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Kondensatoren: Keramik versus Tantal

Medizinelektrische Geräte müssen vor allem zuverlässig sein und lange funktionieren. Damit die Endprodukte, die geplante Lebensdauer auch erreichen, müssen Entwickler wissen, welchen Einfluss die verwendeten Bauteile und Komponenten auf die Zuverlässigkeit haben.

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Kondensatoren kommen in der Medizintechnik unter anderem in Defibrillatoren, Ultraschall- und Röntgengeräten zum Einsatz.

Entwickler von medizinischen Geräten haben in der Regel die Wahl zwischen Keramik- und Tantal-Kondensatoren. Letztere überzeugen vor allem durch ihre hohe Zuverlässigkeit, ihre Fähigkeit zur Selbstheilung und lange Lebensdauer. Darüber hinaus können höchste Kapazitätswerte in geringen Gehäuseabmessungen realisiert werden.

Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) weisen im Vergleich geringere Elektrodenflächen und merklich dickere Schichten auf. Allerdings verfügen die dielektrischen Materialien über eine deutlich höhere absolute Dielektrizitätskonstante. MLCCs werden in Gehäuseabmessungen gefertigt, die für Tantal-Kondensatoren nicht geeignet sind, zum Beispiel 01005 und 0201. In größeren Gehäusen kann Tantal aber ähnliche Kapazitätswerte wie in der MLCC-Technologie bieten.

MLCCs werden in zwei Klassen eingeteilt. Zur Klasse 1, NP0 oder C0G genannt, zählen temperaturkompensierende Kondensatoren, die aus dielektrischen Materialien, beispielsweise Titandioxid bestehen, das mit Zusätzen aus anderen Elementen wie Zink, Zirkonium, Niob usw. modifiziert wurde. Diese sind erforderlich, um die gewünschte lineare Charakteristik zu erhalten. Bauteile der Klasse 1 verfügen über einen vorhersagbaren Temperaturgang und weisen keine materialbedingte Alterung auf. Darüber hinaus bieten die Bauteile eine stabile Kapazität in Bezug auf die angelegte Spannung, die Temperatur und zu einem gewissen Teil die Frequenz. Die Kondensatoren weisen die geringste Volumeneffizienz aller Keramikkondensatoren auf, was aus der relativ niedrigen absoluten Dielektrizitätskonstante ihrer dielektrischen Materialien resultiert. Aus diesem Grund bieten die Klasse-1-Kondensatoren niedrigere Kapazitätswerte als Tantal- oder Klasse-2-Keramikkondensatoren.

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Tantal-Kondensatoren bieten dank ihrer großen effektiven Oberfläche hohe Kapazitätswerte.

Klasse-2-Keramikkondensatoren wer­den aus ferroelektrischen Materialien wie zum Beispiel Bariumtitanat und geeigneten Zusatzstoffen wie Aluminium- oder Magne­siumsilikaten und Aluminiumoxiden hergestellt. Sie verfügen über ein Dielektrikum mit einer hohen absoluten ­Dielektrizitätskonstante und demzufolge eine höhere Volumeneffizienz als Klasse 1-Kondensatoren; Genauigkeit und Stabilität sind hingegen geringer. Basierend auf den chemischen Eigenschaften von Bariumtitanat können Klasse-2-Kondensatoren einen weiten Kapazitätsbereich abdecken. Das Keramik-Dielektrikum weist zudem durch eine nichtlineare Kapazitätsänderung über den gesamten Temperaturbereich aus und die Kondensatoren weisen eine Alterung über die Zeit auf.

Tantal-Kondensatoren haben dagegen keine Alterungseigenschaften und auch keine bekannten Verschleißerscheinungen. Sie bieten vergleichbar hohe Kapazitätswerte dank einer großen Oberfläche und einer sehr dünnen dielektrischen Schicht. Die interne Struktur besteht aus Millionen von Tantalteilchen, die miteinander verschmolzen sind und einen schwamm­artigen Aufbau bilden. Würde man diese Schwammstruktur glätten, dann wäre die gesamte Oberfläche 200 Mal größer als die Abmessungen des Kondensatorkörpers.

