När man bygger flerlagers keramiska kondensatorer (MLCC), väljer elektroingenjörer ofta två typer av dielektrikum beroende på applikationen – Klass 1, dielektriska icke-ferroelektriska material såsom C0G/NP0, och Klass 2, ferroelektriska materialdielektriska material såsom X5R och X7R.Den viktigaste skillnaden mellan dem är om kondensatorn, med ökande spänning och temperatur, fortfarande har god stabilitet.För klass 1-dielektrik förblir kapacitansen stabil när en likspänning påläggs och driftstemperaturen stiger;Klass 2 dielektrikum har en hög dielektricitetskonstant (K), men kapacitansen är mindre stabil vid förändringar i temperatur, spänning, frekvens och över tid.
Även om kapacitansen kan ökas genom olika konstruktionsändringar, såsom att ändra ytarean på elektrodskikten, antalet lager, K-värdet eller avståndet mellan de två elektrodskikten, kommer kapacitansen för klass 2-dielektriken så småningom att sjunka kraftigt när en likspänning appliceras.Detta beror på närvaron av ett fenomen som kallas DC-bias, vilket gör att klass 2 ferroelektriska formuleringar så småningom upplever ett fall i dielektricitetskonstanten när en DC-spänning appliceras.
För högre K-värden för dielektriska material kan effekten av DC-förspänning vara ännu allvarligare, med kondensatorer som potentiellt förlorar upp till 90 % eller mer av sin kapacitans, som visas i diagrammet.
Den dielektriska hållfastheten hos ett material, det vill säga den spänning som en given materialtjocklek tål, kan också förändra effekten av DC-förspänning på en kondensator.I USA mäts dielektrisk styrka vanligtvis i volt/mil (1 mil är lika med 0,001 tum), på andra ställen mäts den i volt/mikron, och den bestäms av tjockleken på det dielektriska lagret.Som ett resultat kan olika kondensatorer med samma kapacitans och spänningsklass prestera avsevärt olika på grund av deras olika interna strukturer.
Det är värt att notera att när den pålagda spänningen är större än materialets dielektriska hållfasthet kommer gnistor att passera genom materialet, vilket leder till en potentiell antändning eller småskalig explosionsrisk.
Praktiska exempel på hur DC-bias genereras
Om vi betraktar förändringen i kapacitans på grund av driftspänningen i samband med förändringen i temperatur, finner vi att kapacitansförlusten för kondensatorn kommer att vara större vid den specifika applikationstemperaturen och DC-spänningen.Ta till exempel en MLCC gjord av X7R med en kapacitans på 0,1µF, en märkspänning på 200VDC, ett internt lagerantal på 35 och en tjocklek på 1,8 mils (0,0018 tum eller 45,72 mikron), detta betyder att när man arbetar vid 200VDC, betyder det att dielektriska lager upplever endast 111 volt/mil eller 4,4 volt/mikron.Som en grov beräkning skulle VC vara -15%.Om temperaturkoefficienten för dielektrikumet är ±15 %ΔC och VC är -15 %ΔC, är den maximala TVC +15 % – 30 %ΔC.
Orsaken till denna variation ligger i kristallstrukturen hos det klass 2-material som används – i detta fall bariumtitanat (BaTiO3).Detta material har en kubisk kristallstruktur när Curie-temperaturen uppnås eller över.Men när temperaturen återgår till omgivningstemperaturen uppstår polarisering eftersom sänkningen av temperaturen gör att materialet ändrar sin struktur.Polarisering sker utan något externt elektriskt fält eller tryck och detta är känt som spontan polarisation eller ferroelektricitet.När en DC-spänning appliceras på materialet vid omgivningstemperatur kopplas spontan polarisation till riktningen för det elektriska fältet för DC-spänningen och en omkastning av den spontana polarisationen inträffar, vilket resulterar i en minskning av kapacitansen.
Nuförtiden, även med de olika designverktyg som finns tillgängliga för att öka kapacitansen, minskar kapacitansen för klass 2-dielektrik fortfarande avsevärt när en DC-spänning appliceras på grund av närvaron av DC-förspänningsfenomenet.Därför, för att säkerställa den långsiktiga tillförlitligheten för din applikation, måste du ta hänsyn till effekten av DC-bias på komponenten utöver den nominella kapacitansen för MLCC när du väljer en MLCC.
Zhejiang NeoDen Technology Co., LTD., grundat 2010, är en professionell tillverkare specialiserad på SMT pick and place-maskin, reflow-ugn, stenciltryckmaskin, SMT-produktionslinje och andra SMT-produkter.Vi har vårt eget FoU-team och egen fabrik, som drar fördel av vår egen rika erfarna FoU, välutbildad produktion, vann stort rykte från världens kunder.
Vi tror att fantastiska människor och partners gör NeoDen till ett fantastiskt företag och att vårt engagemang för innovation, mångfald och hållbarhet säkerställer att SMT-automatisering är tillgänglig för alla hobbyister överallt.
Posttid: maj-05-2023