宇宙用セラミックキャパシタ（概要）

ここではNASAの以下レポートの中から、現在適用されているセラミックキャパシタの概要と、宇宙用キャパシタと民生キャパシタの考え方の違いについて、紹介しています。詳細は以下NASAレポートを参照ください。このレポートでは、信頼性の高いセラミックキャパシタの設計から適切な評価方法、セラミックキャパシタに関わる現在のプロセスの問題点まで詳細に記載されています。

NASA Electronic Parts and Packaging (NEPP) Program
Cracking Problems in Low-Voltage Chip Ceramic Capacitors
"https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20190001592/downloads/20190001592.pdf"

1,現在におけるセラミックキャパシタ

Multilayer ceramic capacitors (MLCCs)は、電気組立品の中の部品の大半を構成しており、主にフィルタリング、バイパス、またはでカップリングデバイスとして適用されています。2010年以降、世界中で毎年1兆個以上のMLCCsが製造され、主にスマートフォン、PC、TV、そして自動車産業で消費されています。これにより、MLCCsはもっとも広く適用されているパッシブ部品となります。初期の世代の携帯電話は数十個のMLCCsが使用されていますが、現代のスマートフォンは600個を超えています。電子機器での消費は自動車セクター内で特に増えている。今日の多くの車両は、”ボンネットの下”（エンジンコントロール）アプリケーションと客室の両方で、300を超えるMLCCsが適用されています。しかしながら、最近の電気自動車であるテスラモデルは１車両あたり10,000個を超えるMLCCsがあります。ほとんどの商用アプリケーションでは、より安くより小さいサイズのMLCCsが求められます。2018年において、マーケットシェアのほとんど50%は、サイズ0402デバイスですが、それらの生産量は減少しており、サイズ0201コンデンサははるかに急速に成長しています。近い将来、0201ケースコンデンサの優位性は低下し、すでに10%のマーケットシェアを得ているサイズ1005キャパシタが優先されると予想されます。さらに、設計者は008004を検討する必要があります。これは急速に普及し、すでに1206サイズキャパシタに変わっているデバイスです。商用システムにおける小型化、高CV値、低電圧MLCCの進歩により、コンデンサの絶縁抵抗、IR、酸素空孔のマイグレーションに関連する故障、劣化に関する懸念が生じています。
商用適用と比較すると、高信頼性、特に宇宙システムでは、部品の選定により保守的なアプローチを適用しており、高レベルな宇宙プロジェクトで適用されるMLCCsのかなりの割合が1206よりも大きい。しかしながら、より小型で体積容量率が高いキャパシタを適用する傾向があり、新たに設計された宇宙機器や宇宙システムでは、先端技術キャパシタの適用が増えています。使用されるMLCCsの量を考慮すると、それら全体の中での故障する確率は非常に低い。それでも、通常は、ショートモードでの故障が存在するため、故障は全体システムへ壊滅的な結果をもたらしたり、一部のシステムの機能を停止したり、ソフトウェアの問題と誤解される可能性のある断続的な障害を引き起こしたりする可能性があります。
キャパシタは、通常、商用システムのフィールド故障の最大30％の原因でもあり、最近まで、これらの故障の約半分は、部品のクラックによるものでした。
宇宙機器のMLCCsの割合は、商用機器と同様であり、全ての電子部品のうち10%から20%である。Paumanok Publicationsによると、航空宇宙産業におけるキャパシタの調達コストは、すべてのパッシブ部品の中の73%です。航空宇宙産業が調達するすべてのキャパシタの57%を生産している主要ベンダでは、AVX、Vishay Intertechnology、Kemet Electronicsです。商業市場を支配する日本ベンダ（TDK Corporation, Murata Manufacturing, Matsushita, Rubycon）は、世界の防衛市場に直接販売していません。しかし、日本で製造されたキャパシタは流通を通じて、防衛用電子機器に取り込まれています。

2,宇宙用と商用キャパシタの考え方の違い

すべてのMLCCは、同様の技術プロセスと材料を使用して製造されており、商用と軍用または宇宙グレードのコンデンサの違いは、主に設計ルール、使用される材料とプロセスの一貫性のレベル、および品質保証（QA）または試験の量へのアプローチにあります。たとえば、誘電体層の厚さは軍用コンデンサの場合ははるかに厚く、軍用に固定されている材料の種類は、商用コンデンサの場合は変更可能です。部品の特性と信頼性の一貫性を確保するには、設計と材料の安定性が重要ですが、革新と性能の向上を遅らせます。
商用コンデンサと軍用コンデンサの品質保証のアプローチは大きく異なります。大量生産の商用コンデンサの品質保証は、統計的プロセス制御（SPC）システムの使用に基づいています。 SPCは製造プロセス中にリアルタイムで実行される予防活動です。軍用規格でもSPCシステムを使用する必要がありますが、QAの主要な要素とは見なされておらず、in-processでの改善ができないと、その効率が大幅に低下します。代わりに軍用コンデンサのQAは、部品の広範な検査とテストに基づいています。 Dan Friedlanderは、「SPCは故障の防止を対象とし、バーンイン（テスト）は故障の検出を対象としています」ということを述べています。
最初の軍用規格は、商用電子機器市場によって推進された大量生産時代の前に開発され、歴史的に電子部品の品質を向上させる上で重要な役割を果たしてきました。明らかに、統計は自動車のプロセス制御なしでは効果がなく、生産量が少ないため、軍用規格のQAは試験と検査に大きく依存していました。
歴史的に、NASAによって宇宙アプリケーションで使用されるMLCCの大部分は、MIL-PRF-123（CKSスタイル）およびMIL-PRF-55681（CDRスタイル）に従って製造および試験されてきました。 2017年には、BMEタイプのコンデンサであるMIL-PRF-32535（M32535スタイル）を含む薄い誘電体セラミックコンデンサの仕様が開発されました。さらに、米国、EU、および日本の宇宙機関は、宇宙用途に適したコンデンサの範囲を拡張する独自の仕様（SCD）を開発しました：S-311-P-828、S-311-P-838 by NASA / GSFC、ESAによるESCC-3009、およびJAXAによるQTS-2040。
自動車産業向けに開発されたコンデンサは、一般的な商用コンデンサと比較してより高い品質基準で製造されているため、低レベルの宇宙プロジェクトで使用されることがあります。これらの部品の品質は、AEC-Q200 requirementsに準拠している必要があります。ただし、このドキュメントではパッシブ部品の一般的な仕様についてのみ説明しており、自動車メーカーが実際に使用するパーツには、非公開のドキュメントで詳しく説明されている追加の要件がある場合があります。

3,まとめ

以上、現在適用されているセラミックキャパシタの概要と、宇宙用キャパシタと民生キャパシタの考え方の違いについてNASAレポート中から抜粋して紹介しました。文中で登場した「SPCは故障の防止を対象とし、バーンイン（テスト）は故障の検出を対象としています」という言葉がその象徴的であると考えます。商用キャパシタは、材料やプロセスの変更はあるものの統計的プロセス制御（SPC）を用いた故障の防止を行う考え方がなされている一方、宇宙用キャパシタは、材料やプロセスの変更は行われず、また、膨大な試験・検査を行うことで、故障検出を行い、正常品のみを適用するようなの考え方がされているのです。