Passive Bauelemente So wählt man die zuverlässigsten, serienmäßigen Kondensatoren

Autor / Redakteur: James C. Lewis * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wenn höchste Zuverlässigkeit gefordert ist, reicht Standard-Qualität nicht aus. Wir verraten Ihnen, wie man mit der richtigen Prozesstechnik und Selektierung extrem zuverlässige Tantal-Kondensatoren erhält.

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Ein Hauptgrund für die Degradation: Kristallisation durch Verunreinigung des Dielektrikums.
Ein Hauptgrund für die Degradation: Kristallisation durch Verunreinigung des Dielektrikums.
(Bild: Kemet)

Unternehmen, die Hightech-Ausrüstung für die Bereiche Verteidigungs-, Luft-/Raumfahrt-, Medizintechnik und andere hochzuverlässige Anwendungen entwickeln, benötigen COTS- (Commercial Off The Shelf, serienmäßig hergestellte) anstelle kundenspezifischer Lösungen, um hochleistungsfähige Produkte schnell und zu möglichst geringen Kosten bereitzustellen. Da Regierungen ihre Verteidigungsbudgets weiter kürzen, zählen laut einer 2012 veröffentlichten Studie von Databeans COTS-Produkte mit einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von etwa 6% zur stärksten Kategorie in der Militär- und Luft-/ Raumfahrtbranche.

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Detaillierte Richtlinien für die Auftragnehmer decken daher den Einsatz verschiedenster Arten von COTS-Bauteilen ab, einschließlich System-on-Chip- und diskrete Halbleiter-Bausteine, Optoelektronik, Steckverbinder und passive Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren. Die Stärken des kommerziellen Sektors sind zwar anerkannt; die Richtlinien decken aber auch Herausforderungen wie die Vielzahl von Anbietern mit unterschiedlichen Ansätzen bei der Produktqualität, Selektierung und bei den Tests ab.

Qualität, Leistungsfähigkeit und Langzeitzuverlässigkeit im Feld

Es liegt an den Komponentenherstellern, sicherzustellen, dass COTS-Bauteile die Kosteneinsparungen und den technischen Fortschritt bieten, den Einkäufer erwarten. Gleichzeitig müssen die Qualität, Leistungsfähigkeit und Langzeitzuverlässigkeit im Feld verbessert werden. Kemet hat darum neue Technologien angekündigt, mit denen Tantal-Kondensatoren mit Festelektrolyt noch leistungsfähiger werden: durch höhere Robustheit, längere Lebensdauer und geringeres Derating.

Zuverlässigkeit von Tantal-Kondensatoren verbessern

Um die Zuverlässigkeit von Tantal-Kondensatoren für COTS-Anwendungen zu verbessern, gibt es zwei mögliche Ansätze. Der erste adressiert die Ursache von Bauteilausfällen wie Fehlerstellen im Dielektrikum und schwache Verbindungen zwischen der Anode und dem Anschlussdraht. Der zweite Ansatz ist eine neue Selektierungstechnik, mit der Hersteller diejenigen Kondensatoren besser isolieren können, die wahrscheinlich die höchste Zuverlässigkeit im Feld bieten. Beide Ansätze werden bei Kemet angewendet – und zwar mit der F-Tech-Fertigungstechnik und einem neuen Testverfahren, genannt Simulated Breakdown Screening.

Kontrolle des Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalts

Die F-Tech-Technologie führt zwei neue Techniken zur Kontrolle des Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalts des Tantalpulvers beim Sintern und den zugehörigen Prozessen ein, mit denen die Kondensator-Anode und das Dielektrikum gefertigt werden. Die Kontrollprozesse verhindern die Bildung von Tantalcarbid und Tantaloxid, die zu den Hauptverunreinigungen zählen und eine Kristallisation verursachen (siehe Praxiswert-Kasten).

Kohlenstoff-Kontrolle mit Entschmierungsprozess

Für die Kohlenstoff-Kontrolle hat Kemet einen flüssigen Entschmierungsprozess entwickelt, mit dem die Anoden wiederholt in einer Lösung gewaschen werden. Anschließend erfolgt eine Analyse, um sicherzustellen, dass sich der Kohlenstoffgehalt auf oder unter dem Niveau des zugeführten Tantalpulvers befindet (Bild 1). Bezüglich des Sauerstoffs hat Kemet einen exklusiven Entoxidationsprozess entwickelt, der Magnesiumdampf und einen Passivierungsprozess für die Tantal-Anoden verwendet.

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Tantal-Kondensatoren – Degradation und Durchschlagspannung

Tantal-Kondensatoren sind polarisierte Elektrolyt-Kondensatoren, die aus einer gesinterten Anode aus reinem Tantal bestehen. Damit sind sehr dünne dielektrische Schichten möglich. Im Vergleich zu anderen Kondensatoren bieten sie höhere Kapazitätswerte pro Volumeneinheit, ein besseres Hochfrequenzverhalten und eine hohe Langzeitstabilität. Sie kommen vor allem in Filtern in Stromversorgungen und bei der Mikroprozesser-Entkopplung zum Einsatz. Ihr niedriger Leckstrom sorgt für hohe Leistungsfähigkeit in Abtast- und Halteschaltkreisen, in denen eine lange Haltezeit gefordert ist. Tantal-Kondensatoren finden sich in den Bereichen Militär-, Luft-/Raumfahrt- und Medizintechnik, sowie in Stromversorgungen, DC/DC-Wandlern, Führungs- und Zielsystemen als auch in der Kommunikationstechnik.

Der wesentliche Degradationsmechanismus bei Tantal-Kondensatoren ist die Kristallisation anodischer Oxidschichten. Dies stört oder unterbricht die amorphe Struktur dieser Schicht, was zu höheren Leckströmen, Durchschlag und Kurzschlüssen führen kann. Die Kristallisationsrate in anodischen Oxidschichten hängt von verschiedenen Faktoren ab. Entscheidend sind chemische Reinheit und mechanische Robustheit. Bezüglich der chemischen Reinheit ist das Vorhandensein von Kohlenstoff und Sauerstoff in der Anode der Hauptgrund für die Bildung kristalliner Strukturen und deren Wachstumsrate.

Die Durchschlagspannung (BDV) ist ein Indikator für langfristige Zuverlässigkeit von Tantal-Kondensatoren und ist ein Hauptgrund für das Derating in diesen Bauteilen. Ein niedrige BDV zeigt Defekte im Dielektrikum an und somit eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit im Feld. Eine höhere BDV steht für ein stärkeres Dielektrikum und somit für hohe Zuverlässigkeit im Feld.

Bezüglich der Selektierung von Kondensatoren lassen sich mit herkömmlichen DC-Leakage-(DCL-)Tests während der Fertigung keine versteckten Defekte im Dielektrikum erkennen, z.B. Verunreinigungen, die Kristallisation verursachen. Damit könnten potenziell nicht-zuverlässige Bauteile unselektiert bleiben. End-of-Line Burn-in- und DCL-Tests bei Überlastbedingungen können zudem neue Defekte im Dielektrikum verursachen.

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Magnesium hat eine höhere Affinität für Sauerstoff als Tantal und entfernt beim Aufbringen auf die Anode den Sauerstoff aus dem Tantal. Anschließend wird über einen Auswaschungsprozess das Magnesiumoxid entfernt. Auch hier werden die Sauerstoffwerte überprüft, um sicherzustellen, dass der Sauerstoffgehalt in der Anode auf oder unter dem Niveau des zugeführten Tantalpulvers liegt.

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