DE102013216963A1

DE102013216963A1 - Screeningverfahren für Elektrolytkondensatoren

Info

Publication number: DE102013216963A1
Application number: DE102013216963.9A
Authority: DE
Inventors: William A. Millman; Michael I. Miller; Marc V. Beaulieu; Mark Leinonen
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp N D Ges Us
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2014-03-06
Also published as: FR3069328B1; CN103675515A; GB2505566A; KR102141502B1; CN103675515B; FR2995084B1; US9541607B2; JP2018117145A; KR20140029290A; JP2014049767A; FR2995084A1; FR3069328A1; GB201314468D0; US20170082671A1; US20140067303A1; JP6608123B2; US10591527B2

Abstract

Ein Verfahren zum iterativen Screening einer Stichprobe von Elektrolytkondensatoren, die eine vorbestimmte Nennspannung aufweisen, wird angegeben. Das Verfahren kann das Messen eines ersten Leckstroms bei einer ersten Menge von Kondensatoren, das Berechnen eines ersten mittleren Leckstroms aus den Ergebnissen und das Entfernen von Kondensatoren, die einen ersten Leckstrom aufweisen, der größer oder gleich einem ersten vorbestimmten Wert ist, aus der ersten Menge, wodurch eine zweite Menge von Kondensatoren entsteht, umfassen. Die zweite Menge kann einer Burn-In-Behandlung unterzogen werden, wobei eine Testspannung angelegt werden kann, und dann kann ein zweiter Leckstrom bei der zweiten Menge von Kondensatoren gemessen werden, und ein zweiter mittlerer Leckstrom kann berechnet werden. Kondensatoren, die einen zweiten Leckstrom aufweisen, der größer oder gleich einem zweiten vorbestimmten Wert ist, können aus der zweiten Menge entfernt werden, wodurch eine dritte Menge von Kondensatoren entsteht. Wegen diesem iterativen Screening weisen die Kondensatoren in der dritten Menge nur geringe Ausfallraten auf.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Aktenzeichen 61/695,657 mit dem Einreichungsdatum 31. August 2012 und der vorläufigen US-Anmeldung Aktenzeichen 61/768,623 mit dem Einreichungsdatum 25. Februar 2013.
Hintergrund der Erfindung
Elektrolytkondensatoren werden in verschiedenen medizinischen, militärischen, Luft- und Raumfahrt- sowie kommerziellen Anwendungen verwendet, bei denen es entscheidend ist, dass die Kondensatoren zuverlässig sind und äußerst niedrige Ausfallraten haben. Daher wurden verschiedene Screeningverfahren, wie beschleunigte Alterungstests, Reflow-Tests, Stromspitzentests und Durchschlagspannungstests entwickelt, um Elektrolytkondensatoren zu durchmustern und fehlerhafte Teile auszusondern. Viele dieser Tests haben jedoch Ausfallkriterien, die nur nach Totalausfällen (d. h. Sicherungsausfällen) suchen und bei denen fehlerhafte Teile unerkannt durchschlüpfen können, und mit diesen Screeningverfahren können keine latenten Mängel aufgedeckt werden. Zum Beispiel kann es sein, dass eine Sicherung unter Bedingungen mit starker Beanspruchung, wie hohe Spannung und Temperatur, zwar nicht durchgebrannt ist, der getestete Kondensator aber dennoch während des Screenings beschädigt wurde, was zu einer langfristigen Instabilität führen kann. Herkömmliche Verfahren zum Screening und zur Ablieferung von Elektrolytkondensatoren hoher Zuverlässigkeit beinhalten Weibull-Berechnungen auf der Basis einer chargenweisen Probenahme, wobei eine kleine Zahl von Kondensatoren während des Burn-In hochgradig erhöhten Spannungs- (z. B. dem 1,5-fachen der Nennspannung (VR)), Temperatur- (z. B. 85°C) und Zeitbedingungen (z. B. 40 Stunden oder mehr) ausgesetzt wird. Das herkömmliche Weibull-Burn-In ermöglicht es Teilen, die vor dem Burn-In statistisch unterschiedlich sind, nach dem Burn-In in die normale Population zu gelangen, da es kein Screening vor dem Burn-In gibt, um Teile mit früh auftretenden Mängeln auszusondern. Obwohl eine Vielzahl dieser Teile, möglicherweise aufgrund von Selbstheilung während des Burn-In, in langfristigen Zuverlässigkeitstests (z. B. Lebensdauertests) stabil zu sein scheint, ist ein Anteil der Teile, die in die normale Population gelangen, instabil und können in der Praxis Probleme mit der langfristigen Zuverlässigkeit aufweisen. Die Weibull-Statistikberechnung fördert die Praxis, diese instabilen Teile in der Population zu belassen, so dass eine Weibull-Verteilung für Gütestufen-Einteilungszwecke erstellt werden kann, wie es in MIL-PRF-55365H beschrieben ist. Infolgedessen kann ein Screening unter Verwendung von Weibull-Tests die Entfernung von instabilen oder mangelhaften Kondensatoren aus der Population nicht gewährleisten, was zu einer Kondensatorcharge führen kann, die ein unannehmbares Zuverlässigkeitsniveau aufweist. Trotz der erreichten Vorteile besteht also ein Bedürfnis nach einem verbesserten Screeningverfahren für Elektrolytkondensatoren, mit dem Kondensatoren, die latente Mängel aufweisen, nachgewiesen und ausgesondert werden können, sowie nach einem Verfahren zur Bestimmung der vorhergesagten Ausfallrate der selektierten Kondensatoren, das im Gegensatz zum Weibull-Verfahren die ausgesonderten Kondensatoren nicht berücksichtigt.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum iterativen Screening von Elektrolytkondensatoren, die eine vorbestimmte Nennspannung aufweisen, offenbart. Das Verfahren umfasst das Messen eines ersten Leckstroms bei einer ersten Menge von Kondensatoren und das Berechnen eines ersten mittleren Leckstroms aus den Ergebnissen sowie das Entfernen von Kondensatoren, die einen gemessenen ersten Leckstrom aufweisen, der größer oder gleich einem ersten vorbestimmten Wert ist, aus der ersten Menge, wodurch eine zweite Menge von Kondensatoren entsteht. Der erste vorbestimmte Wert liegt eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des ersten mittleren Leckstroms. Das Verfahren umfasst weiterhin das Durchführen einer Burn-In-Behandlung mit der zweiten Menge von Kondensatoren. Die Burn-In-Behandlung umfasst das Anlegen einer vorbestimmten Testspannung, die etwa 0,8 bis etwa 1,2 mal die Nennspannung beträgt, an die Kondensatoren. Nach der Burn-In-Behandlung wird ein zweiter Leckstrom bei der zweiten Menge von Kondensatoren gemessen, und ein zweiter mittlerer Leckstrom wird daraus berechnet. Dann werden die Kondensatoren der zweiten Menge, die einen gemessenen zweiten Leckstrom aufweisen, der größer oder gleich einem zweiten vorbestimmten Wert ist, aus der zweiten Menge entfernt, wodurch eine dritte Menge von Kondensatoren entsteht. Der zweite vorbestimmte Wert liegt eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des zweiten mittleren Leckstroms.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Lieferung einer Charge von Kondensatoren an einen Kunden offenbart. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer Nennspannung bei den Kondensatoren und das iterative Screening der Kondensatoren, wobei bei jeder Iteration Kondensatoren, deren Leckstrom oberhalb eines vorbestimmten Werts liegt, aus der Charge entfernt werden. Der vorbestimmte Wert liegt eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des bei der Iteration jeweils gemessenen mittleren Leckstroms. Nach dem Screening kann die Charge von Kondensatoren an den Kunden geliefert werden, ohne die Nennspannung herabzusetzen.
In noch einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Berechnung einer vorhergesagten Ausfallrate bei Elektrolytkondensatoren offenbart. Das Verfahren umfasst das Durchführen einer Burn-In-Behandlung mit den Kondensatoren bei einer ersten Temperatur und einer ersten Spannung während einer ersten Zeitdauer; das Durchführen eines Lebensdauertests mit den Kondensatoren bei einer zweiten Temperatur und einer zweiten Spannung während einer zweiten Zeitdauer; und das Bestimmen der Anzahl der Kondensatoren, die nach dem Lebensdauertest ausgefallen sind, bezogen auf die Anzahl der Kondensatoren, die einen Leckstrom oberhalb eines vorbestimmten Werts aufweisen, wobei Kondensatoren, die vor der Burn-In-Behandlung ausgefallen sind, von der Berechnung zur Bestimmung der vorhergesagten Ausfallrate ausgeschlossen werden.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Rest der Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen ist eine vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Realisierung für den Fachmann insbesondere dargelegt; dabei sind:
1 ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Feststoffelektrolytkondensators, der einem Screening mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen werden kann;
3 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Feststoffelektrolytkondensators, der einem Screening mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen werden kann;
4 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Flüssigelektrolytkondensators, der einem Screening mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen werden kann;
5 eine Graphik, in der die ersten Leckströme für eine Stichprobe von Kondensatoren aufgetragen ist und die Leckströme in drei Zonen getrennt sind;
6 eine Graphik, die den Leckstrom der ”Zone-1”-Teile von 5 nach der Montage zeigt;
7 eine Graphik, die den Leckstrom der ”Zone-1”-Teile von 5 nach einem 1000-stündigen Lebensdauertest bei 125°C und 2/3 der Nennspannung zeigt;
8 eine Graphik, in der der Leckstrom für jeden der ”Zone-1”-Kondensatoren, der einem 1000-stündigen Lebensdauertest bei 125°C und 2/3 der Nennspannung unterzogen wurde, in verschiedenen Stadien des Lebensdauertests verglichen wird;
9 eine Graphik, die die Änderung des Leckstroms für jeden der Kondensatoren von 6 zu 7 zeigt;
10 eine Graphik, die den Leckstrom von 3 verschiedenen Chargen von ”Zone-1”-Kondensatoren, die einem Burn-In bei 125°C und dann einem 2000-stündigen Lebensdauertest bei 85°C und der Nennspannung unterzogen wurden, in verschiedenen Stadien des Lebensdauertests zeigt;
11 eine Graphik, die den Leckstrom von 3 verschiedenen Chargen von ”Zone-1”-Kondensatoren, die einem Burn-In bei 125°C und dann einem 2000-stündigen Lebensdauertest bei 85°C und der Nennspannung unterzogen wurden, in verschiedenen Stadien des Lebensdauertests zeigt;
12 eine Graphik, die den Leckstrom von 2 verschiedenen Chargen von ”Zone-1”-Kondensatoren, die einem Burn-In bei 125°C und dann einem 2000-stündigen Lebensdauertest bei 85°C und der Nennspannung unterzogen wurden, in verschiedenen Stadien des Lebensdauertests zeigt;
13 eine Graphik, die den Leckstrom von 2 verschiedenen Chargen von ”Zone-1”-Kondensatoren, die einem Burn-In bei 125°C und dann einem 2000-stündigen Lebensdauertest bei 85°C und der Nennspannung unterzogen wurden, in verschiedenen Stadien des Lebensdauertests zeigt;
14 eine Graphik, die die Leckströme der Kondensatoren mit den zehn höchsten Leckströmen nach dem Burn-In, aber noch innerhalb der drei Standardabweichungen umfassenden Ausschlussgrenze bei der Messung des ersten Leckstroms nachzeichnet, während die Kondensatoren einem 2000-stündigen Lebensdauertest bei 85°C und der Nennspannung unterzogen wurden;
15 eine Graphik, die das Leckstromverhalten von Kondensatoren zeigt, welche beim Screening gemäß dem ersten Leckstrom vor dem Burn-In durchgefallen sind und zunächst als ”Zone-2”-Teile kategorisiert wurden, aber eine Selbstheilung aufwiesen und bei einem späteren Test zu ”Zone-1”-Teilen geworden wären;
16 eine Graphik, die das Leckstromverhalten von Kondensatoren zeigt, die beim Screening gemäß dem ersten Leckstrom durchgefallen sind, aber innerhalb der 0,01·CV·12-Grenze lagen;
17 eine Graphik, in der der Leckstrom einer Gruppe von Kondensatoren vor dem Burn-In mit dem Leckstrom von Kondensatoren nach dem Burn-In, nachdem sie dem Burn-In-Verfahren der vorliegenden Erfindung und dem Weibull-Burn-In-Verfahren unterzogen wurden, verglichen sind;
18 eine Graphik, in der die Leckstromverschiebung von Kondensatoren, die das Screeningverfahren der vorliegenden Erfindung vor dem Burn-In bestanden haben, mit der Leckstromverschiebung von Kondensatoren, die im Leckstrom-Screeningverfahren vor dem Burn-In, nachdem die Kondensatoren einem Lebensdauertest bei 85°C unterzogen wurden, durchgefallen sind, verglichen werden;
19 eine Graphik, in der der Leckstrom für Kondensatoren, wenn sie bei 25°C und bei 125°C getestet wurden, verglichen wird;
20 eine Graphik, in der der Leckstrom einer Charge von Kondensatoren vor dem Burn-In mit dem Leckstrom der Kondensatoren nach dem Burn-In, nachdem sie dem Burn-In-Verfahren der vorliegenden Erfindung und dem Weibull-Burn-In-Verfahren unterzogen wurden, verglichen sind;
21 eine Graphik, in der der Leckstrom von mehreren Chargen von Kondensatoren vor dem Burn-In mit dem Leckstrom der Kondensatoren nach dem Burn-In, nachdem sie dem Burn-In-Verfahren der vorliegenden Erfindung und dem Weibull-Burn-In-Verfahren unterzogen wurden, verglichen sind;
22 eine Graphik, in der die Lebensdauertests von Kondensatoren, die dem Verfahren der vorliegenden Erfindung mit dem vor dem Burn-In erfolgenden Screening und dem anschließenden Burn-In unterzogen wurden, mit dem Weibull-Burn-In-Verfahren verglichen sind;
23 eine Graphik, die die Verschiebung des Leckstroms nach einem Lebensdauertest bei 85°C mit Kondensatoren, die dem Screening- und Burn-In-Verfahren der vorliegenden Anmeldung unterzogen wurden, zeigt;
24 eine Graphik, in der die Leckströme von Kondensatoren vor dem Lebensdauertest in einer Charge mit dem Leckstrom der Kondensatoren nach dem Lebensdauertest verglichen sind, wobei die Kondensatoren in Zone-1-Einheiten, Zone-1-am-Limit-Einheiten und Zone-2-Einheiten gruppiert sind, wie es in 5 gezeigt ist;
25 die Graphik von 24, die so skaliert ist, dass sie den Leckstrom bis zu etwa 0,25 Mikroampère (μA) zeigt;
26 eine Graphik, die ein Verfahren zeigt, um zu bestimmen, ob es sich bei einer Charge von Kondensatoren um einen Ausreißer im Vergleich zu anderen Chargen von Kondensatoren handelt; und
27 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines hermetisch versiegelten Kondensators, der einem Screening mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen werden kann.
Bei mehrfacher Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und der Zeichnung sollen diese dieselben oder analoge Merkmale oder Elemente der Erfindung repräsentieren.
Ausführliche Beschreibung von repräsentativen Ausführungsformen
Der Fachmann sollte sich darüber im Klaren sein, dass die vorliegende Diskussion nur eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen ist und die breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht einschränken soll.
Allgemein gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum iterativen Screening von Elektrolytkondensatoren. Das in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Verfahren zum Screening einer Charge oder Stichprobe von Elektrolytkondensatoren (d. h. 2 oder mehr Kondensatoren) umfasst das Messen des Leckstroms der Kondensatoren in mehreren Iterationen im Testverfahren und dann das Entfernen von Kondensatoren, die einen Leckstrom oberhalb eines vorbestimmten Werts, der durch statistische Analyse bei jeder Iteration bestimmt wird, aufweisen, aus der Stichprobe oder Charge. Zum Beispiel kann der Leckstrom einer ersten Menge von Kondensatoren, die alle Kondensatoren in der Charge umfassen kann, gemessen werden, und die Kondensatoren in der ersten Menge, die nach der Messung des ersten Leckstroms einen Leckstrom oberhalb eines vorbestimmten Werts aufweisen, können aus der Stichprobe oder Charge entfernt werden, und die restlichen Kondensatoren bilden eine zweite Menge von Kondensatoren, die weiteren Tests unterzogen werden können. Die weiteren Tests können eine Burn-In-Wärmebehandlung der Kondensatoren bei einer vorbestimmten Spannung, wie der Nennspannung der Kondensatoren, umfassen; letztere ist ein vorbestimmter Nennwert, der sich auf die Gleichstrom-Nennspannung für einen kontinuierlichen Betrieb bis zu 85°C bezieht. Die Nennspannung beruht auf der Dicke der dielektrischen Schicht. Die Burn-In-Behandlung kann verwendet werden, um die Kondensatoren einer Beanspruchung auszusetzen und dadurch bei Messen des Leckstroms der zweiten Menge von Kondensatoren instabile Teile nachzuweisen.
