WHITE PAPER SMD-Tantal-Kondensatoren für den Dauerbetrieb bei Temperaturen über 200ºC Von R.Faltus, T.Zednícek und M. Kalous, AVX
Bestimmte Anwendungen in Branchen wie Ölförderung, Luft--/Raumfahrt oder Automobilindustrie erfordern Bauteile, die für Dauerbetrieb bei Temperaturen über 200ºC geeignet sind. Festtantal-Kondensatoren sind für ihre hervorragende Zuverlässigkeit, Robustheit und Stabilität der elektrischen Eigenschaften bekannt. Solche Kondensatoren sind seit ihrer Markteinführung auch in Versionen für Dauerbetriebstemperaturen bis 125°C verfügbar. Seit 1998 gibt es SMD-Typen für Tempraturen bis 150°C und seit 2003 solche für Temperaturen bis 175°C. Dieser Kondensatortyp ist daher ein Kanditat für noch höhere Betriebstemperaturen. Dieser Artikel beschreibt
die
Entwicklung
von
Betriebstemperaturen bis über 200°C.
Festtantal-Kondensatoren
für
gen
Umgebungs-bedingungen.
Auch
für
Anwendungen in der Automobilindustrie wie z. B. Kleingetriebe oder Licht-maschinen/Anlasser werden Kondensatoren mit hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer benötigt. Weitere wichtige Aspekte sind Nennspannung und Zuverlässigkeit. In Ölbohrsystemen werden Kondensatoren für Steuerschaltungen benötigt, die mit Betriebsspannungen von 3,3V (digital) und 5V/15V (analog) arbeiten. Die Ölindustrie stellt auch spezifiche Anforderungen hinsichtlich der Wartungsintervalle: Die geforderte wartungsfreie Mindestbetriebsdauer beträgt 1000 Stunden bei 200ºC. Der Trend geht sogar zu 2000 Stunden bei 215ºC. Die Automobilindustrie benötigt Kondensatoren für den Betrieb an 12V- und 24V-Bordnetzen
–
unter
Berücksichtigung
von
Derating-Reserven bedeutet das Nennspannungen ab 15V. Diese Anforderungen bei hohen Betriebstemperaturen zu erfüllen, ist eine echte Herausforderung. Kondensatoren zählen zu den wichtigsten Bauteilen elektronischer Geräte und Systeme. Sie erfüllen
Standard-Tantal-Kondensatortechnologien erlauben
Funktionen wie z.B. Glättung von Betriebsspann-
Betriebstemperaturen von –55ºC
ungen, Energiespeicherung, Filterung usw. Die Öl- und
Kondensatoren eignen sich für Unterhaltungselektro-
Gasindustrie benötigt Hochtemperaturkondensatoren
nikprodukte, Computer, Mobiltelefone und solche
für
Automobilelektronik-Baugruppen,
DC/DC-Wandler
in
Bohrköpfen,
die
mit
bis +125ºC. Solche
die
im
zunehmender Bohrtiefe immer höheren Temperaturen
Fahrzeuginnenraum
eingesetzt
ausgesetzt sind. Vereinfacht kann man sagen, dass
Automobilelektronik
gibt
man umso tiefer bohren kann, je höher die
Anwendungen, insbesondere im Motorraum, die
Temperaturfestigkeit
eingesetzten
Bauteile mit höherer Temperaturfestigkeit erfordern.
Elektronikbauteile ist. Das bedeutet, dass man
Hauptsächlich mit Hinblick auf die Automobilindustrie
Ressourcen erschließen kann, die bisher kaum
haben einige Kondensatorhersteller Automotive-
zugänglich
Förderunternehmen
Produktfamilien auf den Markt gebracht, die für
gezwungen sind, tiefer zu bohren, um an diese neuen
Betriebstemperaturen bis 175ºC ausgelegt sind und
Quellen heranzukommen, muss die Sensor- und
sich dadurch auch für Anwendungen im Motorraum
Steuerungselektronik
eignen.
waren.
