钽电容器和陶瓷电容器的辐射耐受性

引言

目前，无源电子元件的抗辐射性能研究尚不充分，通常被认为对电离环境不敏感，或不适用于抗辐射应用。这种认知的缺乏阻碍了航天、核能、军事和其他涉及电离辐射环境的应用领域中相对较新的技术的采用，其中包括具有高能量密度、低串联电阻和稳定电气参数的聚合物钽电容器。

为了进一步研究这些应用的无源电子元件，不仅要关注电离辐射剂量，还要关注辐射类型。直接电离辐射和间接电离辐射的影响可能有所不同，并且每类辐射都有进一步的分类。直接电离辐射由带电粒子（例如电子和质子）组成，这些粒子具有足够的能量在材料中产生电离。由于它们带电荷，因此会受到电磁场的影响，这通常会降低它们的穿透性。间接电离辐射包括不带电荷的粒子，例如中子和光子，由于与物质相互作用的概率较低，因此穿透性更高。

在2023年发表的一篇题为《钽聚合物电容器的辐射耐受性》的文章中，京瓷AVX研究了采用传统MnO₂阴极和聚合物阴极的模压SMD钽电容器的辐射耐受性。在两种情况下，电容器在以20 MeV光子束以1.44 kGy的剂量率辐照后，在电容(CAP)、耗散因数(DF)、等效串联电阻(ESR)和直流漏电流(DCL)方面均表现出优异的辐射耐受性，总剂量最高可达4.5 kGy。 [1]。

本文进一步研究了京瓷 AVX 生产的多个高可靠性电容器系列中无源元件的辐射耐受性，特别是密封聚合物钽电容器、MIL-PRF-39006/33 湿钽电容器和具有 X32535R 电介质的 MIL-PRF-7 MLCC。

密封聚合物钽电容器

密封钽电容器的结构与标准SMD聚合物钽电容器类似，如图1所示。每个电容器由一个具有极高表面积的烧结钽粉颗粒构成。五氧化二钽电介质是通过对浸没在酸性电解质中的颗粒施加直流电压形成的，电介质厚度与施加的电压成正比。聚合物阴极端子可通过原位聚合或沉积聚合物分散体来制备。最常用的导电聚合物材料是PEDOT（聚（3,4-乙撑二氧噻吩）），它与电介质具有良好的接触性、高导电性和温度稳定性。将这些电容器密封在陶瓷外壳中可防止聚合物阴极氧化和受潮。

全密封聚合物钽电容器具有低 ESR、高能量密度、高达 125 V 的耐压和稳定的电气参数。典型应用包括航空航天和国防领域的电源和脉冲电源。 [2,3]

图 1 – SMD 钽聚合物电容器结构
湿钽电容器

与SMD聚合物钽电容器类似，湿钽电容器由压制钽粉制成的烧结颗粒和嵌入式钽丝组成，该颗粒具有极高的表面积。该颗粒用作正极（阳极）。通过在酸性电解液中对阳极施加直流电流，在阳极表面形成一层五氧化二钽（Ta₂O₅）电介质层。负极（阴极）由一种极高表面积的材料构成，该材料位于钽罐的内表面上，并与液体电解液接触。该电解液将阴极与电介质层连接起来，形成完整的阴极。所有组件都封装在密封的罐内，外部阳极引线连接到嵌入式阳极丝，外部阴极引线连接到罐体。图2显示了一个示例。

多年来，液体钽电容器一直用于高能量存储应用，这些应用对体积效率和高可靠性至关重要，包括工业石油勘探、军用航空电子和航空航天应用 [4]. Kyocera AVX MIL- PRF-39006/33 满足军事应用中对液体钽电容器的要求。

图 2 – MIL-PRF-39006/33 液体钽电容器的结构
X7R 陶瓷电容器

多层陶瓷电容器 (MLCC) 由单片陶瓷块构成，该块包含两组嵌入陶瓷电介质中的偏移交错电极。常用的陶瓷配方有两种：I 类，具有温度补偿功能；II 类，具有温度稳定性，适用于一般应用。X7R 电介质是最广泛使用的 II 类配方之一，其电容变化在 -15°C 至 +55°C 的温度范围内为 ±125% 以内。除温度外，II 类 MLCC 的电容还会随施加的电压和频率而变化（有关不同工作条件下性能的详细信息，请参考京瓷 AVX 的 SpiCap 软件）。 [5] 图 3 显示了 MLCC 结构的一个示例。