Nachdem der Burn-In-Vorgang beendet ist, kann eine zusätzliche Verarbeitung, wie Reflow-Löten, erfolgen, was die Kondensatoren einer weiteren Beanspruchung aussetzen kann. Entweder vor dem Reflow-Löten oder danach kann eine zweite Iteration des Screening stattfinden, wobei der Leckstrom für jeden der Kondensatoren in der zweiten Menge gemessen wird, und Kondensatoren in der zweiten Menge, die einen Leckstrom oberhalb eines neuen, zweiten vorbestimmten Werts aufweisen, werden aus der zweiten Menge entfernt, wobei eine dritte Menge von Kondensatoren entsteht, die dann weiteren Tests unterzogen werden können. Weiterhin kann am Ende des Screeningverfahrens eine dritte Iteration des Screening stattfinden, wobei der Leckstrom für jeden der Kondensatoren in der dritten Menge gemessen wird, und Kondensatoren in der dritten Menge, die einen Leckstrom oberhalb eines dritten vorbestimmten Werts aufweisen, werden aus der dritten Menge entfernt, wobei eine vierte Menge von Kondensatoren entsteht. Der erste, zweite und dritte vorbestimmte Wert werden durch statistische Analyse bestimmt. Neben dem Screening der Kondensatoren auf der Basis des Leckstroms können auch andere Parameter, wie Kapazität, äquivalenter Serienwiderstand (ESR) und Verlustfaktor (DF), gemessen werden, und die Kondensatoren können auf der Basis einer statistischen Analyse der mittleren Kapazitäts-, ESR- und DF-Ergebnisse weiter durchmustert werden. Ohne uns auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, glauben wir, dass das Durchführen einer Burn-In-Behandlung mit den zu durchmusternden Kondensatoren bei einer vorbestimmten Testspannung, die in der Nähe ihrer Nennspannung liegt, im Gegensatz zu einer Testspannung, die das 1,5-fache ihrer Nennspannung beträgt, was die Kondensatoren dauerhaft beschädigen kann, in Kombination mit dem Durchführen von mehrfachen Iterationen von Leckstromtests mit den Kondensatoren, um bei jeder Iteration alle Kondensatoren oberhalb eines vorbestimmten Werts auszusieben, instabile Kondensatoren wirksam aussieben kann, wobei eine Charge von Kondensatoren entsteht, die eine äußerst hohe Zuverlässigkeit und äußerst geringe Ausfallraten aufweisen. Solche Kondensatoren mit hoher Zuverlässigkeit geringen Ausfallraten sind in bestimmten Anwendungen einschließlich medizinischer, militärischer sowie Luft- und Raumfahrtanwendungen, entscheidend.
Eine Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist im Blockdiagramm von 1 gezeigt, wobei man sich aber darüber im Klaren sein sollte, dass die Schritte auch in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können, und es können zusätzliche Tests oder iteratives Screening ergänzt werden, um weiterhin mangelhafte oder instabile Kondensatoren zu entfernen. Das iterative Screeningverfahren 100 von 1 zeigt zum Beispiel verschiedene Verfahrensschritte 102 und Screeningschritte 104, die so ausgeführt werden, dass man zu spezifischen Ausgabewerten 106 gelangt. Die Verfahrensschritte 102 umfassen: Eine Leckstrom(DCL)-Messung 108 einer ersten Iteration (vor dem Burn-In), Burn-In 114, Reflow-Löten 120, eine Leckstrom(DCL)-Messung 126 einer zweiten Iteration (nach dem Burn-In) und eine Leckstrom(DCL)-Messung 132 einer dritten Iteration.
Die Leckströme in den Schritten 108, 126 und 132 werden mit Hilfe eines Lecktestsets gemessen, das den Leckstrom (DCL) bei einer vorbestimmten Temperatur und bei der Nennspannung nach mindestens 10 Sekunden misst. Zum Beispiel kann der Leckstrom nach 3 Minuten bei einer Temperatur im Bereich von etwa 20°C bis etwa 85°C über einen Ladewiderstand mit einem minimalen Widerstand von 1 kΩ, der mit dem Kondensator in Reihe geschaltet ist, gemessen werden, wobei die Nennspannung angelegt ist. Der Leckstrom kann auch bei höheren Temperaturen (d. h. Heiß-DCL) gemessen werden, obwohl die angelegte Spannung bei Temperaturen von mehr als etwa 85°C bis zu etwa 140°C, wie etwa 125°C, etwa 2/3 der Nennspannung betragen kann, um die Beanspruchung des Kondensators auf den Wert zu normalisieren, den er zum Beispiel bei etwa 85°C erfährt. Leckstrom oder DCL bezieht sich auf die Stromstärke, die durch einen Kondensator fließt, wenn nach dem Aufladen des Kondensators eine Gleichspannung angelegt wird. Im Allgemeinen kann der Leckstrom verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Kondensator Mängel aufweist oder ausfallen könnte, und es kann sein, dass ein Kondensator einen Leckstrom unterhalb eines Minimalwerts aufweisen muss, wenn er für die Verwendung in einer gegebenen Anwendung geeignet sein soll. Der Leckstrom hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie der an den Kondensator angelegten Spannung, den Temperaturbedingungen und der Art des im Kondensator zu verwendenden Elektrolyten. Wie im Folgenden noch diskutiert wird, können Ergebnisse von Leckstrommessungen, die in verschiedenen Iterationen des Screeningverfahrens vorgenommen wurden, verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Kondensator annehmbar ist oder aus einer gegebenen Charge oder Stichprobe entfernt werden sollte.
Wir diskutieren nun das iterative Screeningverfahren der vorliegenden Erfindung anhand der spezifischen Verfahrensschritte, Screeningschritte und Ausgabewerte. In einer ersten Iteration des Screeningverfahrens kann ein erster Leckstrom für die zu testende Charge oder Stichprobe der Kondensatoren (d. h. eine erste Menge von Kondensatoren) gemessen werden, wie in Verfahrensschritt 108 von 1 gezeigt ist. Der erste Leckstrom kann bei einer Temperatur bestimmt werden, die in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 20°C bis etwa 150°C liegt. Zum Beispiel kann der DCL bei einer Temperatur gemessen werden, die in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 20°C bis etwa 30°C, wie etwa 25°C, in einigen Ausführungsformen etwa 75°C bis etwa 95°C, wie etwa 85°C, und in noch anderen Ausführungsformen etwa 100°C bis etwa 150°C liegt. Zum Beispiel kann die Temperatur in einem Bereich von etwa 110°C bis etwa 140°C, wie etwa 120°C bis etwa 130°C, wie etwa 125°C, liegen. Wenn der Leckstrom jedoch bei einer Temperatur von über 85°C gemessen wird, wie es oben diskutiert wurde, kann die während der Leckstrommessung angelegte Spannung etwa 2/3 der Nennspannung betragen, wie oben diskutiert wurde. Unabhängig von der Temperatur, bei der der erste Leckstrom bestimmt wird, kann aus den Daten, die in Bezug auf die ersten Leckstrommessungen für die erste Menge von Kondensatoren gesammelt wurden, ein erster mittlerer Leckstrom berechnet werden. Nachdem der erste mittlere Leckstrom bestimmt ist, kann ein erster vorbestimmter Wert für die erste Menge von Kondensatoren berechnet werden, der größer oder gleich eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des ersten mittleren Leckstroms liegen kann. In einigen Ausführungsformen kann der erste vorbestimmte Wert jedoch drei oder mehr Standardabweichungen oberhalb des ersten mittleren Leckstroms liegen. Dies wird durch Verfahrensschritt 110 demonstriert, bei dem ein erster Grenzwert (d. h. vorbestimmter Wert) bestimmt wird. Dann können alle Kondensatoren, die einen ersten Leckstrom oberhalb des ersten vorbestimmten Werts aufweisen, aus der Stichprobe oder Charge entfernt werden, da sie potentiell instabile Kondensatoren oder Ausreißer repräsentieren, wie in Ausgabeschritt 112 gezeigt ist. Indessen bestehen alle Kondensatoren, die einen ersten Leckstrom unterhalb des ersten vorbestimmten Werts aufweisen, die erste Iteration des Screenings und können für weiteres Screening über das Screening der ersten Iteration hinaus in der Stichprobe oder Charge verbleiben und bilden so die zweite Menge von Kondensatoren.
Nach der Entfernung von Kondensatoren oberhalb des ersten vorbestimmten Werts wird die zweite Menge von Kondensatoren (d. h. die Kondensatoren in der Stichprobe oder Charge, die das Screening der ersten Iteration 112 bestanden haben) einer Burn-In-Behandlung unterzogen, wie in Verfahrensschritt 114 gezeigt ist. Burn-In ist im Allgemeinen das Verfahren, durch das Kondensatoren schroffen Bedingungen ausgesetzt werden können, um zu bestimmen, ob sie dazu neigen, in einer frühen Phase ihrer Lebensdauer auszufallen. Die Burn-In-Behandlung 114 kann das gezielte Steuern und Anlegen einer vorbestimmten Testspannung an die Kondensatoren beinhalten, wie in Schritt 116 gezeigt ist. Die Burn-In-Behandlung kann bei einer Temperatur durchgeführt werden, die in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 100°C bis etwa 150°C, in anderen Ausführungsformen etwa 110°C bis etwa 140°C und in noch anderen Ausführungsformen etwa 115°C bis etwa 130°C liegen kann. Zum Beispiel kann die zweite Temperatur 125°C betragen. Unabhängig von der Temperatur, bei der das Erhitzen oder die Burn-In-Behandlung 114 durchgeführt wird, kann die Burn-In-Behandlung in einer Ausführungsform während einer Zeitdauer erfolgen, die im Bereich von etwa 25 Stunden bis 75 Stunden liegt. Indessen kann die Burn-In-Verfahrenszeit in anderen Ausführungsformen im Bereich von etwa 35 Stunden bis etwa 50 Stunden, wie etwa 40 Stunden bis etwa 45 Stunden, liegen. Zum Beispiel kann die Burn-In-Verfahrenszeit 42 Stunden betragen.
Weiterhin umfasst das Burn-In-Verfahren unabhängig von der Temperatur oder dem Zeitrahmen des Burn-In-Verfahrens das gezielte Steuern und Anlegen einer vorbestimmten Testspannung an die zweite Menge von Kondensatoren. Die angelegte Spannung steht im Allgemeinen in einem bestimmten Verhältnis zur Nennspannung der zu testenden Kondensatoren. Zum Beispiel kann die anzulegende Spannung in einigen Ausführungsformen im Bereich vom etwa 0,7- bis etwa 1,3-fachen der Nennspannung, in anderen Ausführungsformen vom etwa 0,8- bis etwa 1,2-fachen der Nennspannung und in noch anderen Ausführungsformen vom etwa 0,9- bis etwa 1,1-fachen der Nennspannung liegen. Zum Beispiel kann die während des Burn-In-Verfahrens angelegte Spannung etwa das 1,0-fache der Nennspannung der in der zu testenden Stichprobe oder Charge verbleibenden Kondensatoren betragen. Es hat sich herausgestellt, dass das Durchführen einer Burn-In-Behandlung bei etwa dem 1,0-fachen der Nennspannung der Kondensatoren mit den Kondensatoren der zweiten Menge ein ausreichendes Aussieben von instabilen oder mangelhaften Kondensatoren in anschließenden Screening-Iterationen ermöglicht, ohne Schäden an den Kondensatoren zu verursachen, wie sie bei höheren Spannungen, wie sie bei Weibull-Tests verwendet werden, auftreten. Im Allgemeinen führt der Burn-In-Behandlungsschritt 116 zu einer Reduktion des Leckstroms der Basispopulation von Kondensatoren und kann verwendet werden, um instabile Einheiten weiter zu entlarven, wie es im Ausgabewert 118 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass die Reduktion des Leckstroms in diesem Stadium auf eine Selbstheilung zurückzuführen sein kann, und daher kann ein Leckstrom-Screeningschritt der zweiten Iteration 130 für die zweite Menge von Kondensatoren, die den Leckstrom-Screeningschritt der ersten Iteration 112 bestanden haben, durchgeführt werden, um gegebenenfalls Ausreißer oder mangelhafte Teile nach der Beendigung des Burn-In-Verfahrens zu entfernen. Der Leckstrom-Screeningschritt der zweiten Iteration 130 kann nach dem Burn-In oder nach dem Reflow-Verfahrensschritt 120 durchgeführt werden, wie im Folgenden noch ausführlicher diskutiert wird.
Falls gewünscht, kann das Löten durch den Reflow-Verfahrensschritt 120 mit der zweiten Menge von Kondensatoren durchgeführt werden, bevor ein Leckstrom der zweiten Iteration 126 für die zweite Menge von Kondensatoren gemessen wird. Im Reflow-Verfahrensschritt 120 können die Kondensatoren weiteren Belastungen ausgesetzt sein, um nach dem Leckstrom-Screening der zweiten Iteration 130 zusätzliche instabile Kondensatoren aufzudecken. Wie oben angemerkt wurde, ist diese spezielle Verfahrensreihenfolge jedoch nicht notwendig, und man sollte sich darüber im Klaren sein, dass das Leckstrom-Screening der zweiten Iteration 130 in manchen Fällen auch nach der Burn-In-Behandlung 114, aber vor dem Reflow-Schritt 120 beendet werden kann. In manchen Fällen ist es vielleicht sogar möglich, den Reflow-Schritt mit der ersten Menge von Kondensatoren durchzuführen.
Wenn der Reflow-Verfahrensschritt 120 beendet wird, bevor die zweite Menge von Kondensatoren dem Leckstrom-Screeningschritt der zweiten Iteration 130 unterzogen wurde, wie es in 1 gezeigt ist, kann er nach der Burn-In-Behandlung beendet werden. Im Allgemeinen ist der Reflow-Schritt der Vorgang, bei dem Kondensatoren an eine Platte gelötet werden können. Beim Reflow-Löten nach dem Burn-In können Kondensatoren, die infolge der zusätzlichen thermomechanischen Belastung, die das Reflow-Verfahren auf die Kondensatoren ausübt, wie im Ausgabewert 124 von 1 gezeigt ist, instabil geworden sind, entlarvt werden, wenn die zweite Menge von Kondensatoren einem Leckstrom-Screening der zweiten Iteration 130 unterzogen wird. Aus diesem Grund kann der Reflow-Schritt vor der Leckstrommessung der zweiten Iteration 126 durchgeführt werden, um instabile Teile weiter auszusieben und zu entfernen. Das Basis-Reflow-Lötverfahren umfasst die Schritte des Auftragens einer Lötpaste auf die gewünschten Kontaktstellen auf einer Leiterplatte (PCB), wie einer FR-4-Platte, das Platzieren der Kondensatoren in der Paste und das Zuführen von Wärme zu der Baugruppe, was bewirkt, dass das Lötmittel in der Paste schmilzt (Reflow). Dann benetzt das Lötmittel die PCB und die Kondensatoranschlüsse, was zu der gewünschten Lötkehlnahtverbindung führt. Das Reflow-Verfahren kann in einem Konvektionslinearofen stattfinden, wie in Schritt 122 von 1 gezeigt ist. Der Konvektionslinearofen kann in einigen Ausführungsformen ein Spitzentemperaturprofil von etwa 200°C bis etwa 280°C, wie in anderen Ausführungsformen etwa 205°C bis etwa 270°C und in noch anderen Ausführungsformen etwa 210°C bis etwa 260°C aufweisen. Zum Beispiel in medizinischen, militärischen sowie Luft- und Raumfahrtanwendungen, wo Lötmittel auf SnPb-Basis (Bleibasis) verwendet werden, die bei einer niedrigeren Temperatur schmelzen können, kann der Reflow-Schritt bei einer Temperatur erfolgen, die in einem Bereich von etwa 210°C bis etwa 225°C liegt. Indessen kann bei kommerziellen Anwendungen unter Verwendung eines bleifreien Lötmittels, das bei einer höheren Temperatur schmilzt, der Reflow-Schritt bei einer Temperatur erfolgen, die in einem Bereich von etwa 245°C bis etwa 260°C liegt. Man beachte, dass in dem oben diskutierten Reflow-Verfahrens zwar ein Konvektionsofen verwendet wird, in dem Reflow-Verfahren jedoch auch ein Infrarot-Konvektionsofen oder ein Dampfphasenofen verwendet und das Verfahren durch Wellenlöten oder durch Verwendung einer heißen Platte durchgeführt werden kann.
Nachdem das Reflow-Verfahren beendet ist, kann ein Leckstrom der zweiten Iteration für die zweite Menge von Kondensatoren gemessen werden, wie in 1 als Verfahrensschritt 126 gezeigt ist, obwohl der zweite Leckstrom in einigen Ausführungsformen auch vor dem Reflow-Schritt gemessen werden kann. Der zweite Leckstrom kann bei Kondensatoren gemessen werden, die das Leckstrom-Screening der ersten Iteration 112 bestanden haben (d. h. bei der zweiten Menge von Kondensatoren) und die auch der Burn-In-Behandlung 114 und dem Reflow-Schritt 120 unterzogen wurden, wie in 1 gezeigt ist. Der zweite Leckstrom kann bei einer Temperatur bestimmt werden, die in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 20°C bis etwa 150°C liegt. Zum Beispiel kann der DCL bei einer Temperatur gemessen werden, die in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 20°C bis etwa 30°C, wie etwa 25°C, in einigen Ausführungsformen etwa 75°C bis etwa 95°C, wie etwa 85°C, und in noch anderen Ausführungsformen etwa 100°C bis etwa 150°C liegt. Zum Beispiel kann die Temperatur in einem Bereich von etwa 120°C bis etwa 130°C, wie etwa 125°C, liegen. Wenn der Leckstrom jedoch bei einer Temperatur von über etwa 85°C gemessen wird, wie es oben diskutiert wurde, kann die während der Leckstrommessung angelegte Spannung etwa 2/3 der Nennspannung betragen, wie oben diskutiert wurde. Unabhängig von der Temperatur, bei der der zweite Leckstrom bestimmt wird, kann aus den Daten, die in Bezug auf die zweiten Leckstrommessungen für die zweite Menge von Kondensatoren gesammelt wurden, ein zweiter mittlerer Leckstrom berechnet werden. Nachdem der zweite mittlere Leckstrom bestimmt ist, kann ein zweiter vorbestimmter Wert für die zweite Menge von Kondensatoren berechnet werden, der größer oder gleich eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des zweiten mittleren Leckstroms liegen kann. In einigen Ausführungsformen kann der zweite vorbestimmte Wert jedoch drei oder mehr Standardabweichungen oberhalb des zweiten mittleren Leckstroms liegen. Dies wird durch Verfahrensschritt 128 demonstriert, bei dem der zweite Grenzwert (d. h. vorbestimmter Wert) bestimmt wird. Dann können alle Kondensatoren, die einen zweiten Leckstrom oberhalb des zweiten vorbestimmten Werts aufweisen, aus der Stichprobe oder Charge entfernt werden, da sie potentiell instabile Kondensatoren oder Ausreißer repräsentieren, wie in Ausgabeschritt 130 gezeigt ist. Indessen bestehen alle Kondensatoren, die einen zweiten Leckstrom unterhalb des zweiten vorbestimmten Werts aufweisen, die zweite Iteration des Screenings und können für weiteres Screening über das Screening der zweiten Iteration hinaus in der Stichprobe oder Charge verbleiben und bilden so die dritte Menge von Kondensatoren. Man beachte, dass dann, wenn das Reflow-Verfahren 120 vor dem Messen des zweiten Leckstroms für die zweite Menge von Kondensatoren nicht durchgeführt wurde, die nach der zweiten Iteration des Leckstrom-Screenings resultierende dritte Menge von Kondensatoren dem Reflow-Verfahren 120 unterzogen werden kann, wie oben diskutiert wurde.
