1 Panoramica sugli MLCC di Classe 1 e Classe 2?

Fondamentalmente, si possono distinguere due tipi di MLCCS: i condensatori, che sono costruiti con ceramiche di classe 1 o classe 2. Questi variano in diversi aspetti, come mostrato nella tabella 1.

Tabella 1: Panoramica dello stato tecnico attuale della ceramica di Würth Elektronik eiSos

Le proprietà e le tolleranze delle diverse classi ceramiche sono definite da una codifica IEC o EIA. A seconda dell'applicazione, deve essere disponibile una certa quantità di capacità per ottenere le prestazioni desiderate in applicazioni come i filtri. È quindi importante confrontare le proprietà dei singoli componenti per garantire il comportamento desiderato quando utilizzati nell'applicazione. Va anche detto che con gli MLCC ad alta capacità, l'alta capacità è disponibile solo con l'inconveniente di un maggiore invecchiamento e quindi una maggiore perdita di capacità dovuta alla temperatura e alla tensione.

2 Definizione di invecchiamento

L'invecchiamento è un processo in cui alcune proprietà cambiano nel tempo. Anche i materiali ferroelettrici come il titanato di bario sono soggetti a questo processo. La struttura cristallina del dielettrico (in questo caso titanato di bario) cambia con la temperatura e anche con il tempo. Questo è considerato invecchiamento, poiché la capacità cambia o, più precisamente, viene ridotta da questo evento. Un altro risultato dell'invecchiamento è l'aumento del fattore di perdita, che aumenta costantemente. L'invecchiamento è solitamente descritto da una percentuale di perdita di capacità per decennio di tempo. È compreso tra ~6% dopo 1000 ore per la ceramica X5R e ~2,5% dopo 1000 ore per la ceramica X7R per dieci ore (1-10, 10-100, 100-1000, ...). Dopo aver riallineato il reticolo cristallino (ad esempio mediante un processo di temperatura che può essere ripetuto tutte le volte che si desidera), l'invecchiamento porta a una perdita di capacità come mostrato nella Figura 1. Il processo di invecchiamento è logaritmico e diminuisce nel tempo. Sebbene appaia lineare sui grafici quando si utilizzano scale logaritmiche.

Figura 1: Perdita di capacità rispetto al tempo di funzionamento

3 Perché esiste l'invecchiamento per il titanato di bario?

La permittività del titanato di bario è definita dalla polarizzabilità del materiale. Ulteriori domini ferroelettrici sono formati dall'invecchiamento. La direzione di polarizzazione spontanea cambia in modo tale che non tutti i dipoli possono essere polarizzati "bene". I dipoli di due domini adiacenti non puntano più nella stessa direzione. Il risultato è la riduzione della capacità. La soluzione: la riforma del materiale. L'effetto dell'invecchiamento è influenzato dal tempo, dalla temperatura e dalla tensione. Poiché il titanato di bario è un materiale ferroelettrico e, come la ferrite, ha domini elettrici, questi domini si dividono con il fattore tempo e quindi riducono la capacità, vedi Figura 2.

Figura 2: Modifica della struttura interna

Con la tempra, il cosiddetto processo di preriscaldamento (riscaldamento del materiale al di sopra della temperatura di Curie), i domini esistenti si dissolvono. Al di sotto della temperatura di Curie, il materiale forma nuovamente nuovi grandi domini, che a loro volta si traducono in un'elevata capacità. Il movimento termico nel reticolo cristallino causato dal processo di ricottura impedisce ai dipoli di allinearsi completamente quando viene applicato un campo elettrico, raggiungendo così una sorta di saturazione.