der
Wenn
im
Bohrkopf
–
die
auch
werden. es
In
der
zahlreiche
Tantal-Kondensatoren enthält – Temperaturen bis über
Entwicklung neuer Materialien
175°C widerstehen. Typische
Hochtemperaturanwendungen
in
der
Höhere Betriebstemperaturen beeinflussen sowohl die
Luft-/Raumfahrt/Wehrtechnik sind Triebwerks- und
chemische als auch die mechanische Stabilität aller
Turbo-Fan-Steuerungen sowie Sensorelektronik in der
Materialien, aus denen Kondensatoren bestehen. Die
Nähe der Außenhülle von Raketen und Weltraum-
Tantalanode, das Gießharz und die Anschlüsse sind die
Shuttles. Eine wichtige Anforderung in solchen
drei wichtigsten Bereiche, die besondere Beachtung
Anwendungen ist höchste Zuverlässigkeit unter widri-
erfordern, wenn der Betriebstemperaturbereich auf
1
200ºC ausgedehnt wird. Es müssen sowohl die Effekte
eine wirksame Feuchtigkeitsbarriere darstellen.
der Stressbelastung während des Betriebs als auch die
Die Auswirkungen von Temperaturschocks lassen sich
der Lagerung bei hohen Temperaturen berücksichtigt
durch Verwendung einer Vergussmasse mit geringer
werden.
Wärmeausdehnung
und
hoher
Glasübergangstemperatur verringern. Hohe Festigkeit Die größte Herausforderung bei der Erweiterung des
bei hoher Temperatur und gute Haftung am Lead-
Temperaturbereichs von 175ºC auf 200ºC betrifft die
Frame reduzieren das Risiko von Rissen in der
epoxybasierten
der
Umhüllung, die das Eindringen von Feuchtigkeit
Kondensatorproduktion verwendet werden – beispiels-
ermöglichen würden. IPC Level 2 – eine Mindestanfor-
weise Gießharze und Silberklebstoffe. Diese Materia-
derungen an den Risswiderstand – verlangt, dass nach
lien haben eine Glasübergangstemperatur von etwa
168 Stunden bei 85ºC und 85% relativer Feuchte und
175ºC. Oberhalb der Glasübergangstemperatur steigt
dreimaligem 90-sekündigem Eintauchen in Lot bei
der Wärmeausdehnungskoeffizient stark an – dadurch
220ºC kein einziger Riss auftreten darf. Durch
steigt bei hohen Temperaturen das Risiko von
Verwendung eines wasserabweisenden Gießharzes
Rissbildung und Delamination innerhalb der Konden-
wird die Feuchtigkeitsfestigkeit weiter erhöht.
Compounds,
die
in
satorschichten. Deshalb ist die Auswahl geeigneter Moderne Elektronikbaugruppen werden heute meis-
Materialien von größter Bedeutung.
tens bleifrei gelötet. Mit bleifreien Lötprozessen
i) Tantalanode
kompatible
Bauteile
Spitzentemperaturen
müssen bis
zu
Reflow-Löten 260ºC
mit
überstehen.
Zuverlässigkeitstests und fünf Jahre Produktionserfah-
Außerdem müssen sie Umweltstandards erfüllen, die
rung bei AVX haben ergeben, dass Tantal-Konden-
flammhemmende Sb/Br-Compounds verbieten.
satoren mit MnO -Gegen- (Hilfs-) Elektroden bei hohen 2
Temperaturen gelagert werden können, sofern
Schließlich soll das Umhüllungsmaterial farbstabil sein,
bestimmte Prozeduren eingehalten werden.
und Beschriftungen müssen auch nach einer Lagerung bei 200ºC noch lesbar sein.
Die Art des verwendeten Tantalpulvers ist für die
iii) Anschlüsse
Robustheit der Anode von entscheidender Bedeutung. Pulver von verschiedenen Herstellern unterscheiden sich hinsichtlich Granularität, Porosität und
Der Schmelzpunkt herkömmlicher Zinn/Zinn-Blei-
Reinheit geringfügig voneinander – alle diese Faktoren
Anschlüsse liegt zwischen 183ºC und 210ºC – das ist zu
beeinflussen die Zuverlässigkeit eines Kondensators.
niedrig für zuver-lässigen Betrieb bei 200ºC. Unter den vielen
Anwendungen,
die
200ºC-Kondensatoren
Die Formung homogener Dielektrika mit sicherheisop-
erfordern, sind Hybridschaltungen, die manuell
timierten Formungsparametern, zusammen mit einer
gelötet oder eingebaut werden. AVX hat herausgefun-
robusten
den,
Anodenwandstruktur,
Tantalanode, Stressbelastungen
die
ergibt
eine
thermomechanischen
widersteht
und
dass
vergoldete
Anschlüsse
für
solche
Anwendungen am besten geeignet sind – sie sind
widrige
umweltfreundlich, zuverlässig und temperaturstabil.