Als zusätzlicher Verfahrensschritt kann ein Funktionstest 132 durchgeführt werden, um für die Kondensatoren, die sowohl das Leckstrom-Screening der ersten Iteration 112 als auch das Leckstrom-Screening der zweiten Iteration 130, wie es oben diskutiert ist, bestanden haben (d. h. für die dritte Menge von Kondensatoren), Standard-Kondensatorkennwerte zu bestimmen. In diesem Stadium können zusätzliche instabile oder mangelhafte Kondensatoren auf der Basis einer weiteren statistischen Analyse ausgesiebt und aus der Charge oder Stichprobe entfernt werden. Der Funktionstest kann bei einer Temperatur durchgeführt werden, die in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 15°C bis etwa 35°C oder in anderen Ausführungsformen etwa 20°C bis etwa 30°C liegt. Zum Beispiel kann der Test bei 25°C durchgeführt werden.
Unabhängig von der Temperatur, bei der der Funktionstest 132 durchgeführt wird, kann ein Leckstrom der dritten Iteration für die in der Stichprobe verbleibenden Kondensatoren (d. h. die dritte Menge von Kondensatoren) gemessen werden, wie in 1 gezeigt ist. Unabhängig von der Temperatur, bei der der dritte Leckstrom bestimmt wird, kann aus den Daten, die in Bezug auf die dritten Leckstrommessungen für die dritte Menge von Kondensatoren gesammelt wurden, ein dritter mittlerer Leckstrom berechnet werden. Nachdem der dritte mittlere Leckstrom bestimmt ist, kann ein dritter vorbestimmter Wert für die dritte Menge von Kondensatoren berechnet werden, der größer oder gleich eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des dritte mittleren Leckstroms liegen kann. In einigen Ausführungsformen kann der dritte vorbestimmte Wert jedoch drei oder mehr Standardabweichungen oberhalb des dritten mittleren Leckstroms liegen. Dies wird durch Verfahrensschritt 134 demonstriert, bei dem der dritte Grenzwert (d. h. vorbestimmter Wert) bestimmt wird. Dann können alle Kondensatoren, die einen dritten Leckstrom oberhalb des dritten vorbestimmten Werts aufweisen, aus der Stichprobe oder Charge entfernt werden, da sie potentiell instabile Kondensatoren oder Ausreißer repräsentieren, wie in Ausgabeschritt 136 gezeigt ist. Indessen bestehen alle Kondensatoren, die einen dritten Leckstrom unterhalb des dritten vorbestimmten Werts aufweisen, die dritte Iteration des Screenings und können zur Freigabe oder für weiteres Screening über das Screening der dritten Iteration hinaus in der Stichprobe oder Charge verbleiben und bilden so die vierte Menge von Kondensatoren. Diese Kondensatoren haben also wenigstens drei Iterationen des Leckstrom-Screenings auf der Basis einer statistischen Analyse durchlaufen, um zu gewährleisten, dass die in der Charge verbleibenden Kondensatoren hochgradig zuverlässig mit einem äußerst geringen Ausfallrisiko sind.
Mit den in der dritten Iteration 132 durchmusterten Kondensatoren können zusätzliche Tests (nicht in 1 gezeigt) durchgeführt werden. Außer einem Screening auf der Basis des Leckstroms können die Kondensatoren, die die ersten beiden Iterationen des Leckstrom-Screenings bestanden haben (d. h. die dritte Menge von Kondensatoren), auf ihren äquivalenten Serienwiderstand (ESR), Dissipationsfaktor (DF) getestet und Kapazitätsmessungen durchgeführt werden. Diese Kondensatoren können dann weiter durchmustert werden, um alle instabilen Teile auf der Basis einer statistischen Analyse mit den in Bezug auf ESR, DF und Kapazität gesammelten Daten zu entfernen. Wenn zum Beispiel die Kapazität gemessen wird, können die Kondensatoren auf der Basis des Einhaltens einer Schutzband-Toleranzgrenze durchmustert werden, während dann, wenn der ESR und/oder DF gemessen wird, alle vorhandenen Ausreißer, die 1 oder mehr Standardabweichungen oberhalb des mittleren Schwellenwerts liegen, aus der für die Verwendung freizugebenden Charge oder Stichprobe verworfen werden.
Das Screeningverfahren, wie es in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, kann sowohl mit Feststoff- als auch mit Flüssigelektrolytkondensatoren durchgeführt werden. Der Feststoff- oder Flüssigelektrolytkondensator, der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durchmustert wurde, kann in verschiedenen Anwendungen verwendet werden; dazu gehören unter Anderem medizinische Geräte, wie implantierbare Defibrillatoren, Schrittmacher, Kardioverter, Nervenstimulatoren, Wirkstoffverabreichungsvorrichtungen usw., Kraftfahrzeuganwendungen, militärische Anwendungen, wie RADAR-Systeme, Unterhaltungselektronik, wie Radios, TV-Geräte usw., usw. In einer Ausführungsform kann der Kondensator zum Beispiel in einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung eingesetzt werden, die so konfiguriert ist, dass sie für eine Behandlung eines Patienten mit einer therapeutischen Hochspannung sorgt (z. B. zwischen ungefähr 500 Volt und ungefähr 850 Volt oder wünschenswerterweise zwischen ungefähr 600 Volt und ungefähr 800 Volt). Die Vorrichtung kann einen Behälter oder ein Gehäuse enthalten, der bzw. das hermetisch abgedichtet und biologisch inert ist. Ein oder mehrere Anschlüsse werden über eine Ader elektrisch zwischen der Vorrichtung und dem Herzen des Patienten gekoppelt. Herzelektroden werden bereitgestellt, um die Herzaktivität zu überwachen und/oder eine Spannung an das Herz anzulegen. Wenigstens ein Teil der Anschlüsse (z. B. ein Endteil der Anschlüsse) kann in der Nähe oder in Kontakt mit einer Kammer und/oder einem Vorhof des Herzens bereitgestellt werden. Die Vorrichtung enthält auch eine Kondensatorgruppe, die typischerweise zwei oder mehr Kondensatoren enthält, die in Reihe geschaltet sind und mit einer Batterie gekoppelt sind, die intern oder extern in Bezug auf die Vorrichtung angeordnet ist und die Kondensatorgruppe mit Energie versorgt. Teilweise aufgrund der hohen Leitfähigkeit kann der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durchmusterte Kondensator ausgezeichnete elektrische Eigenschaften erreichen und somit zur Verwendung in der Kondensatorgruppe der implantierbaren medizinischen Vorrichtung geeignet sein. Zum Beispiel kann der äquivalente Serienwiderstand (”ESR”) – das Ausmaß, in dem der Kondensator beim Aufladen und Entladen in einer elektronischen Schaltung wie ein Widerstand wirkt – weniger als etwa 1500 Milliohm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 1000 Milliohm und in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 500 Milliohm betragen, gemessen mit 2 Volt Vorspannung und einem 1-Volt-Signal bei einer Frequenz von 1000 Hz.
Nachdem eine Stichprobe oder Charge von Kondensatoren nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durchmustert wurde, kann die Stichprobe oder Charge von Kondensatoren an einen Kunden geliefert werden, ohne zuerst die Spannung, bei der die Kondensatoren verwendet werden können, auf ein Niveau herabsetzen zu müssen, das niedriger als die vorbestimmte Nennspannung ist. Mit anderen Worten, das Screeningverfahren kann instabile Kondensatoren ausfiltern, so dass die an den Kunden gelieferten Kondensatoren bei ihrer Nennspannung, im Unterschied zu einer niedrigeren (d. h. herabgesetzten) Spannung, verwendet werden können.
Um die Gefahr der Anwesenheit latenter Mängel in einer Charge von Kondensatoren, die nach dem oben diskutierten iterativen Screeningverfahren durchmustert wurden, weiter zu reduzieren, kann ein zusätzlicher Screeningschritt auf der Basis eines Vergleichs der durchmusterten Charge mit anderen durchmusterten Chargen von Kondensatoren zur Sicherheit durchgeführt werden, um eine durchmusterte Charge mit einem mittleren Leckstrom, der im Vergleich zum mittleren Leckstrom aller durchmusterten Chargen als Ganzes ein Ausreißer ist, auszufiltern. Der mittlere Leckstrom aller durchmusterten Chargen, die als Ganzes betrachtet werden, wird als großer mittlerer Leckstrom bezeichnet. Wie in 26 gezeigt ist, kann der große mittlere Leckstrom der mehreren Chargen von Kondensatoren, nachdem sie durchmustert wurden, bestimmt werden. Der mittlere Leckstrom für jede der durchmusterten Chargen kann unter Verwendung von Kondensatoren in der Charge bestimmt werden, die das erste Leckstromscreening bestanden haben, wie Kondensatoren, die eine Burn-In-Wärmebehandlung oder irgendwelche zusätzlichen Behandlungen und/oder Screenings erfahren haben. Dann können alle Kondensatorchargen, die einen mittleren Leckstrom oberhalb eines vorbestimmten Werts, wie einen Leckstromwert, der eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des großen mittleren Leckstroms für alle Chargen liegt, aufweisen, als dem Kunden zu liefernde Charge abgelehnt werden. Zum Beispiel kann eine Charge, die einen mittleren Leckstrom aufweist, der mehr als drei Standardabweichungen oberhalb des großen mittleren Leckstroms liegt, verworfen werden. Dieser zusätzliche Screeningschritt kann die von Charge zu Charge auftretenden Schwankungen bei Kondensatoren, die dem Kunden geliefert werden, begrenzen.
Da das Screeningverfahren der vorliegenden Anmeldung indessen das Entfernen aller Kondensatoren mit einem Anfangsleckstrom oberhalb eines vorbestimmten Werts vor dem Burn-In-Verfahren aus einer Charge von Kondensatoren beinhaltet, wobei solche Kondensatoren als ”frühzeitiger Ausfall” oder ”Opfer der Säuglingssterblichkeit” bezeichnet werden können, ist es nicht möglich, eine vorhergesagte Ausfallrate mit dem herkömmlichen Weibull-Modell, wie es in MIL-PRF-55365H beschrieben ist, zu berechnen. Weiterhin sei angemerkt, dass das Weibull-Verfahren die Auswirkungen des mehrseitigen Verlötens von Oberflächenmontageteilen auf Substrate auf die Berechnung der vorhergesagten Ausfallrate unberücksichtigt lässt. Wenn das Screeningverfahren der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, sollte man sich daher darüber im Klaren sein, dass die vorhergesagte Ausfallrate mit einem neuen Verfahren, wie es im Folgenden erklärt wird, berechnet werden kann.
Zunächst einmal sollte man sich darüber im Klaren sein, dass zur Bestimmung der vorhergesagten Ausfallrate einer an einen Kunden gelieferten Charge von Kondensatoren, bevor überhaupt eine Berechnung durchgeführt wird, eine simulierte Produktionsroutine von einer Stichprobe aus der Population durchlaufen wird, wobei die Produktionsroutine doppelseitiges Löten umfasst. Dann wird eine Berechnung auf der Basis des Verhaltens der Probe in einer simulierten Produktionsroutine durchgeführt. Im Allgemeinen beruht die Berechnung der vorhergesagten Ausfallrate auf zwei Hauptschritten, wobei die Ergebnisse der Lebensdauertests an einer Anzahl von Teilen bei einer erhöhten Temperatur (z. B. 125°C) und einer Spannung (z. B. 2/3 der Nennspannung) während einer gegebenen Zeitdauer in eine äquivalente Anzahl von Komponenten-/Bauteilstunden bei 25°C umgerechnet werden. Dann werden die Zahl der Ausfälle und die äquivalenten Komponenten-/Bauteilstunden verwendet, um eine vorhergesagte Ausfallrate und die mittlere Zeit zwischen Ausfällen zu berechnen. Die Bestimmung der äquivalenten Komponenten-/Bauteilstunden beruht auf der Zuverlässigkeitsprognose gemäß MIL-HDBK-217 unter Verwendung des Arrhenius-Modells, wie es auf Feststoff-Tantalkondensatoren angewendet wird, wobei das Arrhenius-Modell verwendet wird, um die Ausfallzunahme aufgrund von Temperaturerhöhungen vorherzusagen, wobei hier auf das MIL-HDBK-217-Handbuch ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird. Die Berechnung der äquivalenten Komponenten-/Bauteilstunden berücksichtigt auch die Aktivierungsenergie von Tantalkondensatoren, die im Bereich von etwa 1,08 eV bis etwa 1,15 eV liegen kann.
Indessen beruht die Berechnung der Ausfallrate auf einer Chi-Quadrat-Berechnung für zeitlich begrenzte Stichprobentests, wobei die Zahl der Freiheitsgrade gleich der Summe aus der Zahl der Ausfälle und 1, multipliziert mit 2, ist.
Zu den Parametern, die in die Berechnung der Ausfallrate eingegeben werden sollen, gehören die Nennspannung der Kondensatoren, die Zahl der getesteten Kondensatoren, die Zahl der Stunden, während deren die Kondensatorteile getestet wurden, die Testtemperatur, die Testspannung, die Anzahl der Ausfälle, das gewünschte Konfidenzniveau, die gewünschte Anwendungstemperatur und die gewünschte Anwendungsspannung. Zu den resultierenden berechneten Ausgabewerten gehören die äquivalente Anzahl von Komponenten-/Bauteilstunden bei 25°C, wie sie durch die Lebensdauertests an einer bestimmten Anzahl von Stichproben bei einer bestimmten Spannung und Temperatur während einer bestimmten Testzeitdauer demonstriert werden, wobei ein Testtemperatur-Beschleunigungsfaktor und ein Testspannungs-Beschleunigungsfaktor berücksichtigt wird, sowie eine prognostische Berechnung der Ausfallrate für die Gesamtpopulation von Kondensatoren, aus der die Stichproben ausgewählt wurden, auf der Basis der Anzahl der Ausfälle, die während der Lebensdauertests erfolgten, und der Gesamtzahl der äquivalenten Komponenten-/Bauteilstunden, wobei weiterhin ein Anwendungspannungs-Beschleunigungsfaktor berücksichtigt wird. Schließlich kann anhand der Berechnung der vorhergesagten Ausfallrate die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) in Stunden bestimmt werden.
Um die äquivalenten Komponentenstunden bei der Anwendungstemperatur der Endverwendung der durchmusterten Kondensatoren zu bestimmen, können zuerst ein Test/Screening-Temperaturbeschleunigungsfaktor und ein Test/Screening-Spannungsbeschleunigungsfaktor bestimmt werden. Die folgende Formel 1 zeigt, wie der Test/Screening-Temperaturbeschleunigungsfaktor (TTAF) bestimmt werden kann, und umfasst eine Umrechnung der Anwendungs- und der Testtemperatur in Kelvin: TTAF = e ( Aktivierungsenergie / Boltzmann-Konstante) × (( 1 / Anwendungstemperatur+273) – ( 1 / Testtemperatur+273)) (Formel 1)
Indessen zeigt die folgende Formel 2, wie der Test/Screening-Spannungsbeschleunigungsfaktor (TVAF) bestimmt werden kann: TVAF = ( Testspannung / Nennspannung)³ (Formel 2)
Weiterhin zeigt die folgende Formel 3, wie die äquivalenten Komponentenstunden bei der Anwendungstemperatur der Kondensatoren bestimmt werden: äquivalente Komponentenstunden bei Anwendungstemperatur = (Zahl der getesteten Kondensatoren)(Testdauer in Stunden)(TTAF)(TVAF) (Formel 3)
Dann können die äquivalenten Komponentenstunden, falls gewünscht, in äquivalente Komponentenjahre umgerechnet werden. Danach kann ein Anwendungsspannungsbeschleunigungsfaktor (AVAF) bestimmt werden, wie in der folgenden Formel 4 gezeigt ist: AVAF = ( Anwendungsspannung / Nennspannung)³ (Formel 4)
Nun kann unter Verwendung der Berechnungen aus den obigen Formeln die Ausfallrate berechnet werden, wobei die Ausfallrate in Prozent Ausfälle pro 1000 Stunden gezeigt ist. Die Ausfallrate beruht auf einer Chi-Quadrat-Verteilung und umfasst die Bestimmung der Umkehrfunktion der einseitigen Wahrscheinlichkeit der Chi-Quadrat-Verteilung. Formel 5 zeigt die Gleichung zur Bestimmung der Ausfallrate:
Die ”CHIINV”-Funktion berechnet den Chi-Quadrat-Wert von zwei Faktoren, dem Konfidenzniveaufaktor und dem Freiheitsgradefaktor. Der Konfidenzfaktor ist 1 minus das eingegebene, als Dezimalzahl ausgedrückte Konfidenzniveau. Der Freiheitsgradefaktor ist zweimal die Summe aus der Anzahl der während des Lebensdauertests der Kondensatoren beobachteten Ausfälle und eins. Dieser Faktor steht für Stichprobentests, die unabhängig von der Zahl der Ausfälle während einer bestimmten Zeitdauer durchgeführt werden. Dann wird der Chi-Quadrat-Wert durch das Doppelte der in Formel 3 bestimmten äquivalenten Komponentenstunden dividiert. Dann wird das Ergebnis mit dem in Formel 4 bestimmten Anwendungsspannungsbeschleunigungsfaktor (AVAF) multipliziert, nachdem man den AVAF zuerst durch zwei dividiert hat. Dann wird dieses Ergebnis mit dem Faktor 1000 mal 100 oder 100000 multipliziert, um die am Ende vorhergesagte Ausfallrate in ”Prozent Ausfällen pro 1000 Stunden” zu erhalten.
Nachdem die vorhergesagte Ausfallrate in Prozent Ausfällen pro 1000 Stunden bestimmt wurde, wie es oben in Formel 5 gezeigt ist, kann die Ausfallrate in die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) in Stunden umgerechnet werden, wie es unten in Formel 6 gezeigt ist: MTBF = ( 1 / ((Ausfallrate in % pro 1000 Stunden)/100)) × (1000 Stunden) (Formel 6)
Wenn die oben gezeigte Formel 5 nach dem Lebensdauertest verwendet wird, um die vorhergesagte Ausfallrate der nach dem Verfahren der vorliegenden Anmeldung durchmusterten Kondensatoren zu bestimmen, kann die vorhergesagte Ausfallrate der Kondensatoren im Bereich von etwa 0,000005% Ausfälle pro 1000 Stunden bis etwa 0,01% Ausfälle pro 1000 Stunden, wie etwa 0,000008% Ausfälle pro 1000 Stunden bis etwa 0,009% Ausfälle pro 1000 Stunden, wie etwa 0,00001% Ausfälle pro 1000 Stunden bis etwa 0,008% Ausfälle pro 1000 Stunden, liegen, wenn mit einem Konfidenzniveau von etwa 50% bis etwa 99,9%, wie etwa 55% bis etwa 95%, wie etwa 60% bis etwa 90%, bestimmt wird. In einer besonderen Ausführungsform kann die vorhergesagte Ausfallrate der Kondensatoren im Bereich von etwa 0,00001% Ausfälle pro 1000 Stunden bis etwa 0,008% Ausfälle pro 1000 Stunden bei einem Konfidenzniveau von etwa 90% liegen.
