Strahlungstoleranz von Tantal- und Keramikkondensatoren

EINFÜHRUNG

Die Strahlungsbeständigkeit passiver elektronischer Komponenten ist derzeit wenig erforscht. Sie gelten im Allgemeinen als unempfindlich gegenüber ionisierenden Umgebungen oder werden nicht in strahlungsbeständigen Anwendungen eingesetzt. Dieser Mangel an Wissen bremst die Einführung relativ neuer Technologien in der Raumfahrt, der Nukleartechnik, im Militär und anderen Anwendungen mit ionisierender Strahlung. Dazu gehören Polymer-Tantal-Kondensatoren, die eine hohe Energiedichte, einen niedrigen Serienwiderstand und stabile elektrische Parameter bieten.

Um passive elektronische Komponenten für diese Anwendungen genauer zu untersuchen, ist es wichtig, sich nicht nur auf die ionisierende Strahlungsdosis, sondern auch auf die Art der Strahlung zu konzentrieren. Die Auswirkungen direkt ionisierender und indirekt ionisierender Strahlung können unterschiedlich sein, und jede Gruppe verfügt über weitere Klassifizierungen. Direkt ionisierende Strahlung besteht aus geladenen Teilchen, beispielsweise Elektronen und Protonen, mit ausreichend Energie, um Materialien zu ionisieren. Aufgrund ihrer Ladung werden sie von elektromagnetischen Feldern beeinflusst, was im Allgemeinen ihre Durchdringbarkeit verringert. Indirekt ionisierende Strahlung umfasst Teilchen ohne elektrische Ladung, beispielsweise Neutronen und Photonen, und weist aufgrund einer geringeren Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung mit Materie eine höhere Durchdringbarkeit auf.

In einem Artikel aus dem Jahr 2023 mit dem Titel „Strahlungstoleranz von Tantal-Polymer-Kondensatoren“ untersuchte Kyocera AVX die Strahlungstoleranz von geformten SMD-Tantal-Kondensatoren mit konventioneller MnO₂-Kathode und Polymerkathode. In beiden Fällen zeigten die Kondensatoren nach Bestrahlung mit einem 20-MeV-Photonenstrahl bei einer Dosisleistung von 1.44 kGy bis zu einer Gesamtdosis von 4.5 kGy eine ausgezeichnete Strahlungstoleranz hinsichtlich Kapazität (CAP), Verlustfaktor (DF), äquivalentem Serienwiderstand (ESR) und Gleichstromleckstrom (DCL). [1].

In diesem Artikel wird die Strahlungstoleranz passiver Komponenten mehrerer hochzuverlässiger Kondensatorserien von Kyocera AVX genauer untersucht, insbesondere der hermetisch versiegelten Polymer-Tantal-Kondensatoren, der nassen Tantal-Kondensatoren MIL-PRF-39006/33 und der MLCCs MIL-PRF-32535 mit X7R-Dielektrikum.

HERMETISCH VERSIEGELTE POLYMER-TANTAL-KONDENSATOREN

Der Aufbau hermetisch abgedichteter Tantalkondensatoren ähnelt dem von Standard-SMD-Polymer-Tantalkondensatoren (siehe Abbildung 1). Jeder Kondensator besteht aus einem gesinterten Tantalpulverpellet mit sehr großer Oberfläche. Das Tantalpentoxid-Dielektrikum wird durch Anlegen einer Gleichspannung an Pellets in einem sauren Elektrolyten gebildet, wobei die Dicke des Dielektrikums proportional zur angelegten Spannung ist. Der Polymerkathodenanschluss wird entweder durch In-situ-Polymerisation oder durch Abscheidung von Polymerdispersionen hergestellt. Das am häufigsten verwendete leitfähige Polymermaterial ist PEDOT (Poly(3,4-ethylendioxythiophen)), das einen starken Kontakt mit dem Dielektrikum, eine hohe Leitfähigkeit und Temperaturstabilität bietet. Die hermetische Abdichtung dieser Kondensatoren in einem Keramikgehäuse verhindert Oxidation und Feuchtigkeitsabbau der Polymerkathode.