Im Medizinbereich sind in der Regel MLCCs die beste Wahl für Anwendungen mit Kapazitätswerten im Bereich unter 1 μF. Tantal-Kondensatoren werden typischerweise für Anwendungen mit Kapazitäten von über 10 µF eingesetzt. Im Bereich von 1 bis 10 µF hängt die Auswahl von der relativen Größe, den Anforderungen der Applikation in puncto Stabilität der Kapazität über die Temperatur beziehungsweise Spannung und die Nennspannung ab.

Die Bedeutung des Designs

Es bestehen große Unterschiede zwischen den Komponenten für kommerzielle und den Komponenten für medizinische Anwendungen, beginnend mit der Art, wie sie designed werden. Tantal-Kondensatoren machen hier keine Ausnahme. Das Tantalpulver, das für die Herstellung kommerzieller Kondensatoren verwendet wird, hat eine ganz feine Teilchengröße, die zu einer höheren Volumeneffizienz führt. Die kleinere Teilchengröße erlaubt eine deutliche Verringerung der Baugröße beim bestehenden CV-Bereich beziehungsweise eine Erweiterung der verfügbaren Kapazität bei einer bestimmten Spannung. Allerdings weisen die Verbindungen zwischen den Partikeln eine geringere Stärke auf. Aufgrund der kleineren internen Porenstrukturen treten zudem Schwierigkeiten bei der Anlagerung des Materials der Gegenelektrode auf. Wie alle feinen Pulver hat auch Tantal einen hohen Anteil an Sauerstoff, der als Verunreinigung zu einem höheren Leckstrom (Direct Current Leakage, DCL) führen kann.

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Verbesserte Zuverlässigkeit: Sobald die frühen Ausfälle während eines beschleunigten Burn-In-Prozesses eliminiert sind, scheint sich die Fehlerrate von Tantal-Kondensatoren zu verringern.

Das Formierungsverhältnis – Verhältnis der Formierungsspannung zur Nennspannung – ist ein anderer Weg, um die dielektrische Dicke bei Tantal-Kondensatoren zu beschreiben. Kommerzielle Bauteile weisen ein Formierungsverhältnis von nicht mehr als 2:1 auf, was bedeutet, dass ein 50-V-Produkt bei 100 V formiert wird. Der Einsatz von Pulvern mit hohem CV-Produkt schränkt die Dicke der dielektrischen Schicht ein. Da kleinere Partikel weniger Raum für das Wachstum des Dielektrikums lassen, können Pulver mit einem hohen CV-Produkt nur für die Herstellung von Bauteilen mit geringeren Nennspannungen verwendet werden. Komponenten für medizinische Anwendungen haben typischerweise ein Formierungssverhältnis von 4:1. Das führt zu einem dickeren Dielektrikum, das eine höhere Zuverlässigkeit bezüglich des Überspannungsstroms bedeutet.

Ein kritischer Aspekt von Tantal-Kondensatoren für medizinische Anwendungen – praktisch alle Komponenten, die für den Einsatz in FDA-Klasse II oder III vorgesehen sind – ist die Kontrolle des Designs und die nachträglichen Änderungen, die am Design vorgenommen werden. Insgesamt unterscheidet sich die Philosophie von für Consumer-Anwendungen vorgesehenen Komponenten deutlich von Produkten, die den Medizin-Spezifikationen entsprechen. Hersteller kommerzieller Bauteile folgen der allgemeinen Regel, dass im Falle einer Design-Änderung, bei der die Passform oder die Funktion einer Komponente nicht verändert wird, keine Änderungsmitteilung (Part Change Notification, PCN) erfolgen muss. Grundsätzlich kann ein Fertigungswerk für kommerzielle Produkte die Materialien zur Herstellung von Komponenten eigenwillig ändern, um Kosten einzusparen oder ein leicht verfügbares Material einsetzen. Demzufolge haben nicht alle Designs immer eine gleichbleibende Zuverlässigkeit.