Wie oben diskutiert, können die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durchmusterten Kondensatoren Feststoff- oder Flüssigelektrolytkondensatoren sein. Ein Feststoff-Elektrolytkondensator enthält im Allgemeinen ein Kondensatorelement, das einen Anodenkörper, eine dielektrische Schicht und einen festen Elektrolyten umfasst. Der Kondensator kann auch einen Anodenanschluss (z. B. Band, Draht, Platte usw.) enthalten, der zum Anschluss an ein Anoden-Endteil elektrisch mit dem Anodenkörper verbunden ist. Die Ventilmetallzusammensetzung kann ein Ventilmetall (d. h. ein Metall, das zur Oxidation befähigt ist) oder eine Verbindung, die auf einem Ventilmetall beruht, enthalten, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan, Legierungen davon, Oxide davon, Nitride davon usw. Zum Beispiel kann die Ventilmetallzusammensetzung ein elektrisch leitfähiges Oxid von Niob enthalten, wie ein Nioboxid mit einem Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:1,0 ± 1,0, in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,3, in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,1 und in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,05. Bei dem Nioboxid kann es sich um NbO_0,7, NbO_1,0, NbO_1,1 und NbO₂ handeln. In einer Ausführungsform wird ein Pulver auf Ventilmetallbasis eingesetzt, das mit Hilfe einer herkömmlichen Pulverpressform unter Bildung eines porösen Anodenkörpers kompaktiert wird. Danach wird der poröse Anodenkörper unter Bildung eines porösen integralen Körpers gesintert.
Sobald er aufgebaut ist, kann eine dielektrische Schicht durch anodisches Oxidieren (”Anodisieren”) des gesinterten Anodenkörpers gebildet werden. Dies führt zur Bildung einer dielektrischen Schicht, die auf und/oder innerhalb der Anode entsteht. Zum Beispiel kann eine Anode aus Tantal (Ta) zu Tantalpentoxid (Ta₂O₅) anodisiert werden. Typischerweise wird die Anodisierung durchgeführt, indem man zunächst einen Elektrolyten auf die Anode aufträgt, etwa durch Eintauchen der Anode in den Elektrolyten. Das Kondensatorelement enthält auch einen festen Elektrolyten, der als Kathode für den Kondensator fungiert.
In einer Ausführungsform kann die Kathode eines Feststoffelektrolytkondensators hauptsächlich aus Mangandioxid bestehen und wird dann durch ein Verfahren gebildet, das allgemein ”Manganisieren” genannt wird. Bei diesem Verfahren wird über das durch Anodisieren gebildete Dielektrikum eine leitfähige Gegenelektrodenbeschichtung gebildet. Der Manganisierungsschritt wird typischerweise durchgeführt, indem man das anodisierte Bauteil in eine Lösung von Mangan(II)nitrat taucht und das imprägnierte Bauteil in einer feuchten Atmosphäre erhitzt, um das Nitrat in festes leitfähiges Mangandioxid umzuwandeln. Mit anderen Worten, ein Mangandioxid-Feststoffelektrolyt kann durch die pyrolytische Zersetzung von Mangan(II)nitrat (Mn(NO₃)₂) gebildet werden. Solche Kondensatoren, die eine aus Mangandioxid gebildete Kathode aufweisen, können bei hohen Temperaturen, wie bis zu etwa 250°C, zum Beispiel bis zu etwa 230°C, arbeiten, wenn der Kondensator ein hermetisch versiegelter Kondensator ist, was im Folgenden ausführlicher diskutiert wird.
In einer anderen Ausführungsform kann der feste Elektrolyt auch aus einer oder mehreren leitfähigen Polymerschichten gebildet werden. Das leitfähige Polymer umfasst etwa Polypyrrole, Polythiophene, Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDT), Polyaniline, Polyacetylene, Poly-p-phenylene, Polyphenolate usw. und Derivate davon. Das Anodenteil kann auch gegebenenfalls mit einer Kohlenstoffschicht (z. B. Graphit) bzw. Silberschicht beschichtet werden. Die Silberbeschichtung kann zum Beispiel als lötbarer Leiter, Kontaktschicht und/oder Ladungssammler für den Kondensator wirken, und die Kohlenstoffbeschichtung kann den Kontakt der Silberbeschichtung mit dem festen Elektrolyten begrenzen. Solche Beschichtungen können einen Teil oder den ganzen festen Elektrolyten bedecken.
Unabhängig von der besonderen Art und Weise, in der der Kondensator gebildet wird, kann er mit Endteilen verbunden werden, wie in der Technik wohlbekannt ist. Zum Beispiel können das Anoden- und das Kathoden-Endteil elektrisch mit dem Anodenanschluss (z. B. einem Blech oder einem Draht) bzw. der Kathode verbunden sein. Allgemein gesagt, ist es wünschenswert, das Anoden-Endteil elektrisch gegenüber dem Kathoden-Endteil zu isolieren, so dass der Kondensator in der gewünschten Weise funktioniert. Um eine solche Isolierung zu erreichen, kann eine Vielzahl von Techniken ausgeführt werden. In einer Ausführungsform zum Beispiel können auf dem Anschluss gegebenenfalls gebildete Oxid- und/oder Kathodenschichten einfach durch ein Ätzverfahren (z. B. chemisch, Laser usw.) entfernt werden.
Wie bereits erwähnt, enthält der Feststoffelektrolytkondensator, der einem Screening mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen werden kann, ein Anoden-Endteil, mit dem der Anodenanschluss des Kondensatorelements elektrisch verbunden ist, und ein Kathoden-Endteil, mit dem die Kathode des Kondensatorelements elektrisch verbunden ist. Zur Bildung der Endteile kann jedes leitfähige Material, wie ein leitfähiges Metall, eingesetzt werden. Die Endteile können mit Hilfe jeder in der Technik bekannten Methode, wie Schweißen, Kleben, mit feuerfester Metallpaste usw., verbunden werden. Sobald das Kondensatorelement befestigt ist, können die Leiterrahmen/Anschlüsse in ein Gehäuse eingeschlossen werden, das dann mit Siliciumoxid oder einem anderen bekannten Einbettungsmaterial gefüllt werden kann. Die Breite und Länge des Gehäuses kann je nach Verwendungszweck variieren. Zu den geeigneten Gehäusen gehören zum Beispiel etwa die Gehäuse ”A”, ”B”, ”C”, ”D”, ”E”, ”F”, ”G”, ”H”, ”I”,”J”, ”K”, ”L”, ”M”, ”N”, ”P”, ”R”, ”S”, ”T”, ”V”, ”W”, ”Y” oder ”X”, (AVX Corporation). Unabhängig von der eingesetzten Gehäusegröße wird das Kondensatorelement so eingebettet, dass wenigstens ein Teil des Anoden- und des Kathoden-Endteils exponiert bleiben. Nach der Einbettung können exponierte Teile des Anoden- und des Kathoden-Endteils altern gelassen, einem Screening unterzogen und auf die gewünschte Größe zurechtgeschnitten werden.
Wie oben diskutiert, kann der Anodenanschluss in Form eines Blechs oder Drahts usw. vorliegen und kann aus einer Ventilmetallverbindung, wie Tantal, Niob, Nioboxid usw., gebildet sein. Zum Beispiel kann das Screeningverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um zahlreiche Ausführungsformen von Elektrolytkondensatoren, wie der in den 2 und 3 gezeigten Elektrolytkondensatoren, einem Screening zu unterziehen. Wie in 2 gezeigt ist, kann bei dem Feststoff-Elektrolytkondensator ein Anodenanschluss, der in Form eines Blechs vorliegt, eingesetzt werden. Wie in 3 gezeigt ist, kann bei dem Feststoff-Elektrolytkondensator weiterhin ein Anodenanschluss, der in Form eines Drahts vorliegt, eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform zum Beispiel kann für den einem Screening zu unterziehenden Kondensator ein Flächengebilde (z. B. Blech, Folie usw.), das mit dem Anodenkörper verbunden ist, eingesetzt werden, wie in 2 gezeigt ist. Verschiedene Beispiele für solche Kondensatoren sind zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 5,357,399 (Salisbury), 6,751,085 (Huntington), 6,643,121 (Huntington), 6,849,292 (Huntington), 6,673,389 (Huntington), 6,813,140 (Huntington) und 6,699,767 (Huntington) beschrieben, auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird. In 2 ist eine Ausführungsform eines Feststoff-Elektrolytkondensators 200, der einem Screening nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen werden kann, gezeigt, der einen Anodenanschluss 210 in Form eines Flächengebildes umfasst. Der Anodenanschluss 210 ist mit einem gepressten Anodenkörper 213 verbunden, der aus einer Ventilmetallzusammensetzung (z. B. Tantal) besteht. Obwohl auch andere Verbindungsmethoden verwendet werden können, ist der Anodenanschluss 210 mit Hilfe eines Klebers 212 mit dem Anodenkörper 213 verbunden. Der Kleber 212 kann zunächst auf eine Fläche des Anodenanschlusses 210 aufgetragen werden. Danach kann der komprimierte Anodenkörper 213 über dem Kleber 212 angeordnet werden. Der Anodenkörper 213 und der Anodenanschluss 210 können dann gesintert werden, wobei die Bildung einer Verbindung zwischen dem Kleber und dem Metall sowohl des Anodenkörpers als auch des Anodenanschlusses bewirkt wird. Sobald er befestigt ist, kann der Anodenkörper 213 dann anodisiert und mit einem festen Elektrolyten beschichtet werden, wie es oben beschrieben ist. Falls gewünscht, können noch zusätzliche Schichten eingesetzt werden, wie eine Kohlenstoffschicht 227 und/oder eine oder mehrere Silberschichten 221 oder 222, wie ebenfalls oben diskutiert wurde. Der Kondensator 200 kann auch an den Seitenwänden 224, die den Anodenkörper 213 umhüllen, ein Einbettungsharz umfassen. Die Endkappen 228 und 229 werden als Kathoden- bzw. Anoden-Endteil des Kondensators 200 bereitgestellt.
Eine weitere Ausführungsform eines Feststoff-Elektrolytkondensators, der einem Screening nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen werden kann, ist in 3 gezeigt. Bei dem Feststoff-Elektrolytkondensator 300 kann ein Anodenanschluss 360 eingesetzt werden, der in Form eines in den porösen Anodenkörper eingebetteten Drahts vorliegt. In einer solchen Ausführungsform können das Anoden- und das Kathoden-Endteil nach der Bildung des Kondensatorelements 330 elektrisch mit dem Anodendraht 360 und der festen Elektrolytschicht 354 verbunden werden. Die spezifische Konfiguration der Endteile kann variieren, wie in der Technik wohlbekannt ist. In 3 ist zum Beispiel eine Ausführungsform gezeigt, die ein Anoden-Endteil 370 und ein Kathoden-Endteil 380 umfasst. In dieser besonderen Ausführungsform enthält das Kathoden-Endteil 380 einen Abschnitt 382 in elektrischem Kontakt mit der unteren Fläche 339 des Kondensatorelements 330. Um das Kondensatorelement 330 an dem Kathoden-Endteil 380 zu befestigen, kann ein leitfähiger Kleber eingesetzt werden, wie in der Technik bekannt ist.
Der Anoden-Endteil 370 enthält einen ersten Abschnitt 376, der im Wesentlichen senkrecht zu einem zweiten Abschnitt 374 positioniert ist. Der zweite Abschnitt 374 enthält einen Bereich 351, der den Anodendraht 360 trägt. Falls gewünscht, kann der Bereich 351 eine ”U-Form” besitzen, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität des Drahts 360 weiter zu verstärken. Dann kann der Anodendraht 360 mit einem Laser oder durch ein anderes geeignetes Verfahren an den Bereich 351 geschweißt werden. Sobald das Kondensatorelement an den Endteilen befestigt ist, wird es innerhalb eines Harzgehäuses eingeschlossen, das dann mit Siliciumoxid oder einem anderen bekannten Einbettungsmaterial gefüllt werden kann. Wiederum in 3 ist zum Beispiel eine bestimmte Ausführungsform eines solchen Einbettungsgehäuses für einen Kondensator 300 als Element 388 gezeigt. Das Einbettungsgehäuse 388 sorgt für zusätzlichen strukturellen und thermischen Schutz des Kondensators 300. Nach der Einbettung können die exponierten Teile des jeweiligen Anoden- und Kathoden-Endteils altern gelassen, einem Screening unterzogen und zurechtgeschnitten werden. Falls gewünscht, können die exponierten Teile gegebenenfalls zweimal entlang der Außenseite des Gehäuses 388 (z. B. unter einem Winkel von ungefähr 90°) gebogen werden.
Eine weitere Ausführungsform eines Feststoff-Elektrolytkondensators, der einem Screening nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen werden kann, ist ein hermetisch versiegelter Kondensator, wie der in 27 gezeigte Kondensator. Wie in 27 gezeigt ist, ist ein Feststoff-Elektrolytkondensatorelement 520 unter Bildung des Kondensators 500 hermetisch in einem Gehäuse 522 eingeschlossen. Zur Bildung des Gehäuses kann eine Vielzahl verschiedener Materialien verwendet werden, wie Metalle, Kunststoffe, Keramik usw. In einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse zum Beispiel eine oder mehrere Schichten eines Metalls, wie Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer, Silber, Stahl (z. B. Edelstahl), Legierungen davon (z. B. elektrisch leitfähige Oxide), Verbundstoffe davon (z. B. mit elektrisch leitfähigem Oxid beschichtetes Metall) usw. In einer anderen Ausführungsform kann das Gehäuse eine oder mehrere Schichten eines Keramikmaterials, wie Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Glas usw. sowie Kombinationen davon, umfassen.
Das Gehäuse kann jede beliebige Form haben, wie zylindrisch, D-förmig, rechteckig, dreieckig, prismatisch usw. In 27 ist zum Beispiel eine Ausführungsform einer Kondensatorbaugruppe 500 gezeigt, die ein Gehäuse 522 und ein Kondensatorelement 520 enthält. Um die volumetrische Effizienz zu erhöhen, kann das Kondensatorelement 520 eine Länge (ohne die Länge des Anodenanschlusses 560) aufweisen, die der Länge eines durch das Gehäuse 522 definierten inneren Hohlraums 526 relativ ähnlich ist. Weiterhin sollte man sich darüber im Klaren sein, dass in 27 zwar nur ein einziges Kondensatorelement 520 gezeigt ist, das Gehäuse 522 jedoch auch mehrere Kondensatorelemente 520 umfassen kann. Man sollte sich außerdem darüber im Klaren sein, dass jedes der Kondensatorelemente 520 getrennt einem Screening nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen werden kann, bevor es in dem Gehäuse hermetisch versiegelt wird. Man sollte sich außerdem darüber im Klaren sein, dass alternativ dazu die Kondensatorelemente 520 auch in dem Gehäuse 522 hermetisch versiegelt werden können und danach die Kondensatorbaugruppe 500 selbst einem Screening nach dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung unterzogen werden kann.
Obwohl es keineswegs erforderlich ist, kann das Kondensatorelement so an dem Gehäuse befestigt sein, dass außerhalb des Gehäuses für die anschließende Integration in eine Schaltung ein Anoden-Endteil und ein Kathoden-Endteil gebildet werden. Die besondere Konfiguration der Endteile kann von dem Verwendungszweck abhängen. In einer Ausführungsform kann die Kondensatorbaugruppe zum Beispiel so geformt werden, dass sie oberflächenmontierbar und dennoch mechanisch robust ist. Zum Beispiel kann der Anodenanschluss elektrisch mit äußeren, oberflächenmontierbaren Anoden- und Kathoden-Endteilen (z. B. Feldern, Blechen, Platten, Rahmen usw.) verbunden sein. Solche Endteile können sich durch das Gehäuse hindurch erstrecken, um den Kondensator anzuschließen. Die Dicke oder Höhe der Endteile wird im Allgemeinen so gewählt, dass die Dicke der Kondensatorbaugruppe minimiert wird. Falls gewünscht, kann die Oberfläche der Endteile, wie in der Technik bekannt ist, mit Nickel, Silber, Gold, Zinn usw. galvanisiert werden, um zu gewährleisten, dass das endgültige Teil auf der Leiterplatte montierbar ist. In einer besonderen Ausführungsform werden die Endteile mit Nickel- bzw. Silber-Schutzschichten versehen, und die Montagefläche wird auch mit einer Zinnlötschicht versehen. In einer anderen Ausführungsform werden bei den Endteilen dünne äußere Metallschichten (z. B. Gold) auf einer Grundmetallschicht (z. B. Kupferlegierung) abgeschieden, um die Leitfähigkeit weiter zu erhöhen.
In bestimmten Ausführungsformen können Verbindungselemente innerhalb des Innenraums des Gehäuses eingesetzt werden, um die Verbindung mit den Endteilen in einer mechanisch stabilen Weise zu erleichtern. Wenn wir uns zum Beispiel wieder auf 27 beziehen, so kann die Kondensatorbaugruppe 500 ein Verbindungselement 562 umfassen, das aus einem ersten Teil 567 und einem zweiten Teil 565 besteht. Das Verbindungselement 562 kann aus leitfähigen Materialien ähnlich wie die äußeren Endteile bestehen. Der erste Teil 567 und der zweite Teil 565 können einstückig ausgebildet sein, oder es können separate Teile sein, die miteinander verbunden sind, entweder direkt oder über ein zusätzliches leitfähiges Element (z. B. Metall). In der gezeigten Ausführungsform befindet sich der zweite Teil 565 in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu einer seitlichen Richtung, in der sich der Anschluss 560 erstreckt (z. B. –y-Richtung), verläuft. Der erste Teil 567 ist in dem Sinne ”hochstehend”, dass er sich in einer Ebene befindet, die im Wesentlichen senkrecht zur seitlichen Richtung, in der sich der Anschluss 560 erstreckt, verläuft. Auf diese Weise kann der erste Teil 567 die Bewegung des Anschlusses 560 in der horizontalen Richtung einschränken, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität während der Verwendung zu verstärken. Falls gewünscht, kann ein isolierendes Material 570 (z. B. ein Teflon^TM-Ring) um den Anschluss 560 herum eingesetzt werden.
Der erste Teil 567 kann auch einen Montagebereich besitzen (nicht gezeigt), der mit dem Anodenanschluss 560 verbunden ist. Der Bereich kann eine ”U-Form” aufweisen, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität des Anschlusses 560 weiter zu verstärken. Die Verbindung des Bereichs mit dem Anschluss 560 kann mit Hilfe einer Vielzahl bekannter Techniken bewerkstelligt werden, wie Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw. In einer besonderen Ausführungsform wird der Bereich zum Beispiel durch Laserschweißen an dem Anodenanschluss 560 befestigt. Unabhängig von der gewählten Technik kann der erste Teil 567 jedoch den Anodenanschluss 560 in einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung halten, um die Maßhaltigkeit der Kondensatorbaugruppe 500 weiter zu verstärken.
