1 Обзор MLCC класса 1 и класса 2?

В принципе, можно различать два типа MLCCS: конденсаторы, изготовленные из керамики класса 1 или класса 2. Они различаются по нескольким аспектам, как показано в таблице 1.

Таблица 1: Обзор текущего технического состояния керамики Würth Elektronik eiSos

Свойства и допуски различных классов керамики определяются кодировкой IEC или EIA. В зависимости от приложения для достижения желаемой производительности в таких приложениях, как фильтры, должна быть доступна определенная емкость. Поэтому важно сравнивать свойства отдельных компонентов, чтобы обеспечить желаемое поведение при использовании в приложении. Следует также отметить, что с MLCC с высокой емкостью высокая емкость доступна только с недостатком повышенного старения и, следовательно, большей потери емкости из-за температуры и напряжения.

2 Определение старения

Старение – это процесс, при котором определенные свойства изменяются с течением времени. Сегнетоэлектрические материалы, такие как титанат бария, также подвергаются этому процессу. Кристаллическая структура диэлектрика (в данном случае титаната бария) изменяется в зависимости от температуры и времени. Это считается старением, так как емкость изменяется или, точнее, уменьшается при этом событии. Другим результатом старения является увеличение коэффициента потерь, который постоянно увеличивается. Старение обычно описывается процентной потерей емкости за десятилетие времени. Он находится в диапазоне ~6% через 1000 часов для керамики X5R и ~2,5% через 1000 часов для керамики X7R на декаду часов (1-10, 10-100, 100-1000, ...). После перестройки кристаллической решетки (например, с помощью температурного процесса, который можно повторять сколь угодно часто) старение приводит к потере емкости, как показано на рисунке 1. Процесс старения является логарифмическим и уменьшается со временем. Хотя на диаграммах он кажется линейным при использовании логарифмических шкал.

Рисунок 1: Потеря мощности в зависимости от времени работы

3 Почему существует старение титаната бария?

Диэлектрическая проницаемость титаната бария определяется поляризуемостью материала. Дальнейшие сегнетоэлектрические домены образуются при старении. Направление спонтанной поляризации меняется таким образом, что не все диполи удается «хорошо» поляризовать. Диполи двух соседних доменов больше не указывают в одном направлении. Результат - уменьшение емкости. Решение: переформирование материала. Эффект старения зависит от времени, температуры и напряжения. Поскольку титанат бария является ферроэлектрическим материалом и, как и феррит, имеет электрические домены, эти домены делятся с коэффициентом времени и, таким образом, уменьшают емкость, см. рис. 2.

Рисунок 2: Изменение внутренней структуры

При отпуске, так называемом процессе предварительного нагрева (нагрев материала выше температуры Кюри), существующие домены растворяются. Ниже температуры Кюри материал снова образует новые большие домены, что, в свою очередь, приводит к высокой емкости. Тепловое движение в кристаллической решетке, вызванное процессом отжига, препятствует полному выравниванию диполей при приложении электрического поля, что приводит к своего рода насыщению.

4 Как остановить старение?

Диэлектрик, используемый в MLCC класса 2, обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Эти свойства материала изменяются при превышении температуры Кюри (как и в случае с ферромагнитными материалами). Выше этой температуры диэлектрик имеет высокосимметричную кубическую кристаллическую структуру, а ниже температуры Кюри; кристаллическая структура имеет менее симметричную (тетрагональную) структуру. Переход из разных фаз (кубическая в тетрагональную и т. д.) всегда приводит к максимальному значению диэлектрической проницаемости в этом диапазоне температур. Для достижения устойчивого состояния атомы в кристаллической решетке перемещаются под действием тепловых колебаний в течение длительного времени, даже после остывания диэлектрика ниже температуры Кюри (образуется все больше и больше доменов). Однако при нагреве конденсатора до температуры выше температуры Кюри происходит старение, т.е. емкость, потерянная из-за старения, восстанавливается, и старение начинается снова с точки, в которой конденсатор снова остывает. Для титаната бария эта температура составляет ~125°С. В зависимости от того, как долго температура Кюри превышается, это приводит к установленному значению емкости. Согласно техпаспорту, рекомендуемое время предварительного нагрева до 150°C составляет 1 час. При такой термической обработке можно восстановить максимальную 100% емкость компонента.

5 Эффекты старения для приложения

В реальном приложении, которое содержит напряжение и работает при определенной температуре окружающей среды, при использовании MLCC обычно следует предвидеть снижение емкости с течением времени. Это неизбежно и вызвано основным материалом, используемым для керамики класса 2. Теперь дело за конструкцией конденсатора, чтобы компенсировать эту потерю емкости. После изготовления проводится 100-процентный тест, чтобы убедиться, что все допуски соблюдены. В зависимости от срока хранения и условий хранения эти значения могут меняться со временем. Из-за теплового воздействия процесса пайки процесс старения сбрасывается (см. приложение, пример процесса измерения и пайки оплавлением для MLCC с DateCode 2014). В приложениях, где требуются стабильные значения емкости, необходимо учитывать старение или использовать MLCC класса 1. Если в качестве выходных конденсаторов используются конденсаторы (например, в импульсных стабилизаторах) лучше всего компенсируется эффект старения, так как в этом случае колебания емкости находятся в низком однозначном диапазоне и, следовательно, не оказывают отрицательного влияния на работу схемы. Результирующая емкость, например, 22 мкФ X7R MLCC со всеми зависимостями показана на рис. 3.

Рисунок 3: Реальная мощность с учетом всех зависимостей

6. Заключение

Старение регистрируют при комнатной температуре (около 20 °C) и приложенном напряжении ~0 В. При комнатной температуре и ~0 В керамические конденсаторы практически не подвержены влиянию температуры, смещения постоянного тока и частоты, которые могли бы повлиять на старение. Ниже температуры Кюри и после приложения напряжения существующие сегнетоэлектрические свойства поляризуют молекулы определенным образом. Кубическая структура становится тетрагональной, что приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости и, следовательно, емкости. Что теперь приводит к старению? Если кристаллическую структуру керамики оставить при комнатной температуре без нагрузки, то образуются беспорядочно ориентированные домены, в которых, в свою очередь, формируются ненаправленные диполи, отрицательно влияющие на диэлектрическую проницаемость. Эти случайно ориентированные домены сначала «растут» быстрее, а затем развиваются медленнее. Поэтому, потеря емкости показана логарифмически. При приложении напряжения и повышении температуры образование хаотически ориентированных доменов замедляется, поскольку диполи определенным образом выравниваются электрическим полем. На практике это означает, что старение, как показано на Рисунке 1, является цифрой «наихудшего случая». Поскольку снижение емкости из-за смещения постоянного тока и температуры значительно выше, чем ожидаемое старение, предполагается, что это фиксированное значение.

Источник: элемент