京瓷 AVX 提供符合 DLA 认证的 MIL-PRF-32535 X7R 介电 MLCC，外壳尺寸从 0402 到 2220，电容/电压额定值从 2.2 nF 到 22 µF，电压范围从 16 到 100 V。这些电容器与标准 MIL 规格相比，扩展了 CV 范围，同时保持了高可靠性。典型应用包括科学探索卫星、地球观测卫星、通信卫星、卫星发射器以及各种军事和陆基或空基应用。 [6]

图 3 – MLCC 的构造 [5]
辐射测试

为了对零件进行辐照，布拉格的捷克科学院 (CAS) 操作了一台 Microtron MT25（图 4）。

图 4 – Microtron MT25

MT25 是一款配备卡皮查谐振腔的循环电子加速器，能够以 1 MeV 为步长，以团簇形式激发电子，能量水平从 6 MeV 到 25 MeV 不等。电子在均匀磁场中，由幅值和频率恒定的射频电场加速。MT25 的示意图如图 5 所示。 [7]

图 5 – MT25 组件包括 (1) 磁控管、(2) 移相器、(3) 循环器、(4) 水负载、(5) 加速腔、(6) 主磁体（真空室）、(7) 电子轨迹、(8) 可调束流提取器、(9) 第一偏转器

与产生质子的回旋加速器不同，微波加速器加速的是电子，电子比质子轻约一千倍。尽管电子可以加速到与质子相当的高动能，但由于质量、电荷和原子级行为的差异，它们与物质的相互作用存在显著差异。电子质量较低，导致施加于辐照样品的能量较低，主要引起化学变化，而不会诱发核反应。因此，不会对被测设备 (DUT) 施加放射性，从而更容易实现样品的均匀辐照。微波加速器还能出色地控制和配置总辐射剂量。 [1]

辐照使用了能量为20MeV的光子束（轫致辐射）。这种电磁辐射是由电子穿过位于出射窗后面的钨靶时减速产生的。[7] 该光子束的剂量率为1.44kGy/小时。

极端辐照剂量采用直接来自电子加速器的电子束，能量为 20 MeV，剂量率为 120 kGy/小时。

将密封钽聚合物电容器 (TCH9226M100W0150)、液体钽电容器 (M39006/33-0040) 和两个 X7R 电介质陶瓷电容器安装在定制 FR5 PCB 阵列上，进行辐照和特性分析（图 6）。在施加额定偏置电压的情况下，每组电容器均暴露于三种不同剂量的光子束辐射。此外，所有组电容器均在施加额定偏置电压的情况下，以电子束的极端辐照剂量进行测试，如图 7 所示。

图 6 – 测试带电容器的 PCB
图 7 – 辐射暴露剂量/偏差表

此外，测试周期的最后阶段还包括一个持续24小时、温度为125°C的高温退火阶段。该步骤通常在辐照组件标准（例如MIL-STD 750-1、MIL-STD 883、ESCC 25100和ESCC 22900）中提及，有助于消散辐射在介电材料中产生的激发电子。

每次辐射剂量后，测量阵列中器件的体电容、等效串联电阻 (ESR)、耗散因数 (DF) 和直流漏电流 (DCL)。对于密封聚合物钽电容器，体电容和 DF 是在 120 Hz、2 V 偏压和 1 V 交流测量电流下测量的；ESR 是在 100 kHz、2 V 偏压和 1 V 交流测量电流下测量的；DCL 是在室温 (RT) 下串联一个 1 kΩ 电阻测量的，并在施加额定电压 300 秒后读取读数。

对于液体钽电容器，在 120 Hz 下测量体电容、DF 和 ESR，偏压为 2 V，交流测量电流为 1 V；在室温下用串联的 1 kΩ 电阻器测量 DCL，在施加额定电压 300 秒后读取读数。

对于具有 X7R 电介质的陶瓷电容器，在 1 kHz 下以 2 V 偏压和 0.5 V AC 测量电流测量体电容、DF 和 ESR；在室温下用串联的 10 kΩ 电阻器测量 DCL，在施加额定电压 300 秒后读取读数。