Wenn wir uns wiederum auf 27 beziehen, so ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der das Verbindungselement 562 und das Kondensatorelement 520 über ein Anoden- und ein Kathoden-Endteil 527 bzw. 529 mit dem Gehäuse 522 verbunden ist. Das Anoden-Endteil 527 enthält einen ersten Bereich 527a, der sich innerhalb des Gehäuses 522 befindet und elektrisch mit dem Verbindungselement 562 verbunden ist, und einen zweiten Bereich 527b, der sich außerhalb des Gehäuses 522 befindet und für eine Montagefläche 201 sorgt. Ähnlich enthält das Kathoden-Endteil 529 einen ersten Bereich 529a, der sich innerhalb des Gehäuses 522 befindet und elektrisch mit dem festen Elektrolyten des Kondensatorelements 520 verbunden ist, und einen zweiten Bereich 529b, der sich außerhalb des Gehäuses 522 befindet und für eine Montagefläche 503 sorgt. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass sich nicht der gesamte Teil solcher Bereiche innerhalb oder außerhalb des Gehäuses zu befinden braucht.
In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich eine leitfähige Bahn 527c in einer Basis 523 des Gehäuses, um den ersten Bereich 527a und den zweiten Bereich 527b miteinander zu verbinden. Ähnlich erstreckt sich eine leitfähige Bahn 529c in der Basis 523 des Gehäuses, um den ersten Bereich 527a und den zweiten Bereich 527b miteinander zu verbinden. Die leitfähigen Bahnen und/oder Bereiche der Endteile können getrennt oder einstückig sein. Die Bahnen können sich nicht nur durch die Außenwand des Gehäuses erstrecken, sondern können sich auch an anderen Stellen befinden, wie außerhalb der Außenwand. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung keineswegs auf die Verwendung von leitfähigen Bahnen zur Bildung der gewünschten Endteile beschränkt.
Unabhängig von der besonderen eingesetzten Konfiguration kann die Verbindung der Endteile 527 und 529 mit dem Kondensatorelement 520 unter Verwendung jeder bekannten Technik erfolgen, wie Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw. In einer besonderen Ausführungsform wird zum Beispiel ein leitfähiger Kleber 531 verwendet, um den zweiten Teil 565 des Verbindungselements 562 mit dem Anoden-Endteil 527 zu verbinden. Ähnlich wird ein leitfähiger Kleber 533 verwendet, um die Kathode des Kondensatorelements 520 mit dem Kathoden-Endteil 529 zu verbinden. Die leitfähigen Kleber können aus leitfähigen Metallteilchen, die in einer Harzzusammensetzung enthalten sind, bestehen. Bei den Metallteilchen kann es sich um Silber, Kupfer, Gold, Platin, Nickel, Zink, Bismut usw. handeln. Die Harzzusammensetzung kann ein duroplastisches Harz (z. B. Epoxidharz), Härtungsmittel (z. B. Säureanhydrid) und Kopplungsmittel (z. B. Silan-Kopplungsmittel) umfassen. Geeignete leitfähige Kleber sind in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2006/0038304 (Osako et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Gegebenenfalls kann sich auch eine polymere Einspannung in Kontakt mit einer oder mehreren Flächen des Kondensatorelements, wie der hinteren Fläche, vorderen Fläche, oberen Fläche, unteren Fläche, Seitenflächen oder irgendeiner Kombination davon befinden. Die polymere Einspannung kann die Wahrscheinlichkeit des Abblätterns des Kondensatorelements von dem Gehäuse reduzieren. In dieser Hinsicht kann die polymere Einspannung ein bestimmtes Maß an Festigkeit besitzen, das es ihr ermöglicht, das Kondensatorelement in einer relativ fixierten Position zu halten, auch wenn es Schwingungskräften ausgesetzt ist, ist aber nicht so fest, dass sie Risse bekommt. Die Einspannung kann zum Beispiel eine Zugfestigkeit von etwa 1 bis etwa 150 Megapascal (”MPa”), in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 100 MPa, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 80 MPa und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 70 MPa besitzen, gemessen bei einer Temperatur von etwa 25°C. Es ist normalerweise wünschenswert, dass die Einspannung nicht elektrisch leitend ist.
Es kann zwar eine Vielzahl von Materialien, die die oben genannten gewünschten Festigkeitseigenschaften aufweisen, eingesetzt werden, doch hat sich gezeigt, dass härtbare duroplastische Harze zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet sind. Beispiele für solche Harze sind etwa Epoxidharze, Polyimide, Melaminharze, Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Polyurethane, Silikonpolymere, Phenolharze usw. In bestimmten Ausführungsformen können in der Einspannung zum Beispiel ein oder mehrere Polyorganosiloxane eingesetzt werden. Epoxidharze sind ebenfalls für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet. Noch weitere geeignete leitfähige Kleberharze sind auch in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2006/0038304 (Osako et al.) und im US-Patent Nr. 7,554,793 (Chacko), beschrieben, auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Falls gewünscht, können in der polymeren Einspannung auch Härtungsmittel eingesetzt werden, um zur Förderung der Härtung beizutragen. Die Härtungsmittel machen typischerweise etwa 0,1 bis etwa 20 Gew.-% der Einspannung aus. Es können auch noch andere Additive eingesetzt werden, wie Photoinitiatoren, Viskositätsmodifikatoren, Suspensionshilfsmittel, Pigmente, Entspannungsmittel, Kopplungsmittel (z. B. Silan-Kopplungsmittel), nichtleitende Füllstoffe (z. B. Ton, Siliciumoxid, Aluminiumoxid usw.), Stabilisatoren usw. Wenn sie eingesetzt werden, machen solche Additive typischerweise etwa 0,1 bis etwa 20 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung aus.
Wenn wir uns zum Beispiel wieder auf 27 beziehen, so ist eine Ausführungsform gezeigt, in der sich eine einzige polymere Einspannung 597 in Kontakt mit einer oberen Fläche 581 und einer hinteren Fläche 577 des Kondensatorelements 520 befindet. Während in 27 eine einzige Einspannung gezeigt ist, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass auch getrennte Einspannungen eingesetzt werden können, um dieselbe Funktion zu erfüllen. Tatsächlich können allgemeiner gesagt eine beliebige Zahl von polymeren Einspannungen eingesetzt werden und sich in Kontakt mit jeder gewünschten Fläche des Kondensatorelements befinden. Wenn mehrere Einspannungen eingesetzt werden, können sie miteinander in Kontakt stehen oder physisch getrennt bleiben. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine zweite polymere Einspannung (nicht gezeigt) eingesetzt werden, die mit der oberen Fläche 581 und der vorderen Fläche 579 des Kondensatorelements 520 in Kontakt steht. Die erste polymere Einspannung 597 und die zweite polymere Einspannung (nicht gezeigt) können in Kontakt miteinander stehen oder auch nicht. In noch einer anderen Ausführungsform kann eine polymere Einspannung auch mit einer unteren Fläche 583 und/oder einer oder mehreren Seitenflächen des Kondensatorelements 520 in Kontakt stehen, entweder in Verbindung mit oder anstelle von anderen Flächen.
Unabhängig davon, wie sie angebracht wird, ist es typischerweise wünschenswert, dass sich die polymere Einspannung auch in Kontakt mit wenigstens einer Fläche des Gehäuses befindet, um dazu beizutragen, das Kondensatorelement weiter gegenüber möglichem Abblättern mechanisch zu stabilisieren. Zum Beispiel kann sich die Einspannung in Kontakt mit einer Innenfläche einer oder mehrerer Seitenwände, der Außenwand, des Deckels usw. befinden. In 27 befindet sich die polymere Einspannung 597 zum Beispiel in Kontakt mit den Innenflächen 507 und 509 des Gehäuses 522. Während sie sich in Kontakt mit dem Gehäuse befindet, ist es dennoch wünschenswert, dass wenigstens ein Teil des durch das Gehäuse definierten Innenraums frei bleibt, damit das Inertgas durch den Innenraum strömen und den Kontakt des festen Elektrolyten mit Sauerstoff einschränken kann. Zum Beispiel bleiben typischerweise wenigstens etwa 5% des Innenraumvolumens frei von dem Kondensatorelement und der polymeren Einspannung, und in einigen Ausführungsformen sind es etwa 10% bis etwa 50% des Innenraumvolumens.
Sobald sie in der gewünschten Weise verbunden ist, wird die resultierende Packung hermetisch versiegelt. Wie zum Beispiel wiederum in 27 gezeigt ist, umfasst das Gehäuse 522 eine Basis 523 und einen Deckel 525, zwischen denen der Innenraum 526 gebildet wird. Der Deckel 525 und die Basis 523 können aus Keramik, Metall (z. B. Eisen, Kupfer, Nickel, Cobalt usw. sowie Legierungen davon), Kunststoff usw. bestehen. In einer Ausführungsform zum Beispiel ist die Basis 523 aus einem keramischen Material gebildet, und der Deckel 525 ist aus einem Metallmaterial gebildet. Der Deckel 525 umfasst eine Außenwand 521, die einstückig mit wenigstens einer Seitenwand 524 ausgebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform sind zum Beispiel zwei einander gegenüberliegende Seitenwände 524 im Querschnitt gezeigt. Die Höhe der Seitenwände 524 ist im Allgemeinen so, dass der Deckel 525 nicht mit einer Fläche des Kondensatorelements 520 in Kontakt kommt, so dass er nicht kontaminiert wird. Die Außenwand 521 und die Basis 523 erstrecken sich beide in einer seitlichen Richtung (–y-Richtung) und sind im Wesentlichen parallel zueinander und zur seitlichen Richtung des Anodenanschlusses 560. Die Seitenwand 524 erstreckt sich von der Außenwand 521 ausgehend in einer Längsrichtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Basis 523 verläuft. Ein distales Ende 506 des Deckels 525 ist durch die Außenwand 521 definiert, und ein proximales Ende 501 ist durch eine Lippe 553 der Seitenwand 524 definiert.
Insbesondere erstreckt sich die Lippe 553 ausgehend von der Seitenwand 524 in seitlicher Richtung, die im Wesentlichen parallel zur seitlichen Richtung der Basis 523 stehen kann. Die Lippe 553 definiert auch einen umlaufenden Rand 551, der im Wesentlichen senkrecht zur seitlichen Richtung, in der sich die Lippe 553 und die Basis 523 erstrecken, verlaufen kann. Der umlaufende Rand 551 befindet sich jenseits des äußeren Umfangs der Seitenwand 524 und kann im Wesentlichen koplanar zu einem Rand 571 der Basis 523 verlaufen. Die Lippe 553 kann mit Hilfe einer beliebigen bekannten Technik, wie Schweißen (z. B. Widerstands- oder Laserschweißen), Löten, Leim usw., an der Basis 523 versiegelt werden. Zum Beispiel wird in der gezeigten Ausführungsform ein Versiegelungselement 587 (z. B. Glas-Metall-Siegel, Kovar^®-Ring usw.) zwischen den Komponenten eingesetzt, um deren Befestigung zu erleichtern. Unabhängig davon kann die oben beschriebene Verwendung einer Lippe eine stabilere Verbindung zwischen den Komponenten ermöglichen und die Versiegelung und die mechanische Stabilität der Kondensatorbaugruppe verbessern.
Das hermetische Versiegeln erfolgt typischerweise in Gegenwart einer Gasatmosphäre, die wenigstens ein Inertgas enthält, um die Oxidation des festen Elektrolyten während der Verwendung zu hemmen. Das Inertgas kann zum Beispiel Stickstoff, Helium, Argon, Xenon, Neon, Krypton, Radon usw. sowie Gemische davon umfassen. Typischerweise bilden Inertgase den größten Teil der Atmosphäre innerhalb des Gehäuses, wie zum Beispiel etwa 50 Gew.-% bis 100 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 75 Gew.-% bis 100 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-% der Atmosphäre. Falls gewünscht, kann auch eine relativ kleine Menge an Nichtinertgasen eingesetzt werden, wie Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserdampf usw. In solchen Fällen bilden die Nichtinertgase jedoch typischerweise 15 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen 10 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 5 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Gew.-% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% der Atmosphäre innerhalb des Gehäuses. Zum Beispiel kann der Feuchtigkeitsgehalt (ausgedrückt als relative Feuchtigkeit) etwa 10% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 5% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 5% betragen.
Wie oben diskutiert, kann das Screeningverfahren der vorliegenden Erfindung auch verwendet werden, um Flüssigelektrolytkondensatoren einem Screening zu unterziehen. Ein Flüssigelektrolytkondensator umfasst im Allgemeinen einen porösen Anodenkörper, der eine dielektrische Schicht enthält, eine Kathode, die ein mit einer elektrochemisch aktiven Beschichtung (z. B. einem leitfähigen Polymer) beschichtetes Metallsubstrat enthält und einen wässrigen Elektrolyten. Die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten wird gezielt in einem bestimmten Bereich eingestellt, so dass der Kondensator bis zu einer hohen Spannung aufgeladen werden kann. Die physische Anordnung der Anode, Kathode und des Arbeitselektrolyten eines Flüssigelektrolytkondensators, der einem Screening mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen wird, kann im Allgemeinen variieren, wie in der Technik wohlbekannt ist. In 4 ist zum Beispiel eine Ausführungsform eines Flüssigelektrolytkondensators 400 gezeigt, der einen Arbeitselektrolyten 440 umfasst, der sich zwischen einer Anode 450 und einer Kathode 430 befindet. Die Anode 450 enthält einen dielektrischen Film 460 und ist mit einem Anschluss 420 (z. B. Tantaldraht) eingebettet. Die Kathode 430 kann aus einem Kathodensubstrat 410 und einem elektrochemisch aktiven Material 490 gebildet sein. Obwohl er nicht gezeigt ist, kann sich ein Separator zwischen der Kathode 430 und der Anode 450 befinden, um einen direkten Kontakt zwischen der Anode und der Kathode zu verhindern, aber das Fließen eines Ionenstroms des Arbeitselektrolyten 440 zu den Elektroden zu ermöglichen. Eine Versiegelung 470 (z. B. Glas-zu-Metall), die die Anode 450 mit der Kathode 430 verbindet und versiegelt, kann ebenfalls eingesetzt werden. Obwohl er nicht gezeigt ist, kann der Kondensator 400 auch einen Abstandshalter (nicht gezeigt) umfassen, der die Anode 450 innerhalb der Kathode 430 festhält. Der Abstandshalter kann zum Beispiel aus Kunststoff bestehen und scheibenfömig sein.
Die vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgenden Beispiele besser verständlich, die sich auf die 5–25 beziehen und die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit des Elektrolytkondensator-Screeningverfahrens der vorliegenden Erfindung zeigen. Die Beispiele 1–3 und 10 verwenden 5 als Ausgangspunkt, in der die ersten Leckströme für alle getesteten Kondensatoren in 10 Chargen aufgetragen ist und diese in Zonen getrennt sind. ”Zone 1” umfasst Teile, die einen ersten Leckstrom aufweisen, der innerhalb von drei Standardabweichungen des ersten mittleren Leckstroms liegt, welcher in diesem Fall bei einer Temperatur von 125°C und bei einer Spannung, die 2/3 der Nennspannung beträgt, gemessen wird. ”Zone-1-am-Limit” umfasst Teile, die einen ersten Leckstrom aufweisen, der innerhalb von drei Standardabweichungen des ersten mittleren Leckstroms, aber nahe an der Grenze liegt. ”Zone 2” umfasst Teile, die einen ersten Leckstrom aufweisen, der oberhalb von drei Standardabweichungen des ersten mittleren Leckstroms liegt. Die Kondensatoren in ”Zone 2” haben jedoch einen ersten Leckstrom, der kleiner ist als das Hard-Cut-Limit von 0,001·C·V_R·12. Man beachte, dass das Hard-Cut-Limit anhand der folgenden Gleichung berechnet wird: DCL-Limit = 0,001·Kapazität(C)·Nennspannung(V_R)·Temperaturfaktor(T_F), wobei der TF 12 für 125°C beträgt. Somit wird die Konstante, die bei der Berechnung des in 5 berechneten Leckstromlimits 0,001 beträgt, mit dem Produkt aus der Kapazität und der Nennspannung (V_R) multipliziert und wird weiterhin mit einem Faktor 12 multipliziert, um eine erhöhte Temperatur von 125°C zu berücksichtigen. Man beachte, dass die verwendete Konstante bei kommerziellen oder militärischen Anwendungen 0,01 betragen kann, während die verwendete Konstante bei medizinischen oder Luft- und Raumfahrtanwendungen 0,001 betragen kann. In 5 beträgt das resultierende Hard-Cut-Limit auf der Basis der oben beschriebenen Variablen oder der Fähigkeit des Produktdesigns 0,225 μA. Indessen umfasst ”Zone 3” Kondensatoren mit einem ersten Leckstrom, der sowohl oberhalb von drei Standardabweichungen des ersten mittleren Leckstroms liegt als auch größer als das Hard-Cut-Limit von 0,001·C·V_R·12 ist.
Beispiel 1
Lebensdauertest bei 125°C und 2/3 der Nennspannung
Wir beziehen uns auf die 6–9. 100 Kondensatoren pro Charge aus 10 Chargen, die in 5 in die ”Zone 1” fallen, wurden einem Burn-In bei 125°C während 42 Stunden beim 1,0-fachen der Nennspannung der Kondensatoren unterzogen. Dann wurden die Teile auf FR-4-Platten montiert und einem 1000-stündigen Lebensdauertest bei 125°C und 2/3 der Nennspannung unterzogen. Dann wurde der Leckstrom (DCL) bei einer Temperatur von 25°C und bei der Nennspannung für die Teile nach Beendigung des 1000-stündigen Tests bestimmt.