Komponenten für die Medizin unterliegen den striktesten Anforderungen bei Design-Änderungen. Im Allgemeinen werden Freigaben seitens der Kunden bei Änderungen des Designs, der Rohmaterialien, der Unterlieferanten usw. benötigt, um den Anforderungen der FDA für Produkte der Klasse II und Klasse III zu genügen.

Qualifizierungs- und Prozessunterschiede

Nach der Entwicklungsphase durchlaufen die Tantal-Kondensatoren einen strengen internen Qualifikationsprozess. Die Anforderungen der Kunden im Medizinbereich zwingen die Hersteller, ein umfassendes Change-Control-Management-System einzurichten. Das hat zur Folge, dass jede Änderung erst nach einer sorgfältigen Analyse, Qualifizierung und Freigabe von allen beteiligten Parteien durchgeführt werden kann. In einem Umfeld, in dem Kunden langfristig gleichbleibende Performance fordern, ist es notwendig, alle Prozesse streng zu steuern.

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Keramikkondensatoren finden zum Beispiel in modernen Digital-Schaltungen als Zwischenspeicher Anwendung, wenn ein IC kurzzeitig viel Energie benötigt.

Um dies zu unterstützen, ist es gängige Praxis, detaillierte Standard-Arbeitsabläufe und stabile Trainingsprogramme einzuführen. Damit wird sichergestellt, dass die Fertigung korrekt und mit gleichbleibendem Ergebnis abläuft. Umfassende Manufacturing-Execution-Systeme (MES) steuern die Abläufe in Schlüsselbereichen, um das Auftreten von Fehlern durch das Personal zu verringern und sicherzustellen, dass der Prozessablauf und die Prozessbedingungen den Vorgaben entsprechen. Die MES nutzen Barcode-Scanner und Maschinensicherungen, um die Produkte im Prozess zu verfolgen, das Überspringen oder Duplizieren von Prozessschritten zu verhindern und den Status der Anlagen und das Personal während des Prozesses zu überwachen. Es kann auch eine statistische Prozesskontrolle (SPC) eingeführt werden, um Schlüsselprozesse mit enger angesetzten Grenzen als bei kommerziellen Bauteilen zu steuern.

Der Fertigungsprozess von Tantal-Kondensatoren für medizinische und kommerzielle Anwendungen unterscheidet sich deutlich. Einige Lieferanten nutzen sogar engere statistische Kontrollprogramme, um die Anzahl der Ausreißer und »Maverick Lots « zu verringern. Diese Kontrollen kommen bei der Fertigung kommerzieller Produkte nicht zum Einsatz.

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Tantal-Kondensatoren finden überall dort Anwendung, wo große Kapazitäten mit kleiner Bauform gefordert werden.

In mobilen Geräten ist der wichtigste elektrische Faktor der Leckstrom (DCL), da er direkt die Lebensdauer der Batterie beeinflusst. Die Lebensdauer kann gerade in medizinischen Systemen kritisch sein, zum Beispiel in implantierbaren Herzschrittmachern und Kardioverter-Defibrillatoren. Der Leckstrom ist darüber hinaus ein wichtiger Maßstab für die Qualität des Dielektrikums und die generelle Zuverlässigkeit der Komponente. Zu einem geringen Leckstrom tragen viele Faktoren bei, wie ein konservatives Design, die Kontrolle von Design- und Fertigungsänderungen, die Kontrolle außerhalb der Grenzwerte liegender Lose, eigene Testprozeduren und die Auswahl geeigneter Tantalpulver. Tantal-Kondensatoren für medizinische Anwendungen weisen typischerweise DC-Leckströme auf, die bei 25 bis 50 % der Werte kommerzieller Kondensatoren liegen. Das führt zu einer verbesserten Zuverlässigkeit und einer längeren Batterielebensdauer in medizinischen Geräten. 

