embargo, es posible reducir la reducción requerida del tantalio sólido dependiendo de su diseño, métodos de prueba y condiciones de aplicación. Por ejemplo, KYOCERA AVX desarrolló y patentó Q-Process™^{[ 5 ]}, que incorpora pruebas de DCL utilizando métodos adecuados a diversas temperaturas y se ha demostrado que mejora la confiabilidad y reduce significativamente (o incluso elimina) la necesidad de reducción de potencia en muchas aplicaciones.

Originalmente MnO₂ Los condensadores de tantalio diseñados para su uso en aplicaciones militares emplearon una clasificación exponencial para establecer un grado de confiabilidad y una tasa de falla, lo que implicó recolectar muestras de cada lote de productos y someterlas a pruebas de vida útil a largo plazo de 10,000 horas para generar una gran cantidad de horas de componentes del dispositivo. . La información de aprobación/rechazo se utilizó luego para determinar la confiabilidad a largo plazo de la línea o familia de productos y, por lo tanto, no era específica del lote, lo que dejaba más margen de variación. Además, este proceso de clasificación también impuso grandes costos a los fabricantes en términos de soporte de la infraestructura y los componentes necesarios.

Como tal, MnO₂ Los procesos de prueba de confiabilidad se transformaron en lo que se conoce como clasificación Weibull: un proceso de acondicionamiento de voltaje/quemado en el que el 100 % de los capacitores se someten a voltaje y temperatura acelerados (y, específicamente, un voltaje nominal mínimo de 1.3 veces a 85 °C). ) durante un mínimo de 40 horas. Se monitorea una muestra de 300 piezas para detectar fallas después de 15 minutos, dos horas y luego 40 horas, y la distribución de esas fallas determina el grado de confiabilidad calculado (es decir, B, C o D) para ese lote particular de piezas. condensadores. Mientras se monitorea la muestra para detectar fallas, luego se quema todo el lote en las mismas condiciones y cualquier unidad designada como falla se elimina de la población. Históricamente, este proceso ha tenido mucho éxito a la hora de determinar qué lotes de producto son adecuados para aplicaciones de alta confiabilidad.

Esta curva de confiabilidad de la bañera abierta ilustra MnO₂ los infantes mortales eliminados durante el proceso de clasificación de confiabilidad/quemado.

Considerando que MnO₂ Las fallas de los capacitores tienden a ser mortales infantiles, lo que significa que la mayoría de las fallas ocurren la primera vez que se encienden. La clasificación Weibull es especialmente adecuada para establecer la confiabilidad de esta tecnología, ya que elimina los mortales infantiles para cambiar efectivamente el lote al fallo decreciente. porción de tasa de la curva de confiabilidad. Sin embargo, este mismo proceso no funciona para los condensadores de polímero, que tienden a tener un modo de falla más latente debido al desgaste y cambios en el rendimiento paramétrico. Como tal, actualmente no existe ningún método alternativo revisado y aprobado por la industria para establecer la confiabilidad de los componentes poliméricos.

Además de la clasificación de confiabilidad, varios otros desarrollos de diseño y procesos han mejorado la calidad del MnO.₂ Fiabilidad del tantalio a lo largo del tiempo.^{[ 6 ]} Quizás lo más significativo sea la selección estadística de cada lote de producción para procesar la capacidad en lugar de simplemente aplicar límites definidos por el catálogo o incluso por el cliente, ya que este proceso elimina efectivamente cualquier valor atípico, que es más probable que cause problemas en una aplicación, del población normal.

Uno de los beneficios de confiabilidad a largo plazo más importantes del MnO₂ Los condensadores de tantalio, además de su falta de mecanismos de desgaste, es su capacidad para "autocurarse" o aislar sitios defectuosos. Este fenómeno ocurre cuando las rutas de fuga altas generan calor y transforman el MnO₂ en Mn2O5 no conductor, aislando así el sitio del defecto, evitando un mayor deterioro y devolviendo el DCL a los niveles nominales. Los condensadores de polímero tienen un mecanismo de autorreparación similar, pero es menos efectivo. Dado que el material polimérico es altamente conductor, los sitios defectuosos generan menos calor. Como tal, los sitios de defectos tienden a no quedar completamente aislados como los de MnO.₂ condensadores, lo que significa que la fuga de CC tiende a permanecer en un estado elevado y da como resultado mayores oportunidades de una mayor degradación.

Devoluciones de clientes y fallas reportadas para MnO de alta confiabilidad₂ Los tantalios (millones de los cuales se diseñan cada año en nuevos productos críticos, incluidas aplicaciones médicas de soporte vital, como marcapasos y desfibriladores) se encuentran actualmente en un mínimo histórico. Esta disminución de la tasa de fallas en el campo es atribuible a las mejoras continuas en las técnicas de diseño, procesamiento y selección que eliminan de manera confiable las piezas que pueden experimentar fallas durante el procesamiento del cliente y respaldan mejores componentes de referencia. La mayoría de los reclamos de los clientes emitidos hoy tienen que ver con productos que se mantuvieron durante un período de tiempo significativo sin tener en cuenta el almacenamiento y manipulación adecuados antes del montaje o que son simplemente de naturaleza cosmética, sin impacto en el rendimiento o la confiabilidad de los dispositivos. Los defectos cosméticos generalmente se componen de grietas en el cuerpo del capacitor causadas por la expansión térmica de los materiales o paredes más delgadas de la caja diseñadas para soportar la expansión de las ofertas de CV y ​​no tienen ningún efecto sobre el MnO.₂ rendimiento del condensador, vida útil o confiabilidad en la aplicación.