Wie man in 6 erkennt, wiesen die ”Zone-1”-Kondensatoren von 5 insgesamt einen geringfügig höheren Leckstrom in 6 nach der Montage im Vergleich mit 5 auf, die, wie oben diskutiert, die Bestimmung des ersten Leckstroms repräsentiert. Die Kondensatoren weisen jedoch einen Leckstrom auf, der noch unterhalb des vorbestimmten Hard-Cut/Ausfall-Limits von 0,225 μA für die Kondensatoren liegt. Ebenso, wie man in 7 sieht, wiesen die ”Zone-1”-Kondensatoren von 5 am Ende des 1000-stündigen Lebensdauertests bei 125°C und 2/3 der Nennspannung insgesamt einen geringfügig höheren Leckstrom in 7 im Vergleich mit 5 und 6 auf. Die Kondensatoren weisen jedoch einen Leckstrom auf, der immer noch unter der Ausfallgrenze für die Kondensatoren von 0,225 μA liegt.
Indessen zeigt 8 die Leckstrommessungen für die Kondensatoren von ”Zone 1”, wie sie zu verschiedenen Zeitpunkten während der Lebensdauertests bestimmt wurden. Ein Kondensator fiel durch, weil er während des gesamten Tests einen Leckstrom oberhalb der Grenze von 0,225 μA aufwies, wie es durch das gestrichelte Oval angezeigt wird, während drei andere Kondensatoren bei der 24-Stunden-DCL-Leckstrommessung Leckströme oberhalb der Grenze von 0,225 μA aufwiesen, sich aber beim weiteren Lebensdauertest bis zu 1000 Stunden stabilisierten. Man beachte, dass diese durchgefallenen Kondensatoren bei Verwendung des Screeningverfahrens der vorliegenden Erfindung entfernt worden wären, aber die Tests wurden mit den durchgefallenen Kondensatoren fortgesetzt, um zu sehen, wie sie sich im langfristigen Test verhalten würden. Wie gezeigt, lag der Leckstrom für einige der Kondensatoren während des Tests oberhalb der Schwellengrenze, fiel aber dann am Ende des Tests unter die Schwellengrenze. Das Screeningverfahren der vorliegenden Erfindung nicht zu befolgen und nur auf die Endpunkt-Lebensdauertestdaten zu sehen, könnte also dazu führen, dass Kondensatoren mit instabilen Kennwerten akzeptiert werden.
Dann zeigt 9 die Veränderung des Leckstroms (DCL) für jedes der ”Zone-1”-Teile, die einem 1000-stündigen Lebensdauertest bei 125°C und 2/3 der Nennspannung unterzogen worden waren, von 7 im Vergleich zu dem Leckstrom nach der Montage von 6. Wie gezeigt, wird die Graphik der während des 1000-stündigen Tests bei 125°C beobachteten DCL-Verschiebung durch eine sich gut verhaltende Population mit einer vernachlässigbaren mittleren DCL-Verschiebung repräsentiert.
Beispiel 2
Lebensdauertest bei 85°C und Nennspannung
Wir beziehen uns auf die 10–13. 10 Kondensatoren pro Charge aus 10 Chargen, die in 5 in die ”Zone 1” fallen, wurden einem Burn-In bei 125°C während 42 Stunden beim 1,0-fachen der Nennspannung der Kondensatoren unterzogen. Dann wurden die Teile auf FR-4-Platten montiert und einem 2000-stündigen Lebensdauertest bei 85°C und der Nennspannung unterzogen. Dann wurde der Leckstrom (DCL) für die Teile in verschiedenen Stadien des 2000-stündigen Lebensdauertests bestimmt. Wie man anhand der 10 Graphiken, die repräsentativ für die 10 Chargen sind, erkennt, lagen alle Kondensatoren nach 2000 Stunden Lebensdauertest unterhalb der DCL-Schwellengrenze (die durch die dicke Linie gezeigt wird), was darauf hinweist, dass das iterative Screeningverfahren der beigefügten Ansprüche wirksam instabile Kondensatoren aus den getesteten Chargen entfernt. Man beachte, dass die Schwellengrenze anhand der folgenden Gleichung berechnet wird: DCL-Limit = 0,0025·Kapazität(C)·Nennspannung(V_R)·Temperaturfaktor(TF), wobei der TF 1 für 25°C, 10 für 85°C und 12 für 125°C beträgt.
Beispiel 3
Lebensdauertest bei 85°C und Nennspannung, Nichtstandardpopulation
Als nächstes wurden individuelle Kondensatoren mit einem während des Burn-In bei 125°C grenzwertigen oder anomalen Verhalten erfasst, in die Kategorien ”Zone-1-am-Limit” (d. h. 14), ”Zone-2-nach-Zone-1-Wechsler” (d. h. 15) oder ”Zone 2” (d. h. 16) eingeteilt und einem Lebensdauertest bei 85°C und Nennspannung unterzogen.
14 zeigt eine Graphik, die die Leckströme der Kondensatoren mit den zehn höchsten ersten Leckstrommessungen nachzeichnet, die bei der Leckstrommessung der ersten Iteration von 5 noch innerhalb des Cutoff-Limits von drei Standardabweichungen (d. h. ”Zone 1”) fielen. Obwohl diese 10 Kondensatoren erste Leckstrommessungen nahe bei dem Cutoff-Limits von drei Standardabweichungen aufweisen, blieben die Kondensatoren während des gesamten Lebensdauertests stabil, was auf die relative Wirksamkeit des im iterativen Screeningverfahren der beigefügten Ansprüche verwendeten Leckstrom-Cutoff-Limits von drei Standardabweichungen hinweist.
15 zeigt eine Graphik, die das Leckstromverhalten von Kondensatoren nachzeichnet, die beim ersten Leckstrom-Screening vor dem Burn-In durchfielen, weil sie Leckströme oberhalb des Cutoff-Limits von drei Standardabweichungen aufwiesen, und somit zunächst als ”Zone-2”-Teile kategorisiert wurden. Während des Burn-In wiesen diese ”Zone-2”-Teile jedoch eine Selbstheilung auf, so dass ihr Leckstrom der zweiten Iteration soweit reduziert wurde, dass er innerhalb des Cutoff-Limits von drei Standardabweichungen des zweiten Leckstroms fiel (nach dem Burn-In). Während diese Kondensatoren Lebensdauertests bestehen, indem sie sich nach 2000 Stunden innerhalb des Limits von drei Standardabweichungen befinden, weist das iterative Screeningverfahren der beigefügten Ansprüche diese Kondensatoren ab. Obwohl die Kondensatoren technisch den Lebensdauertest bestehen würden, garantiert die Instabilität während des Lebensdauertests die Entfernung solcher Kondensatoren aus ihren jeweiligen Chargen.
Dann ist 16 eine Graphik, die das Leckstromverhalten von Kondensatoren zeigt, die die Schwellengrenze des ersten Leckstroms von drei Standardabweichungen überstiegen, aber innerhalb des Hard-Cut-Leckstrom-Limits lagen, das 0,001·C·V_R·12 betrug. Obwohl die Mehrzahl der Kondensatoren während des Lebensdauertests bei 85°C stabil zu sein scheinen, ist es wahrscheinlich, dass diese Population instabile Kondensatoren enthält, wie durch die drei durchgefallenen Einheiten demonstriert wird, die durch die drei gestrichelten Linien repräsentiert werden.
Wie man anhand der Beispiele 1–3 erkennt, ist das iterative Screeningverfahren der vorliegenden Erfindung insofern hochgradig zuverlässig, als ein Lebensdauertest mit einer Stichprobengröße von 1000 durchmusterten Kondensatoren bei 125°C bei 2/3 der Nennspannung während 1000 Stunden und bei 85°C bei der vollen Nennspannung während 2000 Stunden bis zu einer Qualifikationsleckstromgrenze von 0,005·C·V_R, was der Hälfte der derzeitigen militärischen Standardanforderungen für Lebensdauertests, die 0,01·C·V_R beträgt, entspricht, zu null Ausfällen führt.
Beispiel 4
Vergleich des DCL vor dem Burn-In und nach dem Burn-In
Weiterhin wurde der Leckstrom von Kondensatoren bei 125°C und 2/3 der Arbeitsspannung nach 15 Sekunden Einweichen vor dem Burn-In bestimmt, wobei man das Verfahren der vorliegenden Erfindung und zum Vergleich das Weibull-Verfahren verwendete. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wurde das Burn-In bei 125°C durchgeführt, während das Burn-In beim Weibull-Verfahren bei 85°C durchgeführt wurde. Wie in 17 gezeigt ist, war der Leckstrom vor dem Burn-In im Allgemeinen höher als beide Leckströme nach dem Burn-In und lag im Bereich von etwa 0,7 μA bis etwa 1,2 μA. Indessen lag der Leckstrom nach dem Burn-In beim Weibull-Verfahren im Bereich von etwa 0,6 μA bis etwa 1,3 μA, und der Leckstrom nach dem Burn-In beim Verfahren der vorliegenden Erfindung lag im Bereich von etwa 0,4 μA bis etwa 1,0 μA. Während 17 die Parameterverschiebung im Leckgleichstrom demonstriert, die aus dem Burn-In-Verfahren der vorliegenden Anmeldung resultiert, wobei der gesamte Leckgleichstrom signifikant niedriger ist, zeigt 17 auch, dass der Leckgleichstrom von potentiell geschädigten Teilen erhöht wurde, wie bei den Teilen, die einen Leckstrom von etwa 0,8 μA bis etwa 1,0 μA aufweisen, was die Wirksamkeit des statistischen Screeningverfahrens der vorliegenden Erfindung verbessern kann.
Beispiel 5
Lebensdauertest bei 85°C mit Kondensatoren, die das erste DCL-Screening bestanden haben oder dabei durchgefallen sind
Als nächstes wurde die Verschiebung des Leckstroms nach einem Lebensdauertest bei 85°C für 2 Mengen von Kondensatoren aus einer Charge verglichen, wobei 1 Menge das erste Leckstrom-Screening (vor dem Burn-In) bestanden hat und 1 Menge beim ersten Leckstrom-Screening (vor dem Burn-In) durchgefallen ist. Der Lebensdauertest wurde 2000 Stunden lang bei 85°C durchgeführt, und danach wurde die Verschiebung des Leckstroms für jede Menge von Kondensatoren bestimmt. Die Ergebnisse sind in 18 gezeigt, wo angegeben ist, dass Kondensatoren, die im Verfahren der vorliegenden Anmeldung während dem ersten Leckstrom-Screening (vor dem Burn-In) entfernt worden wären, nach dem Lebensdauertest eine beträchtliche Verschiebung des Leckstroms zeigen, während die Kondensatoren, die das erste Leckstrom-Screening (vor dem Burn-In) bestanden haben und für ein späteres Screening angenommen wurden, nach dem Lebensdauertest nur eine geringe Verschiebung des Leckstroms zeigten.
18 zeigt also, dass das Verfahren der vorliegenden Anmeldung inhomogene Mängel bei den getesteten Kondensatoren vor dem Burn-In-Verfahren durch einen Screeningschritt auf der Basis des Leckstroms ausmerzen kann, wobei potentiell instabile Kondensatoren entfernt werden. Ohne diesen Screeningschritt können diese potentiell instabilen Kondensatoren nach dem Burn-In während des Screenings aufgrund des während des Burn-In induzierten Heilungsvorgangs in die gute Kondensatoren repräsentierende DCL-Verteilung rutschen, aber nach dem Lebensdauertest können diese potentiell instabilen Kondensatoren, wie in 18 gezeigt ist, eine beträchtliche Verschiebung des Leckstroms zeigen, was darauf hinweist, dass diese Kondensatoren Mängel aufweisen, die für den Rest der Kondensatoren in der Charge uncharakteristisch sind. Andererseits reduziert oder beseitigt die Verwendung eines statistischen Screenings vor dem Burn-In bei 125°C, wie es in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist, die Möglichkeit, dass diese kleine Menge von potentiell parametrisch instabilen Kondensatoren in die freigegebene Charge gelangt.
Beispiel 6
Vergleich der Leckstrombestimmung bei 25°C und bei 125°C
Wie oben diskutiert wurde, bestimmt das Screeningverfahren der vorliegenden Anmeldung den Leckstrom der durchmusterten Kondensatoren bei erhöhten Temperaturen. 19 zeigt, wie die Bestimmung des Leckstroms bei erhöhten Temperaturen die Fähigkeit erhöht, individuelle Leckstromschwankungen bei Kondensatoren innerhalb einer Charge von Kondensatoren nachzuweisen, die normalerweise beim Testen bei 25°C (Raumtemperatur) unentdeckt bleiben würden. Wie gezeigt, zeigen die bei 25°C getesteten Kondensatoren keine Parameterverschiebung im Leckstrom, während ein Teil der bei 125°C getesteten Kondensatoren eine Parameterverschiebung im Leckstrom zeigen, wobei der Leckstrom dieser Kondensatoren im Bereich von etwa 2 μA bis etwa 10 μA liegt. Wäre die Temperatur, bei der der Leckstrom gemessen wurde, nicht erhöht worden, wären diese Ausreißerkondensatoren nicht entdeckt und aus der Charge ausgesiebt worden, was bedeutet, dass potentiell instabile Kondensatoren durch das Screening gelangt wären.
Beispiel 7
Nachgewiesene DCL-Verbesserung mit Burn-In bei erhöhter Temperatur
Die 20 und 21 zeigen die Verbesserung des gesamten Leckstroms, wenn die Burn-In-Temperatur gegenüber des herkömmlichen Burn-In bei 85°C, das mit dem Weibull-Verfahren einhergeht, erhöht ist. Zum Beispiel zeigt 20 den Leckstrom vor dem Burn-In für eine Kondensatorcharge im Vergleich zum Leckstrom nach dem Burn-In-Verfahren bei 125°C, das in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird, und dem Burn-In-Verfahren bei 85°C, das mit dem Weibull-Verfahren einhergeht. Der Leckstrom von Kondensatoren, die einem Burn-In bei der erhöhten Temperatur von 125°C unterzogen wurden, ist im Allgemeinen geringer als der von Kondensatoren, die einem Burn-In mit Hilfe des Weibull-Verfahrens unterzogen wurden, doch gleichzeitig können gegebenenfalls vorhandene Ausreißer leichter entlarvt werden. Indessen zeigt 21, dass der reduzierte DCL nach dem Burn-In-Verfahren bei 125°C, das in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird, über mehrere Chargen hinweg wiederholbar ist.
Beispiel 8
Lebensdauertest bei 125°C und 2/3 der Arbeitsspannung während 1000 Stunden
Als nächstes vergleicht 22 den Leckstrom von Kondensatoren, die das anfängliche Leckstrom-Screening und das Burn-In-Verfahren bei 125°C, wie es in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird, durchlaufen haben, mit dem Leckstrom von Kondensatoren, die ein Burn-In-Verfahren bei 85°C nach dem Weibull-Verfahren durchlaufen haben, nach 1000 Stunden Lebensdauertest bei 125°C und 2/3 der Arbeitsspannung, wobei das angegebene Hard-Cut-Leckstromlimit auf 0,225 μA festgesetzt war. Der Leckstrom wurde bei 25°C bei der Arbeitsspannung der Kondensatoren nach einer Einwirkzeit von 30 Sekunden bestimmt. Zehn Kondensatoren aus 10 Chargen, die nach dem in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Verfahren durchmustert worden waren, wurden zusammen mit 170 Kondensatoren, die einem Burn-In gemäß dem herkömmlichen Weibull-Verfahren bei 85°C unterzogen worden waren, getestet.
Wie gezeigt, fielen zwei Kondensatoren, die einem Burn-In nach dem Weibull-Verfahren unterzogen worden waren, nach dem Lebensdauertest durch, weil ihre Leckströme oberhalb der vorbestimmten Grenze von 0,225 μA lagen. Insbesondere wiesen die beiden durchgefallenen Teile Leckströme nach dem Burn-In von etwa 0,4 μA und 0,5 μA auf. Andererseits fiel keiner der Kondensatoren, die einem Burn-In nach dem Verfahren der vorliegenden Anmeldung unterzogen worden waren, durch, da keiner der Kondensatoren einen Leckstrom oberhalb der Grenze von 0,225 μA aufwies.
Beispiel 9
Wirkung des Screeningverfahrens auf den Leckstrom
Weiterhin wurden die Leckströme von 10 Kondensatoren, die als Stichprobe aus 10 Chargen von Kondensatoren, die dem Screeningverfahren der vorliegenden Anmeldung unterzogen worden waren, entnommen wurden, nach dem Lebensdauertest bei 85°C und der Nennspannung während 2000 Stunden mit den entsprechenden Leckströmen vor dem Lebensdauertest verglichen. Wie in 23 gezeigt ist war nach 2000 Stunden Lebensdauertest die Verschiebung des Leckstroms vor und nach dem Lebensdauertest vernachlässigbar.
Beispiel 10
Lebensdauertest mit Zone-1-, Zone-1-am-Limit- und Zone-2-Teilen bei 85°C während 2000 Stunden
In einem anderen Beispiel wurde der Leckstrom von Kondensatoren in 10 Chargen nach einem Burn-In bei 125°C bestimmt. Dann wurden die Kondensatoren in ”Zone-1”-Kondensatoren, ”Zone-1-am-Limit”-Kondensatoren und ”Zone-2”-Kondensatoren gruppiert, wie es oben anhand von 5 diskutiert wurde. ”Zone 1” umfasste die Kondensatoren, die einen Leckstrom aufweisen, der innerhalb von drei Standardabweichungen des mittleren Leckstroms liegt, welcher in diesem Fall bei einer Temperatur von 125°C und bei einer Spannung, die 2/3 der Nennspannung beträgt, gemessen wird. ”Zone-1-am-Limit” umfasste Kondensatoren, die einen Leckstrom aufweisen, der innerhalb von drei Standardabweichungen des mittleren Leckstroms liegt, die aber auch Leckströme nahe an der Grenze von drei Standardabweichungen aufweisen (d. h. die Kondensatoren, die die 10 höchsten Leckströme nach dem Burn-In aufwiesen, befanden sich innerhalb der Grenze von drei Standardabweichungen). ”Zone 2” umfasste Kondensatoren, die einen Leckstrom aufweisen, der oberhalb von drei Standardabweichungen des mittleren Leckstroms liegt, der aber auch kleiner war als das Hard-Cut-Limit von 0,225 μA. Nach der Gruppierung der Kondensatoren in die geeigneten Zonen wurden die Kondensatoren 2000 Stunden Lebensdauertest bei 85°C unterzogen. Dann wurde der Leckstrom für jeden der Kondensatoren in jeder Zone bei 25°C gemessen.
Wie in 24 gezeigt ist, fielen drei Kondensatoren, die in ”Zone 2” gruppiert waren und sich vor dem Lebensdauertest innerhalb des Hard-Cut-Leckstromlimits von 0,225 μA befanden, nach dem Lebensdauertest durch und wiesen Leckströme von etwa 0,75 μA, 1,5 μA und 2,75 μA auf. Indessen wiesen alle ”Zone-1”-Teile und ”Zone-1-am-Limit”-Teile nach dem Lebensdauertest Leckströme unterhalb der 0,225-μA-Grenze auf. Dies deutet darauf hin, dass die herkömmlichen Hard-Cut-Limits nicht effektiv Teile beseitigen, die später Probleme mit der Zuverlässigkeit haben, wie die Kondensatoren, die Leckströme aufwiesen, welche sich zunächst innerhalb des Hard-Cut-Limits befanden, aber nach dem Lebensdauertest Leckströme oberhalb des Hard-Cut-Limits aufwiesen.
25 ist eine auseinandergezogene Ansicht von 24 und zeigt, dass der Leckstrom der ”Zone-2”-Teile im Vergleich zu den ”Zone-1”- und ”Zone-1-am-Limit”-Teilen erhöht ist, was auf mögliche Probleme mit der Zuverlässigkeit der ”Zone-2”-Teile hindeutet.
Beispiel 11
Berechnung der Ausfallrate für ein Konfidenzniveau von 60%