Hermetisch versiegelte Polymer-Tantal-Kondensatoren bieten niedrigen ESR, hohe Energiedichte, Spannungen bis zu 125 V und stabile elektrische Parameter. Typische Anwendungen sind Stromversorgungen und Impulsstromversorgung in der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigung. [2,3].

Abbildung 1 – Aufbau eines SMD-Tantal-Polymer-Kondensators
Nasse Tantalkondensatoren

Ähnlich wie SMD-Polymer-Tantal-Kondensatoren bestehen Nass-Tantal-Kondensatoren aus einem gesinterten Pellet aus gepresstem Tantalpulver mit sehr großer Oberfläche und einem eingebetteten Tantaldraht. Dieses Pellet dient als positive Elektrode (Anode). Durch Anlegen eines Gleichstroms an die Anode in einem sauren Elektrolyten wird auf der Anodenoberfläche eine dielektrische Schicht aus Tantalpentoxid (Ta₂O₅) erzeugt. Die negative Elektrode (Kathode) besteht aus einem Material mit extrem großer Oberfläche auf der Innenseite eines Tantalbechers, der mit einem flüssigen Elektrolyten in Kontakt steht. Dieser Elektrolyt verbindet die Kathode mit der dielektrischen Schicht und bildet so die vollständige Kathode. Alle Komponenten sind in dem hermetisch abgedichteten Becher enthalten. Ein externer Anodenanschluss ist mit dem eingebetteten Anodendraht und ein externer Kathodenanschluss mit dem Becher verbunden. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel.

Nasse Tantalkondensatoren werden seit vielen Jahren in Hochenergiespeicheranwendungen eingesetzt, bei denen volumetrische Effizienz und hohe Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung sind, unter anderem in der industriellen Erdölförderung, der militärischen Avionik und der Luft- und Raumfahrt. [4].Der Kyocera AVX MIL-PRF-39006/33 erfüllt die Anforderungen für Nass-Tantal-Kondensatoren in militärischen Anwendungen.

Abbildung 2 – Aufbau eines Nass-Tantal-Kondensators MIL-PRF-39006/33
KERAMIKKONDENSATOREN MIT X7R-DIELEKTRIK

Mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCCs) bestehen aus einem monolithischen Keramikblock mit zwei versetzten, ineinander verschachtelten Elektroden, die in das keramische Dielektrikum eingebettet sind. Zwei Arten von Keramikformulierungen werden üblicherweise verwendet: Klasse I, die temperaturkompensiert, und Klasse II, die temperaturstabil und für allgemeine Anwendungen geeignet ist. Das X7R-Dielektrikum ist eine der am häufigsten verwendeten Formulierungen der Klasse II und bekannt für seine Kapazitätsschwankung von ±15 % in einem Temperaturbereich von -55 °C bis +125 °C. Neben der Temperatur variiert die Kapazität von Klasse-II-MLCCs auch mit der angelegten Spannung und Frequenz (weitere Informationen zur Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen finden Sie in der SpiCap-Software von Kyocera AVX). [5]. Ein Beispiel für die MLCC-Konstruktion ist in Abbildung 3 dargestellt.

Kyocera AVX bietet DLA-zugelassene MIL-PRF-32535 X7R dielektrische MLCCs in den Gehäusegrößen 0402 bis 2220 mit Kapazitäts-/Spannungswerten von 2.2 nF bis 22 µF und 16 bis 100 V an. Diese Kondensatoren erweitern den CV-Bereich im Vergleich zu Standard-MIL-Spezifikationen bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit. Typische Anwendungen sind wissenschaftliche Erkundungssatelliten, Erdbeobachtungssatelliten, Kommunikationssatelliten, Satellitenträgerraketen sowie verschiedene militärische und land- und luftgestützte Anwendungen. [6].

Abbildung 3 – Aufbau eines MLCC [5]
STRAHLUNGSTESTS

Zur Bestrahlung der Teile wurde ein Microtron MT25 von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften (CAS) in Prag betrieben (Abbildung 4).

Abbildung 4 – Microtron MT25

Der MT25 ist ein zyklischer Elektronenbeschleuniger mit einem Kapitza-Resonator, der Elektronen in Clustern in 1-MeV-Schritten von 6 MeV bis 25 MeV energetisieren kann. Die Elektronen werden durch ein hochfrequentes elektrisches Feld mit konstanter Amplitude und Frequenz in einem homogenen Magnetfeld beschleunigt. Abbildung 25 zeigt eine schematische Darstellung des MT5. [7].

