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技術(shù)資料 |
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如何理解電容器的容量老化 |
發(fā)布時間:2009/9/2 18:02:03 訪問量：406
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鐵電體陶瓷電容器的容量和介質(zhì)損耗會展現(xiàn)出隨時間延長而衰減的趨勢。這種被稱為老化的現(xiàn)象是
可逆的，其產(chǎn)生的原因在於鐵電體晶體結(jié)構(gòu)隨溫度而變化。
鐵電介質(zhì)以鈦酸鋇（BaTiO3）為主要成分，加入一定的氧化物以改變材料晶體慣態(tài)和對稱性，產(chǎn)生
出鐵電疇。在居裏點（120℃）附近，BaTiO3晶體結(jié)構(gòu)由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较，自發(fā)極化不再發(fā)生。而
當冷卻通過居裏點時，材料晶體結(jié)構(gòu)又重新由立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较，其點陣結(jié)構(gòu)中不存在對稱中心。Ti4+
離子可以佔據(jù)兩個非對稱位置中的一個，從而導致永久性電偶極。由於相鄰晶胞相互作用的影響足以建
立起極化疇，因此這些電偶極是自發(fā)產(chǎn)生和略微有序的。平行極化疇是隨機取向的（在沒有外加電場作
用的情況下），給系統(tǒng)提供應變能。而應變能的鬆弛正是材料介電常數(shù)老化的原因，具有下列時間關(guān)係：
K = K0 -m log t
這裏
K = 任意時間t處的介電常數(shù)
K0 = 時間t0（t0 < t）處的介電常數(shù)
m = 衰減速率
上面公式是對數(shù)關(guān)係，如果採用半對數(shù)圖處理所得資料，其結(jié)果將會近似於一條直線，正如下圖所
示。每十倍時內(nèi)K（或電容量）變化的百分數(shù)可以通過計算得出，用做衡量瓷料優(yōu)劣的一個指標。
與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，進而對極化產(chǎn)生影響的的因素（材料純度、晶粒尺寸、燒結(jié)情況、晶界、空隙率，
內(nèi)應力）同樣也決定了疇壁移動和重新取向的自由程度。
例 (a) 老化速率 = -5% / 5 十倍時 = 1.0% / 十倍時（小時）
例 (b) 老化速率 = -15% / 6 十倍時 = 2.5% / 十倍時（小時）
由此可知，材料老化的速率與材料組分和工藝過程密切相關(guān)，同時對那些影響材料介電常數(shù)的因素
也非常敏感。
鐵電體,例如X7R，容量的時間損耗是不可避免的，儘管通過把介質(zhì)加熱到居裏點以上，使材料晶
體結(jié)構(gòu)變回“順電”立方態(tài)的方法可以得到恢復。但一旦冷卻下來，材料晶體結(jié)構(gòu)再次轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵?
自發(fā)極化再次出現(xiàn)，產(chǎn)生的新極化疇使得老化過程__________重新開始。
順電體，例如COG，中由於不存在自發(fā)極化的機制，因此觀察不到老化現(xiàn)象。老化速率受電容器“電
壓狀態(tài)”的影響。元件在高溫（低於居裏溫度）直流偏壓負荷試驗中表現(xiàn)出了容量損耗，但老化速率很
低。從理論上講，高溫下的電壓負荷會促進極化疇的弛豫。當然，如果實際溫度超過了居裏點，電壓效
應則會消失。
電容器廠家往往通過調(diào)整測量時的限定值來補償鐵電介質(zhì)的容量損耗，這樣元件在長時間使用後
也不至於因老化而超出公差範圍。例如，對於老化速率為1.5% / 十倍時的介質(zhì)材料，測量標準需提高
到3%，即兩個十倍時。被長時間置於居裏溫度點之後又通過100小時測試的元件仍可以保證再經(jīng)過兩
個十倍時，或者說10000 小時，都不會超出公差範圍。
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該資料由： 明輝峰尚技術(shù)部 提供
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