In Beispiel 11 zeigt die folgende Tabelle 1 die Ausgangswerte und Ergebnisse für eine Berechnung der Ausfallrate unter Verwendung der oben diskutierten Formeln. In Beispiel 11 wurde ein Konfidenzniveau von 60% gewählt, und 30 Kondensatoren mit einer Nennspannung von 10 Volt wurden 6 Stunden lang bei einer Temperatur von 125°C bei 2/3 der Nennspannung, also 6,6 Volt, getestet. Dann wurde die vorhergesagte Ausfallrate unter der Annahme berechnet, dass der Kunde die Kondensatoren bei 25°C und bei einer Spannung von 5 Volt verwenden würde. Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, war das Testen der Kondensatoren bei 125°C während 6 Stunden bei 6,6 Volt gleichwertig mit etwa 2000000 Stunden bei 25°C und 5 Volt und führte zu einer vorhergesagten Ausfallrate von etwa 0,0029% Ausfällen pro 1000 Stunden.

Beispiel 11: Berechnung der Ausfallrate für das iterative Screeningverfahren
Ausgangswerte	(10-V-Teil)	Ergebnisse

Nennspannung (V)	10	Komponentenstunden² (Äquivalent bei Anwendungstemp.)	1978593
Zahl der getesteten Kondensatoren	30	Komponentenjahre (Äquivalent bei Anwendungstemp.)	225,71
Testdauer (Stunden)	6	Testbeschleunigungsfaktor³ (Temperatur)	38234,21
Testtemperatur (°C)	125	Testbeschleunigungsfaktor⁴ (Spannung)	0,287496
Testspannung (V)	6,6	Anwendungsbeschleunigungsfaktor⁵ (Spannung)	0,1250
Zahl der Ausfälle	0
Konfidenzniveau (%)	60	Ausfallrate⁶ (Prozent Ausfälle pro 1000 Stunden)	0,002894
Anwendungstemperatur (°C)	25	MTBF (mittlere Zeit zwischen Ausfällen) (Stunden)	34549607
Anwendungsspannung (V)	5
Aktivierungsenergie¹ eines Tantaldeckels (eV)	1,08