Abbildung 5 – MT25-Komponenten, einschließlich (1) Magnetron, (2) Phasenschieber, (3) Zirkulator, (4) Wasserlast, (5) Beschleunigungshohlraum, (6) Hauptmagnet (Vakuumkammer), (7) Elektronenbahnen, (8) einstellbarer Strahlextraktor, (9) erster Deflektor

Im Gegensatz zu Zyklotronen, die Protonen erzeugen, beschleunigt das Mikrotron Elektronen, die etwa tausendmal leichter als Protonen sind. Obwohl Elektronen auf hohe kinetische Energien beschleunigt werden können, die mit denen von Protonen vergleichbar sind, unterscheiden sich ihre Wechselwirkungen mit Materie aufgrund von Unterschieden in Masse, Ladung und Verhalten auf atomarer Ebene erheblich. Die geringere Masse der Elektronen führt zu einer geringeren Energieübertragung auf die bestrahlten Proben, was in erster Linie chemische Veränderungen verursacht, ohne Kernreaktionen auszulösen. Folglich wird keine Radioaktivität auf das zu testende Gerät (DUT) übertragen, was eine homogene Bestrahlung der Probe erleichtert. Das Mikrotron bietet zudem eine hervorragende Kontrolle und Konfigurierbarkeit der Gesamtstrahlungsdosis. [1].

Zur Bestrahlung wurde ein Photonenstrahl (Bremsstrahlung) mit einer Energie von 20 MeV verwendet. Diese elektromagnetische Strahlung entsteht durch die Abbremsung von Elektronen, die durch ein Wolframtarget hinter dem Austrittsfenster hindurchtreten.[7]. Die Dosisleistung dieses Photonenstrahls betrug 1.44 kGy/Stunde.

Für die extreme Bestrahlungsdosis wurde ein Elektronenstrahl direkt aus dem Mikrotron verwendet, mit einer Energie von 20 MeV und einer Dosisleistung von 120 kGy/Stunde.

Die hermetisch versiegelten Tantal-Polymer-Kondensatoren (TCH9226M100W0150), Nass-Tantal-Kondensatoren (M39006/33-0040) und zwei Keramikkondensatoren mit X7R-Dielektrikum wurden zur Bestrahlung und Charakterisierung auf einem kundenspezifischen FR5-PCB-Array montiert (Abbildung 6). Jede Gruppe wurde drei verschiedenen Strahlungsdosen eines Photonenstrahls ausgesetzt, während die Nennvorspannung angelegt wurde. Zusätzlich wurden alle Gruppen mit einer extremen Strahlungsdosis eines Elektronenstrahls getestet, während die Nennvorspannung angelegt wurde, wie in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 6 – Testen von Leiterplatten mit Kondensatoren
Abbildung 7 – Dosis-/Bias-Tabelle für die Strahlenexposition

Zusätzlich wurde als letzter Schritt des Testzyklus eine 24-stündige Hochtemperaturglühphase bei 125 °C durchgeführt. Dieser Schritt, der in den Normen für bestrahlte Komponenten (wie MIL-STD 750-1, MIL-STD 883, ESCC 25100 und ESCC 22900) häufig erwähnt wird, kann dazu beitragen, die durch Strahlung im dielektrischen Material induzierten Anregungselektronen abzuleiten.

Nach jeder Strahlendosis wurden die Gesamtkapazität, der ESR, der Verlustfaktor (DF) und der DC-Leckstrom (DCL) an den Geräten im Array gemessen. Bei hermetisch versiegelten Polymer-Tantal-Kondensatoren wurden die Gesamtkapazität und der DF bei 120 Hz mit einer Vorspannung von 2 V und einem Messstrom von 1 V AC gemessen; der ESR wurde bei 100 kHz mit einer Vorspannung von 2 V und einem Messstrom von 1 V AC gemessen; und der DCL wurde mit einem 1-kΩ-Widerstand in Reihe bei Raumtemperatur (RT) gemessen, wobei die Messwerte 300 Sekunden nach Anlegen der Nennspannung erfasst wurden.