Sin embargo, no se puede decir lo mismo de los condensadores de polímero. Aunque en los últimos años se han realizado varias mejoras en los envases de componentes poliméricos, la única protección real para prevenir el desgaste es utilizar dispositivos sellados herméticamente.

En ocasiones, el nivel de ruptura de voltaje también se promociona como un medio para evaluar la confiabilidad de los componentes, pero tanto MnO₂ y los componentes poliméricos tienen un rendimiento de ruptura de voltaje similar (normalmente a partir de dos veces el voltaje nominal), lo que está directamente relacionado con los procesos de curación posteriores a la formación dentro del dieléctrico y no tiene ningún efecto directo sobre el rendimiento dentro de una aplicación.

Uno de los beneficios de confiabilidad a largo plazo de los capacitores de polímero es un modo de falla benigno en comparación con el MnO.₂ condensadores. Cuando un MnO₂ El componente falla, se produce un cortocircuito, lo que significa que la corriente que llega al componente es ilimitada y que la falla del dispositivo puede volverse catastrófica, debido al hecho de que el MnO₂ El sistema catódico es un agente oxidante. El sistema de cátodo del condensador de polímero elimina este agente oxidante, pero aún puede fallar por cortocircuito, y aunque esto puede no tener un efecto tan catastrófico como la falla de un MnO₂ condensador, una corriente ilimitada a un condensador de polímero en cortocircuito aún puede resultar en un calentamiento local significativo.

Una de las mayores ventajas de los componentes poliméricos son sus valores de ESR extremadamente bajos, que oscilan entre un solo dígito y decenas de miliohmios. Mientras que el MnO estándar₂ Aunque los componentes tienen una característica de ESR más alta, la disponibilidad de un estilo de construcción multiánodo desarrollado específicamente para reducir la ESR cierra de manera efectiva gran parte de la brecha entre estas dos tecnologías. KYOCERA AVX Tuneladora Serie SRC9000 MnO de VSG ultrabaja₂ Los condensadores de tantalio multiánodos, por ejemplo, proporcionan límites de ESR de hasta 18 mΩ y se han diseñado activamente en numerosas aplicaciones aeroespaciales y espaciales durante los últimos 10 años, durante los cuales nunca se ha reportado ni un solo error o falla de campo. El éxito significativo, el rendimiento impresionante y la confiabilidad a largo plazo de esta serie quizás se evidencien mejor por su empleo en el sistema ChemCam del Mars Curiosity Rover, que contaba con 630 condensadores de la serie TBM y los energizó más de medio millón de veces entre el aterrizaje del rover en Marte el 6 de agosto de 2012 y su muerte el 13 de febrero de 2019.

MnO₂ Los condensadores de tantalio tienen algunos de los niveles de DCL más bajos disponibles y superan de manera regular y notable los límites publicados. Por ejemplo, mientras que los componentes típicos de grado militar especifican niveles de fuga de 0.01 CV, el MnO de alta confiabilidad₂ Los componentes normalmente exhiben capacidades de proceso que se extienden desde 0.001 CV hasta 0.0025 CV. Todo MnO de alta confiabilidad₂ Los capacitores producidos por KYOCERA AVX, por ejemplo, están sujetos a rigurosos protocolos de prueba de conformidad para garantizar que los clientes reciban componentes dentro de tres desviaciones estándar (es decir, sigma) de la capacidad del proceso, que está significativamente por debajo tanto de los límites de especificación como de la capacidad intrínseca de -estilos herméticos de componentes poliméricos.

Por el contrario, los componentes poliméricos han publicado valores de DCL que van desde 0.1 CV a 0.05 CV, pero sin las mismas mejoras significativas en el rendimiento real, lo que da como resultado un rendimiento de DCL que es entre 5 y 50 veces peor que el de MnO comparable.₂ componentes.

Por último, los límites de apantallamiento utilizados al probar eléctricamente condensadores también son de importancia crítica. Los componentes a nivel espacial SRC9000 de KYOCERA AVX reciben análisis estadístico tanto para ESR como para DCL para lograr una distribución más ajustada dentro de la población y eliminar valores atípicos. Se establece un límite de tres sigma para cada lote de componentes y se utiliza para eliminar unidades individuales que, si bien todavía están muy por debajo de los límites publicados, están fuera de la población normal para proporcionar una población más homogénea y mejorar aún más el rendimiento.

A continuación se muestra una tabla que describe las diferencias generales en el rendimiento de ESR y DCL entre varios grupos de componentes.

Debido a los mecanismos de desgaste conocidos y la inestabilidad en el rendimiento de CA o CC en condiciones eléctricas y ambientales, no se recomienda el uso a largo plazo de condensadores de tantalio con sistemas de cátodos de polímero en todas las aplicaciones de alta confiabilidad. Condensadores de tantalio con MnO₂ Los sistemas catódicos, por otro lado, tienen una larga historia de rendimiento extremadamente estable durante décadas de uso en aplicaciones militares y espaciales exigentes y en entornos hostiles, lo que los establece claramente como la tecnología preferida para uso a largo plazo en misiones de alta confiabilidad. - aplicaciones críticas a nivel militar y espacial.