Umgebungsbedingungen wie z. B. hohe Temperaturen und hohe Feuchtigkeit "überlebt".
ii) Umhüllung Das Umhüllungsmaterial muss Stressbelastungen durch Temperaturschocks aufnehmen können und zugleich
2
Entwicklungsergebnisse
gewährleistet. Die THJ200-Kondensatoren haben
Dank seiner fünfjährigen Erfahrung in der Produktion
selbst nach 1000 Betriebsstunden bei 200ºC noch einen
von Kondensatoren, die für Dauerbetrieb bei 175ºC
DCL von weniger als 1mA.
geeignet sind, ist AVX in der Lage, Materialien (Tantalpulver, Silber, Gießharz usw.), Designs und
Wenn
Prozeduren zu spezifizieren, die Kondensatoren
betrieben
ergeben, welche auch nach Lagerung bei 200ºC und
gegenüber der Nennspannung reduziert werden
entsprechenden
(Derating). Die maximal zulässige Betriebsspannung
Temperaturzyklen
eine
hohe
Kondensatoren werden,
bei
muss
hohen
die
Temperatur
Betriebsspannung
bei der tatsächlichen Betriebstemperatur wird als
Zuverlässigkeit gewährleisten.
"category voltage" bezeichnet; bei 200ºC beträgt Tantal-Kondensatoren
werden
im
Rahmen
dieser
der
Wert
30%
der
Nennspannung
bei
Produktion 100%-ig einem beschleunigten 200ºC-Test
Raumtemperatur (0,3xUr). Demnach eignet sich das
unterzogen, um potenzielle Ausfälle auszuschließen.
16V-Modell
Bei
5V-Analogschaltungen
den
Tests
werden
die
Bauteile
durch
bei
200ºC
Betriebstemperatur
und
das
10V-Modell
für für
Kombinationen aus hoher Spannung und Temperatur,
2,5V- und 3,3V-Digitalschaltungen – beispielsweise in
zyklischen
Stromspitzen
Bohrköpfen. Die Zuverlässigkeit ist sehr gut: Die
systematisch überbeansprucht. Dadurch kann der
gemessene Ausfallquote bei Nennspannung und 85°C
Endbenutzer auf hohe Zuverlässigkeit vertrauen.
Umgebungstemperatur beträgt beträgt 0,5%/1000
Temperaturschocks
und
Stunden. Die Leckstrom- (DCL, Leakage Current) Stabilität ist ein wichtiges
Maß
für
Produktionsprozesses.
die In
des
Mit diesen neuen Bauteilen stellt AVX unter Beweis,
Standard-
dass ein Dauerbetrieb von Tantal-Kondensatoren bei
Qualität
einem
Alterungsprozess (die Kondensatoren werden bei
200ºC
einer definierten Spannung mehrere Stunden lang
Anwendungsmöglichkeiten
hohen
Gasbohrsystemen.
Temperaturen
ausgesetzt,
die
dabei
möglich
ist.
Das
eröffnet
neue
Öl-
und
in
Darüber
hinaus
geben
die
ausfallenden Exemplare werden dann entfernt)
Erfahrungen, die AVX bei der Evaluierung neuer
wurden nach dem endgültigen Lebensdauertest einige
Materialien und Anwendung neuer Alterungs- und
Leckstrom-"Ausreißer" beobachtet. Zur Verbesserung
Screening-Prozesse gewonnen hat, Anlass zu der
der DCL-Stabilität wurde der Produktionsprozess um
Erwartung, dass es in Zukunft möglich sein wird,
zusätzliche
200ºC-Kondensatoren
Langzeitalterung
und
weitere
mit
noch
längerer
Leckstromtests an den Leistungsgrenzen mit Screening
Betriebslebensdauer und noch geringerem Leckstrom
erweitert.
zu produzieren, die sogar den Anforderungen der Automobil-
Verfügbarkeit von 200ºCTantal-Kondensatoren
genügen.
Die ersten Produkte dieser Art, die AVX auf den Markt bringt, sind zwei Modelle im E-Gehäuse (7,3 x 4,3 x 4,1 mm): ein 220µF-Modell mit 10V Nennspannung und ein 100µF-Modell mit 16V Nennspannung. Beide Bauteile sind für Dauerbetrieb bei 200ºC spezifiziert und mit dreimaligem bleifreien Reflow-Löten bei 260ºC kompatibel. Sie besitzen vergoldete Anschlüsse und eine schwarze Umhüllung, die auch nach Lagerung bei 200ºC die Lesbarkeit der Beschriftung
3
und
der
Luft-/Raumfahrtindustrie