Bei Nass-Tantal-Kondensatoren wurden Volumenkapazität, DF und ESR bei 120 Hz mit einer Vorspannung von 2 V und einem Messstrom von 1 V AC gemessen; DCL wurde mit einem 1-kΩ-Widerstand in Reihe bei RT gemessen, wobei die Messwerte 300 Sekunden nach Anlegen der Nennspannung erfasst wurden.

Bei Keramikkondensatoren mit X7R-Dielektrikum wurden Volumenkapazität, DF und ESR bei 1 kHz mit einer Vorspannung von 2 V und einem Messstrom von 0.5 V AC gemessen; DCL wurde mit einem 10 kΩ-Widerstand in Reihe bei RT gemessen, wobei die Messwerte 300 Sekunden nach Anlegen der Nennspannung erfasst wurden.

Durch die Beobachtung der Änderungen dieser Parameter bei unterschiedlichen Strahlungsdosen kann die Widerstandsfähigkeit jedes Geräts gegenüber ionisierender Strahlung beurteilt werden.

TESTERGEBNISSE | PHOTONENSTRAHLBESTRAHLUNG

Nach Photonenbestrahlung mit Dosen zwischen 25 und 100 kGy wurde sowohl bei den 1.5-V- als auch bei den 4.5-V-MLCCs ein leichter Kapazitätsabfall beobachtet (Abbildungen 8 und 9). Die Kapazitätsänderung nach der Bestrahlung betrug -7.5 % für die 100-V-Teile und -10 % für die 25-V-Teile. Trotz des Kapazitätsabfalls blieb die Kapazität bei beiden Teilenummern innerhalb der in MIL-PRF-15 (rote Linie) festgelegten zulässigen Änderung von -32535 %.

Bei den Nass-Tantal-Kondensatoren wurde ein leichter Anstieg des Leckstroms um ca. 1 µA auf insgesamt rund 2 µA festgestellt (Abbildung 11). Dieser Anstieg hatte keine relevanten Auswirkungen auf die Leistung der Bauteile und blieb deutlich unter dem Spezifikationsgrenzwert von 5 µA (schwarze Linie).

Bei keinem der getesteten Kondensatoren wurden nach Bestrahlung mit Photonenstrahlen mit Dosen bis zu 4.5 kGy weitere signifikante Änderungen der Messparameter beobachtet. Die hermetisch versiegelten Polymer-Tantal-Kondensatoren zeigten bei Bestrahlung mit Photonenstrahlen bis zu dieser Dosis eine ausgezeichnete Stabilität über alle gemessenen Parameter hinweg (Abbildung 10).

Abbildung 8 – Elektrische Parameter von 100-V-MLCCs vor und nach der Bestrahlung mit Photonenstrahlen
Abbildung 9 – Elektrische Parameter von 25-V-MLCCs vor und nach der Bestrahlung mit Photonenstrahlen
Abbildung 10 – Elektrische Parameter hermetisch versiegelter Polymer-Tantal-Kondensatoren vor und nach der Bestrahlung mit Photonenstrahlen.
Abbildung 11 – Elektrische Parameter von Nass-Tantal-Kondensatoren vor und nach der Bestrahlung mit Photonenstrahlen.
TESTERGEBNISSE | ELEKTRONENSTRAHLBESTRAHLUNG

Die Bestrahlung mit Elektronenstrahlen mit einer Dosis von 250 kGy führte bei allen getesteten Kondensatoren zu einem Anstieg der DCL. Die DCL beider MLCC-Teilenummer blieb nach dem Test unter 70 nA (Abbildungen 12 und 13).

Bei den hermetisch abgedichteten Polymer-Tantal-Kondensatoren erhöhte sich die DCL um etwa 1 µA. Nach dem Test blieb die DCL für diese Teile innerhalb der Spezifikationsgrenze von 220 µA (Abbildung 14).

