Come scegliere i condensatori più affidabili

Le aziende che sviluppano apparecchiature high-tech per applicazioni militari, aerospaziali, medicali e altri sistemi ad alta affidabilità preferiscono soluzioni commerciali “off the shelf” a soluzioni personalizzate, per offrire rapidamente, e al minor costo possibile, prodotti di elevate prestazioni. Con i governi che continuano a ridurre, tra l'altro, il budget destinato alla difesa, si prevede che i prodotti commerciali saranno la categoria di componenti più presenti nel settore militare e aerospaziale, con un tasso di crescita annuale composto di circa il 6%. Per questo motivo, esistono dettagliate linee guida per i fornitori sull'utilizzo di diversi tipi di dispositivi commerciali, come circuiti system-on-chip e semiconduttori discreti, connettori e dispositivi optoelettronici, e componenti passivi come resistori e condensatori. Pur ammettendo i diversi punti di forza del settore commerciale, le linee guida riconoscono la presenza di problemi come l'ampia varietà di fornitori che usano approcci diversi per la qualità dei prodotti e nelle procedure di screening e di collaudo. Sta ai produttori di componentistica far sì che i dispositivi commerciali offrano quei risparmi e quei vantaggi tecnologici che i responsabili degli acquisti ricercano, migliorando al contempo la qualità, le prestazioni e la durata operativa a lungo termine. Ecco perché Kemet ha recentemente annunciato nuove tecnologie che permettono ai condensatori al tantalio solido di offrire prestazioni ancora migliori grazie a una maggiore robustezza, tempi di vita più lunghi e un degrado delle caratteristiche meno accentuato. Per migliorare l'affidabilità dei condensatori al tantalio nelle applicazioni commerciali, ci sono due possibili approcci validi. Il primo è analizzare la causa primaria del guasto del dispositivo, come la presenza di imperfezioni nel dielettrico o un collegamento labile tra l'anodo e il contatto metallico. Il secondo è creare nuove tecniche di screening che migliorano la capacità dei costruttori di identificare i condensatori presumibilmente più affidabili sul campo. Kemet ha utilizzato entrambi gli approcci annunciando la tecnologia di fabbricazione F-Tech e un nuovo metodo di collaudo noto come screening con rottura simulata o Sbs (Simulated breakdown screening).

Tecnologia F-Tech
La tecnologia F-Tech introduce due metodi innovativi che controllano il contenuto di carbonio e di ossigeno nella polvere di tantalio durante la sinterizzazione e i processi associati che costituiscono l'anodo e il dielettrico del condensatore. Questi processi di controllo del contenuto di carbonio e ossigeno servono a prevenire la formazione di carburo di tantalio e di ossido di tantalio, che sono i principali contaminanti responsabili della cristallizzazione (vedi riquadro). Per il controllo del carbonio, Kemet ha sviluppato un processo che utilizza un processo di delubrificazione a liquido in cui gli anodi vengono lavati ripetutamente in soluzione mentre si effettua un'analisi per verificare che il contenuto di carbonio sia pari o inferiore al contenuto di tantalio in polvere presente. Per quanto riguarda l'ossigeno, Kemet ha sviluppato un esclusivo processo di deossidazione che utilizza vapori di magnesio, oltre che un singolare processo di passivazione per gli anodi al tantalio. Il magnesio possiede una maggiore affinità per l'ossigeno rispetto al tantalio e, quando depositato all'anodo, rimuove attivamente l'ossigeno dal tantalio. Dopo la deposizione del magnesio, un processo di lisciviazione rimuove l'ossido di magnesio. Anche i livelli di ossigeno vengono monitorati garantendo che l'ossigeno presente nell'anodo sia in quantità uguale o inferiore al quantitativo di tantalio in polvere presente. La tecnologia F-Tech si è rivelata in grado di aumentare l'affidabilità in misura significativa; dopo 2000 ore di test di invecchiamento accelerato a 85°C con una tensione pari a 1,32 volte il valore nominale, i condensatori Kemet F-Tech hanno dimostrato un degrado nullo laddove i normali condensatori al tantalio presentano invece un degrado superiore di 1,5 ordini di grandezza nella corrente di perdita. I condensatori F-Tech sfruttano inoltre un'innovativa tecnologia di connessione che produce un collegamento più robusto tra l'anodo e il contatto metallico, prevenendo la principale causa di guasto per circuito aperto.

Screening a rottura simulata
Lo screening a rottura simulata è una tecnica brevettata che permette di effettuare una prova non distruttiva per rilevare l'effettiva tensione di rottura e di rimuovere specifici componenti nel caso in cui la tensione di rottura sia al di sotto di una soglia minima stabilita. Simulando la tensione di rottura del condensatore senza danneggiare il dielettrico, la tecnica Sbds permette a Kemet di determinare la tensione di rottura di ogni singolo condensatore e di selezionare quindi solo i condensatori più robusti da ciascun lotto. Il vantaggio della tecnica Sbds è dimostrato da una tensione di rottura minima pari al doppio della tensione nominale, rispetto alla tecnica Weibull che utilizza una tensione di rottura pari a solo 1,25 volte il valore nominale. Inoltre, non si genera usura, che è un fenomeno a volte associato alla tecnica Weibull. Fornendo un metodo efficace di isolare i condensatori con una bassa tensione di rottura, la tecnica Sbds permette ai progettisti di applicare un declassamento inferiore in fase di progetto e quindi beneficiare di una maggiore efficienza. Senza questo screening è piuttosto comune applicare ai tradizionali condensatori al tantalio un declassamento anche del 50%, il che può ridurre l'efficienza del 90%.

Affidabilità sul campo
Le tecnologie F-Tech e Sbds possono essere applicate in modo indipendente, e quindi dare agli utenti la possibilità di scegliere dispositivi F-Tech con screening normale o screening Sbds per garantire una tensione di rottura minima nei condensatori tradizionali. Una combinazione di screening Sbds applicato ai dispositivi F-Tech offre la migliore garanzia di affidabilità nel campo. Di fatto, feedback di terze parti permettono di stimare che su un milione di condensatori al tantalio F-Tech con screening Sbds, il primo guasto occorrerà dopo 10.000 anni, mentre con altre soluzioni il primo guasto è previsto in un periodo compreso tra sei mesi e un anno.

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