Stetige Verbesserungen

Es gibt eine Reihe guter Gründe für den Einsatz von Tantal-Kondensatoren in medizinischen Geräten. Die neuesten Technologien, einschließlich moderner Prozesskontrolltechnologien, die Nutzung konservativer Designregeln, robuste Change-Control-Systeme und die Einführung innovativer Testmethoden haben zu ständigen Verbesserungen des Leckstroms geführt. Durch die Verbesserungen erreicht man mittlerweile DCL-Werte, die noch vor ein paar Jahren nicht vorstellbar waren. Das erlaubt es, Entwicklern medizinscher Geräte zuverlässigere und langlebigere Endprodukte zu realisieren.
 

Kriterienkommerzielle Nutzungmedizinische Nutzung
Burn-Inja, zwei Stundenja, 40 Stunden Minimum zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit
DPA (zerstörende phys. Analyse)neinja, 5 Stück pro Los
Elektr. Screeningja, 100 % Screening bei spezifizierten Grenzenja, 100 % Screening bei 3 Sigmal-DCL-Standad
Laufende Konformitätstestsneinja
Stromstoßja, 100 % bei Raumtemperaturauf Anfrage, nach MIL-PRF-Standards
Thermischer Schockneinja, 10 Zyklen
Visuelle & mechan. Inspektionja, 100 % Kamera für grobe Defekteja, 100 % visuell durch Menschen nach med. Kriterien

 

Quelle: AVX
 
Unterschiede des Herstellungsprozesses von Tantal-Kondensatoren für kommerzielle und medizinische und Anwendungen.

Auf einen Blick

Ein Tantal-Kondensator ist ein gepolter Elektrolytkondensator, dessen Anode aus Tantal besteht und der nur mit Gleichspannung betrieben werden darf. Er zeichnet sich durch eine kleine Bauform, hohe Spannungsfestigkeit, geringe Verluste und eine hohe Zuverlässigkeit aus. Die Kapazität bei Tantal-Elektrolytkondensatoren bewegt sich im Mikrofarad-Bereich (µF). Die Toleranzen liegen zwischen –20 % und +20 %. Tantal-Kondensatoren sind vergleichsweise empfindlich: Falschpolung, zu hohe Spannung oder Rippelstrom-Überlastung führen zum Kurzschluss und zur Zerstörung der des Bauteils.

Tantal-Kondensatoren kennt man hauptsächlich als Kondensatoren in Tropfenform mit radialen Anschlüssen oder in der selteneren und teuren liegenden und stehenden Form. Die SMD-Typen sind wegen ihrer Schock- und Vibrationsfestigkeit fester Bestandteil in der Kfz-Elektrik. Sie finden überall dort Anwendung, wo große Kapazitäten mit kleiner Bauform gefordert werden. Es gibt drei verschiedene Ausführungen: Tantalfolien-Elektrolytkondensatoren (Bauart F), Tantal-Elektrolytkondensator mit Sinteranode und flüssigem Elektrolyten (Bauart S) und Tantal-Elektrolytkondensator mit Sinteranode und festem Elektrolyten (Bauart SF).

Das Dielektrikum ist Tantalpentoxid, das dünner ist und ein besseres Kapazitäts-Volumen-Verhältnis hat als Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Es wird in dünnen Schichten auf dem Anodenkörper durch Elektrolyse aufoxidiert. Diese nur wenige hundert Nanometer dünne Schicht, auf der sehr großen Oberfläche des Anodenkörpers, ermöglicht hohe Kapazitäten. Bei dieser Herstellung entsteht eine Polarität. Sie erlaubt dafür eine kleine Bauform, hohe Spannungsfestigkeit, geringe Verluste und eine hohe Zuverlässigkeit. Allerdings zu einem entsprechend hohen Preis im Vergleich zu Aluminium-Elektrolytkondensatoren. 

Elektronik-Kompendium.de 
www.elektronik-kompendium.de

 

Zuerst gesehen

Dieser Beitrag stammt aus der Medizin+elektronik Nr. 2 vom 26.03.2019.

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