4 Come si può fermare l'invecchiamento?

Il dielettrico utilizzato negli MLCC di Classe 2 ha proprietà ferroelettriche. Queste proprietà del materiale cambiano quando viene superata la temperatura di Curie (come con i materiali ferromagnetici). Al di sopra di questa temperatura il dielettrico ha una struttura cristallina cubica altamente simmetrica, mentre al di sotto della temperatura di Curie; la struttura cristallina ha una struttura meno simmetrica (tetragonale). Il passaggio dalle diverse fasi (cubica a tetragonale ecc.) si traduce sempre in un valore massimo di permittività in questo intervallo di temperatura. Per raggiungere uno stato stabile, gli atomi nel reticolo cristallino si muovono a lungo sotto l'influenza della vibrazione termica, anche dopo che il dielettrico si è raffreddato al di sotto della temperatura di Curie (si formano sempre più domini). Tuttavia, quando il condensatore viene riscaldato a una temperatura superiore alla temperatura di Curie, si verifica l'invecchiamento, vale a dire la capacità persa per invecchiamento viene recuperata e l'invecchiamento ricomincia dal punto in cui il condensatore si raffredda nuovamente. Questa temperatura è ~125°C per il titanato di bario. A seconda di quanto a lungo viene superata la temperatura di Curie, si ottiene il valore di capacità impostato. Secondo la scheda tecnica, la raccomandazione per il preriscaldamento a 150°C è di 1 ora. Con questo trattamento termico è possibile ripristinare la capacità massima del 100% del componente.

5 Effetti dell'invecchiamento per l'applicazione

In un'applicazione reale, che contiene tensione e funziona a una certa temperatura ambiente, è generalmente necessario prevedere una riduzione della capacità nel tempo quando si utilizzano gli MLCC. Ciò è inevitabile ed è causato dal materiale di base utilizzato per la ceramica di Classe 2. Spetta ora al progetto del condensatore compensare questa perdita di capacità. Dopo la produzione viene eseguito un test al 100% per garantire il rispetto di tutte le tolleranze. A seconda del tempo di conservazione e delle condizioni di conservazione, questi valori possono cambiare nel tempo. A causa dell'influenza del calore del processo di saldatura, il processo di invecchiamento viene ripristinato (vedere l'appendice, esempio di misurazione e processo di saldatura a rifusione per un MLCC con il DateCode 2014). Nelle applicazioni in cui sono richiesti valori di capacità stabili, è necessario considerare l'invecchiamento o utilizzare un MLCC di classe 1. Se i condensatori vengono utilizzati come condensatori di uscita (es nei regolatori switching), l'effetto dell'invecchiamento può essere compensato al meglio, poiché in questo caso le fluttuazioni di capacità sono nell'intervallo basso a una cifra e quindi non hanno alcun effetto negativo sulla funzione del circuito. La capacità risultante, ad esempio, di un MLCC X7R da 22 µF con tutte le dipendenze è mostrata nella figura 3.

Figura 3: Capacità reale considerando tutte le dipendenze

6. Conclusione

L'invecchiamento viene registrato a temperatura ambiente (circa 20 °C) e ~0 V come tensione applicata. A temperatura ambiente e ~ 0 V i condensatori ceramici non hanno quasi nessuna temperatura, polarizzazione CC e influenze di frequenza che potrebbero influenzare l'invecchiamento. Al di sotto della temperatura di Curie e dopo aver applicato una tensione, le proprietà ferroelettriche esistenti polarizzano le molecole in un modo definito. La struttura cubica diventa una struttura tetragonale, che porta a una diminuzione della permittività e quindi della capacità. Cosa porta ora all'invecchiamento? Se la struttura cristallina della ceramica viene lasciata a temperatura ambiente senza carico, si formano domini orientati in modo casuale nei quali, a loro volta, si formano dipoli non direzionali, che influiscono negativamente sulla permittività. Questi domini orientati in modo casuale "crescono" più velocemente all'inizio e poi si sviluppano più lentamente. Perciò, la perdita di capacità è mostrata logaritmicamente. Quando viene applicata una tensione e la temperatura aumenta, la formazione di domini orientati in modo casuale rallenta, poiché i dipoli sono allineati in modo definito dal campo elettrico. In pratica, ciò significa che l'invecchiamento come mostrato nella Figura 1 è una figura del "caso peggiore". Poiché la diminuzione della capacità tramite la polarizzazione CC e la temperatura è significativamente superiore all'invecchiamento previsto, si presume che questo sia un valore fisso.

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