通过观察不同辐射剂量下这些参数的变化，可以评估每个设备在电离辐射下的弹性。

测试结果 | 光子束照射

在25至100 kGy剂量范围内的光子辐照后，1.5 V和4.5 V MLCC的电容均略有下降（图8和图9）。辐照后，7.5 V器件的电容变化为-100%，10 V器件的电容变化为-25%。尽管电容有所下降，但这两个型号的电容值仍在MIL-PRF-15标准允许的-32535%变化范围内（红线）。

液体钽电容器的漏电流略有增加，增加了约1 µA，总计约为2 µA（图11）。这一增加对器件性能没有相关影响，并且远低于5 µA的规格限值（黑线）。

在高达4.5 kGy剂量的光子束辐照后，所有测试电容器的测量参数均未观察到其他显著变化。密封聚合物钽电容器在此剂量水平的光子束辐照下，所有测量参数均表现出优异的稳定性（图10）。

图8 – 光子束辐照前后100 V MLCC的电气参数
图9 – 光子束辐照前后25 V MLCC的电气参数
图 10 – 光子束辐照前后密封聚合物钽电容器的电气参数。
图 11 – 光子束辐照前后湿钽电容器的电气参数。
测试结果 | 电子束辐照

250 kGy剂量的电子束辐照导致所有测试电容器的DCL增加。测试后，两个MLCC零件号的DCL均保持在70 nA以下（图12和13）。

在密封聚合物钽电容器中，DCL 增加了约 1 µA。经过测试，DCL 仍在这些器件的规格限值 220 µA 范围内（图 14）。

对于液体钽电容器，电子束辐照导致的DCL最高增幅从1 µA增至5.1 µA，部分器件甚至超过了5 µA的初始规格限值。根据MIL-PRF-39006/33B标准，可靠性测试允许DCL增幅高达初始限值的125%，对于该器件型号而言，相当于6.25 µA；该器件并未超过该阈值（图15）。

图 12 – 电子束辐照前后 100 V MLCC 的电气参数。
图 13 – 电子束辐照前后 25 V MLCC 的电气参数。
图 14 – 电子束辐照前后密封聚合物钽电容器的电气参数。
图 15 – 电子束辐照前后湿钽电容器的电气参数。
讨论和未来考虑

X7R 介电层 MLCC 在高达 4.5 kGy 剂量的光子束辐照和 250 kGy 剂量的电子束辐照后电容有所下降；然而，这种下降幅度仍在可靠性测试限度内。此外，在电子束辐照下，DCL 的增加可忽略不计。在这些条件下，ESR 和 DF 参数表现出优异的稳定性。这些结果与先前发表的论文中的结果一致。 [8]，支持将这些电容器推荐用于具有辐射暴露的军事和空间应用。

密封钽电容器在高达 4.5 kGy 剂量的光子束辐照和 250 kGy 的电子束辐照后，所有电气参数均表现出优异的辐射稳定性。这一性能与模压 SMD 钽聚合物电容器一致。 [1]。高体积效率、低 ESR、长寿命和自愈特性的结合使这些电容器适用于有辐射暴露的军事和空间应用。

湿钽电容器在高达4.5 kGy剂量的光子束辐照后，电气参数也表现出优异的稳定性。在250 kGy的电子束辐照后，DCL略有增加，但仍在可靠性测试限值范围内。基于这些结果，湿钽电容器推荐用于涉及辐射暴露的军事和航天应用。

在极端 250 kGy 电子束剂量下观察到的 DCL 变化归因于电子辐照的直接电离效应及其高能量密度，剂量率为 120 kGy/小时。

未来的测试将探索在辐照过程中实时测量传统二氧化锰钽电容器、聚合物钽电容器和湿钽电容器的电参数，并研究中子辐照的影响。这两项测试在测试设备和辐射安全方面都面临着独特的挑战。

要了解有关 KYOCERA AVX 钽聚合物电容器的更多信息，请访问： https://www.kyocera-avx.com/products/tantalum/high-reliability/

参考文献：

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八月6，2025   /   陶瓷电容器, 新闻/活动/新闻, 钽/铌/聚合物, 技术文章/白皮书