Bei den Nass-Tantal-Kondensatoren betrug der höchste beobachtete DCL-Anstieg durch Elektronenbestrahlung 1 µA auf 5.1 µA, wobei einige Teile den ursprünglichen Spezifikationsgrenzwert von 5 µA überschritten. Gemäß MIL-PRF-39006/33B ist für Zuverlässigkeitstests eine Erhöhung des ursprünglichen DCL-Grenzwerts um bis zu 125 % zulässig, was für diese Teilenummer 6.25 µA entspricht; dieser Grenzwert wurde nicht überschritten (Abbildung 15).

Abbildung 12 – Elektrische Parameter von 100-V-MLCCs vor und nach der Elektronenstrahlbestrahlung.
Abbildung 13 – Elektrische Parameter von 25-V-MLCCs vor und nach der Elektronenstrahlbestrahlung.
Abbildung 14 – Elektrische Parameter hermetisch versiegelter Polymer-Tantal-Kondensatoren vor und nach der Elektronenstrahlbestrahlung.
Abbildung 15 – Elektrische Parameter von Nass-Tantal-Kondensatoren vor und nach der Elektronenstrahlbestrahlung.
DISKUSSIONEN UND ZUKÜNFTIGE ÜBERLEGUNGEN

Die dielektrischen X7R-MLCCs zeigten nach Bestrahlung mit Photonenstrahlen bis zu 4.5 kGy und Elektronenstrahlen bis zu 250 kGy einen Kapazitätsabfall; dieser blieb jedoch innerhalb der für Zuverlässigkeitstests geltenden Grenzen. Auch die DCL-Kapazität nahm unter Elektronenstrahlenbestrahlung nur geringfügig zu. Die ESR- und DF-Parameter zeigten unter diesen Bedingungen eine ausgezeichnete Stabilität. Diese Ergebnisse decken sich mit den Erkenntnissen früherer Veröffentlichungen. [8]., was die Empfehlung dieser Kondensatoren für Militär- und Weltraumanwendungen mit Strahlenbelastung unterstützt.

Die hermetisch versiegelten Tantalkondensatoren zeigten eine ausgezeichnete Strahlungsstabilität über alle elektrischen Parameter nach Bestrahlung mit Photonenstrahlen bis zu 4.5 kGy und Elektronenstrahlen bis zu 250 kGy. Dieses Verhalten entspricht dem von geformten SMD-Tantalpolymerkondensatoren. [1].Die Kombination aus hohem volumetrischen Wirkungsgrad, niedrigem ESR und langer Lebensdauer mit selbstheilenden Eigenschaften macht diese Kondensatoren für Militär- und Weltraumanwendungen mit Strahlenbelastung geeignet.

Die Nass-Tantal-Kondensatoren zeigten auch nach Bestrahlung mit Photonenstrahlen mit Dosen bis zu 4.5 kGy eine ausgezeichnete Stabilität der elektrischen Parameter. Nach Bestrahlung mit Elektronenstrahlen mit 250 kGy stieg der DCL leicht an, blieb aber innerhalb der für Zuverlässigkeitstests geltenden Grenzen. Aufgrund dieser Ergebnisse werden Nass-Tantal-Kondensatoren für militärische und Weltraumanwendungen mit Strahlenbelastung empfohlen.

Die beobachteten DCL-Änderungen nach der extremen Elektronenstrahldosis von 250 kGy wurden auf die direkte ionisierende Wirkung der Elektronenbestrahlung und ihre hohe Energiedichte mit einer Dosisrate von 120 kGy/Stunde zurückgeführt.

Zukünftige Tests könnten die Echtzeitmessung elektrischer Parameter für konventionelle MnO₂-Tantal-, Polymer-Tantal- und Nass-Tantal-Kondensatoren während der Bestrahlung sowie die Untersuchung der Auswirkungen von Neutronenbestrahlung untersuchen. Beide Tests stellen besondere Herausforderungen hinsichtlich der Prüfgeräte und der Strahlensicherheit dar.

Weitere Informationen zu den Tantal-Polymer-Kondensatoren von KYOCERA AVX finden Sie unter: https://www.kyocera-avx.com/products/tantalum/high-reliability/

Referenzen: (Die Referenzliste bleibt in der wissenschaftlichen Zitierweise erhalten)

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Auf August 6, 2025   /   Keramikkondensatoren, News / Events / Presse, Tantal / Niob / Polymer, Technische Artikel / Whitepapers