Annahmen und Faktoren in den Formeln:

¹ Die Aktivierungsenergie ist justierbar.
² Die äquivalenten Komponentenstunden beruhen auf dem MIL-HDBK-217-Modell für Feststoff-Tantalkondensatoren, und die bei der Testtemperatur getesteten Gesamtkomponentenstunden werden mit dem Testtemperaturbeschleunigungsfaktor und dem Testspannungsbeschleunigungsfaktor multipliziert, um die beim Berechnen der Ausfallrate verwendeten äquivalenten Komponentenstunden zu erhalten.
³ Der Testtemperaturbeschleunigungsfaktor beruht auf dem Arrhenius-Modell; die Temperaturen sind in Kelvin, und die Boltzmann-Konstante beträgt 8,63 × 10^–5 eV/K.
⁴ Der Testspannungsbeschleunigungsfaktor ist die Testspannung, dividiert durch die Nennspannung, hoch drei
⁵ Der Anwendungsspannungsbeschleunigungsfaktor ist die Anwendungsspannung, dividiert durch die Nennspannung, hoch drei
⁶ Vorhersagen der Ausfallrate beruhen auf einer Chi-Quadrat-Verteilung; die Freiheitsgrade bei Verwendung der Chi-Quadrat-Verteilung sind die Zahl der Ausfälle plus 1 multipliziert mit 2; und die berechnete Ausfallrate wird mit dem Anwendungsspannungsbeschleunigungsfaktor multipliziert, um die endgültige Ausfallrate zu erhalten.

Tabelle 1
Beispiel 12
Berechnung der Ausfallrate für ein Konfidenzniveau von 90%

In Beispiel 12 zeigt die folgende Tabelle 2 die Ausgangswerte und Ergebnisse für eine Berechnung der Ausfallrate unter Verwendung der oben diskutierten Formeln. In Beispiel 12 wurde ein Konfidenzniveau von 90% gewählt, und 30 Kondensatoren mit einer Nennspannung von 10 Volt wurden 6 Stunden lang bei einer Temperatur von 125°C bei 2/3 der Nennspannung, also 6,6 Volt, getestet. Dann wurde die vorhergesagte Ausfallrate unter der Annahme berechnet, dass der Kunde die Kondensatoren bei 25°C und bei einer Spannung von 5 Volt verwenden würde. Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, war das Testen der Kondensatoren bei 125°C während 6 Stunden bei 6,6 Volt gleichwertig mit etwa 2000000 Stunden bei 25°C und 5 Volt und führte zu einer vorhergesagten Ausfallrate von etwa 0,0072% Ausfällen pro 1000 Stunden.

Beispiel 12: Berechnung der Ausfallrate für das iterative Screeningverfahren
Ausgangswerte	(10-V-Teil)	Ergebnisse

Nennspannung (V)	10	Komponentenstunden² (Äquivalent bei Anwendungstemp.)	1978593
Zahl der getesteten Kondensatoren	30	Komponentenjahre (Äquivalent bei Anwendungstemp.)	225,71
Testdauer (Stunden)	6	Testbeschleunigungsfaktor³ (Temperatur)	38234,21
Testtemperatur (°C)	125	Testbeschleunigungsfaktor⁴ (Spannung)	0,287496
Testspannung (V)	6,6	Anwendungsbeschleunigungsfaktor⁵ (Spannung)	0,1250
Zahl der Ausfälle	0
Konfidenzniveau (%)	90	Ausfallrate⁶ (Prozent Ausfälle pro 1000 Stunden)	0,007273
Anwendungstemperatur (°C)	25	MTBF (mittlere Zeit zwischen Ausfällen) (Stunden)	13748671
Anwendungsspannung (V)	5
Aktivierungsenergie¹ eines Tantaldeckels (eV)	1,08

Annahmen und Faktoren in den Formeln:

Tabelle 2
Diese und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung können vom Fachmann praktisch umgesetzt werden, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen ganz oder teilweise gegeneinander ausgetauscht werden können. Weiterhin wird der Fachmann anerkennen, dass die obige Beschreibung nur beispielhaften Charakter hat und die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen näher beschrieben ist, nicht einschränken soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5357399 [0072]
US 6751085 [0072]
US 6643121 [0072]
US 6849292 [0072]
US 6673389 [0072]
US 6813140 [0072]
US 6699767 [0072]
US 7554793 [0084]

Claims

Verfahren zum iterativen Screening einer Charge von Elektrolytkondensatoren, die eine vorbestimmte Nennspannung aufweisen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Messen eines ersten Leckstroms bei einer ersten Menge von Kondensatoren in der Charge und das Berechnen eines ersten mittleren Leckstroms aus den Ergebnissen; das Entfernen von Kondensatoren, die einen gemessenen ersten Leckstrom aufweisen, der größer oder gleich einem ersten vorbestimmten Wert ist, aus der ersten Menge, wodurch eine zweite Menge von Kondensatoren entsteht, wobei der erste vorbestimmte Wert eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des ersten mittleren Leckstroms liegt; das Durchführen einer Burn-In-Behandlung mit der zweiten Menge von Kondensatoren, wobei die Burn-In-Behandlung das Anlegen einer vorbestimmten Testspannung, die etwa 0,8 bis etwa 1,2 mal die Nennspannung beträgt, an die Kondensatoren umfasst; nach der Burn-In-Behandlung Messen eines zweiten Leckstroms bei der zweiten Menge von Kondensatoren, Berechnen eines zweiten mittleren Leckstroms aus demselben; und Entfernen von Kondensatoren, die einen gemessenen zweiten Leckstrom aufweisen, der größer oder gleich einem zweiten vorbestimmten Wert ist, aus der zweiten Menge, wodurch eine dritte Menge von Kondensatoren entsteht, wobei der zweite vorbestimmte Wert eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des zweiten mittleren Leckstroms liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Leckstrom bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 20°C bis etwa 150°C bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste vorbestimmte Wert drei oder mehr Standardabweichungen oberhalb des ersten mittleren Leckstroms liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Burn-In-Wärmebehandlung während einer Zeitdauer erfolgt, die im Bereich von etwa 25 Stunden bis etwa 75 Stunden liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Testspannung im Bereich vom etwa 0,9- bis etwa 1,1-fachen der vorbestimmten Nennspannung liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Burn-In-Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt wird, die in einem Bereich von etwa 100°C bis etwa 150°C liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Leckstrom bei einer Temperatur bestimmt wird, die in einem Bereich von etwa 20°C bis etwa 150°C liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der zweite vorbestimmte Wert drei oder mehr Standardabweichungen oberhalb des zweiten mittleren Leckstroms liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend das Löten der ersten Menge, der zweiten Menge und/oder der dritten Menge von Kondensatoren durch ein Reflow-Verfahren.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Reflow-Verfahren in einem Konvektionsofen bei einem Spitzentemperaturprofil im Bereich von etwa 200°C bis etwa 280°C stattfindet.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die zweite Menge von Kondensatoren durch ein Reflow-Verfahren gelötet wird, wobei das Löten zwischen der Burn-In-Wärmebehandlung und der zweiten Leckstrombehandlung erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die dritte Menge von Kondensatoren durch ein Reflow-Verfahren gelötet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend die Schritte: Messen eines dritten Leckstroms bei der dritten Menge von Kondensatoren und Berechnen eines dritten mittleren Leckstroms aus demselben; Entfernen von Kondensatoren, die einen gemessenen dritten Leckstrom aufweisen, der größer oder gleich einem dritten vorbestimmten Wert ist, aus der dritten Menge, wobei der dritte vorbestimmte Wert eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des dritten mittleren Leckstroms liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der dritte Leckstrom bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 15°C bis etwa 35°C bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der dritte vorbestimmte Wert drei oder mehr Standardabweichungen oberhalb des dritten mittleren Leckstroms liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Kondensatoren Festelektrolytkondensatoren sind.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Festelektrolytkondensatoren hermetisch versiegelt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Kondensatoren Flüssigelektrolytkondensatoren sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Kondensatoren eine Anode umfassen, die Tantal- oder Nioboxid enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste vorbestimmte Wert kleiner ist als das Produkt 0,01 mal der Kapazität mal der Nennspannung der Kondensatoren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die erste Menge alle Kondensatoren in der Charge umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei mehrere Chargen von Kondensatoren einem iterativen Screening unterzogen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 22, weiterhin umfassend die Verwendung eines mittleren Leckstroms für jede der mehreren Chargen von Kondensatoren zur Berechnung eines großen mittleren Leckstroms aus demselben, wobei der mittlere Leckstrom für jede der mehreren Chargen von Kondensatoren der mittlere Leckstrom für die zweite Menge, die dritte Menge oder jede andere anschließende Menge von iterativ durchmusterten Kondensatoren in der Charge ist; und Entfernen aller Chargen, die einen mittleren Leckstrom größer oder gleich einem vierten vorbestimmten Wert aufweisen, wobei der vierte vorbestimmte Wert eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des großen mittleren Leckstroms liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei der vierte vorbestimmte Wert drei oder mehr Standardabweichungen oberhalb des großen mittleren Leckstroms liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend das Bestimmen einer vorhergesagten Ausfallrate für die Charge der Kondensatoren, wobei Kondensatoren, die aus der ersten Gruppe entfernt wurden, von der Berechnung zur Bestimmung der vorhergesagten Ausfallrate ausgeschlossen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei bei der Berechnung der vorhergesagten Ausfallrate ein Spannungs-Beschleunigungsfaktor auf der Basis der an die Charge von Kondensatoren während eines Lebensdauer-Testverfahrens angelegten Spannung und ein Temperatur-Beschleunigungsfaktor auf der Basis der Temperatur, bei der das Lebensdauer-Testverfahren stattfindet, verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei die vorhergesagte Ausfallrate im Bereich von etwa 0,00001% Ausfälle pro 1000 Stunden bis etwa 0,008% Ausfälle pro 1000 Stunden liegt, wenn mit einem Konfidenzniveau von etwa 99,9% bestimmt wird.
Verfahren zur Lieferung einer Charge von Kondensatoren an einen Kunden, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Bestimmen einer Nennspannung bei den Kondensatoren; das iterative Screening der Kondensatoren, wobei bei jeder Iteration Kondensatoren, deren Leckstrom oberhalb eines vorbestimmten Werts liegt, aus der Charge entfernt werden; wobei der vorbestimmte Wert eine oder mehrere Standardabweichungen oberhalb des bei der Iteration jeweils gemessenen mittleren Leckstroms liegt; und Liefern der Charge von Kondensatoren an den Kunden, ohne die Nennspannung herabzusetzen.
Verfahren gemäß Anspruch 28, weiterhin umfassend das Berechnen eines großen mittleren Leckstroms für mehrere Chargen von Kondensatoren, wobei die an den Kunden zu liefernde Charge bei der Berechnung des großen mittleren Leckstroms mit eingeschlossen ist, und Überprüfen, dass der mittlere Leckstrom für die Charge innerhalb von einer oder mehreren Standardabweichungen vom großen mittleren Leckstrom liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei der mittlere Leckstrom für die Charge innerhalb von drei Standardabweichungen vom großen mittleren Leckstrom liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 28, weiterhin umfassend das Informieren des Kunden über eine vorhergesagte Ausfallrate für die Charge der Kondensatoren, wobei Kondensatoren, die während eines Screenings der ersten Iteration, das vor einer Burn-In-Wärmebehandlung erfolgt, aus der Charge entfernt wurden, von der Berechnung zur Bestimmung der vorhergesagten Ausfallrate ausgeschlossen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 31, wobei bei der Berechnung der vorhergesagten Ausfallrate ein Spannungs-Beschleunigungsfaktor auf der Basis der an die Charge von Kondensatoren während eines Lebensdauertests angelegten Spannung und ein Temperatur-Beschleunigungsfaktor auf der Basis der Temperatur, bei der der Lebensdauertest stattfindet, verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 31, wobei die vorhergesagte Ausfallrate im Bereich von etwa 0,00001% Ausfälle pro 1000 Stunden bis etwa 0,008% Ausfälle pro 1000 Stunden liegt, wenn mit einem Konfidenzniveau von etwa 90% bestimmt wird.
Verfahren zur Berechnung einer vorhergesagten Ausfallrate bei Elektrolytkondensatoren, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Durchführen einer Burn-In-Behandlung mit den Kondensatoren bei einer ersten Temperatur und einer ersten Spannung während einer ersten Zeitdauer; das Durchführen eines Lebensdauertests mit den Kondensatoren bei einer zweiten Temperatur und einer zweiten Spannung während einer zweiten Zeitdauer; und das Bestimmen der Anzahl der Kondensatoren, die nach dem Lebensdauertest ausgefallen sind, bezogen auf die Anzahl der Kondensatoren, die einen Leckstrom oberhalb eines vorbestimmten Werts aufweisen, wobei Kondensatoren, die vor der Burn-In-Behandlung ausgefallen sind, von der Berechnung zur Bestimmung der vorhergesagten Ausfallrate ausgeschlossen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 34, wobei bei der Berechnung der vorhergesagten Ausfallrate weiterhin ein Spannungs-Beschleunigungsfaktor auf der Basis der an die Charge von Kondensatoren während eines Lebensdauertests angelegten Spannung und ein Temperatur-Beschleunigungsfaktor auf der Basis der Temperatur, bei der der Lebensdauertest stattfindet, verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 34, wobei die vorhergesagte Ausfallrate im Bereich von etwa 0,00001% Ausfälle pro 1000 Stunden bis etwa 0,008% Ausfälle pro 1000 Stunden liegt, wenn mit einem Konfidenzniveau von etwa 90% bestimmt wird.