1 Überblick über MLCCs der Klassen 1 und 2?

Grundsätzlich lassen sich zwei Arten von MLCCS unterscheiden: Kondensatoren, die aus Keramik der Klasse 1 oder Klasse 2 bestehen. Diese unterscheiden sich in mehreren Aspekten, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Übersicht über den aktuellen technischen Stand der Keramik von Würth Elektronik eiSos

Die Eigenschaften und Toleranzen der verschiedenen Keramikklassen werden durch eine IEC- oder EIA-Kodierung definiert. Abhängig von der Anwendung muss eine gewisse Kapazität zur Verfügung stehen, um beispielsweise bei Filtern die gewünschte Leistung zu erzielen. Daher ist es wichtig, die Eigenschaften der einzelnen Komponenten zu vergleichen, um das gewünschte Verhalten beim Einsatz in der Anwendung sicherzustellen. Es sollte auch erwähnt werden, dass bei hochkapazitiven MLCCs die hohe Kapazität nur mit dem Nachteil einer erhöhten Alterung und damit eines größeren Kapazitätsverlusts aufgrund von Temperatur und Spannung verfügbar ist.

2 Definition des Alterns

Altern ist ein Prozess, bei dem sich bestimmte Eigenschaften im Laufe der Zeit verändern. Auch ferroelektrische Materialien wie Bariumtitanat unterliegen diesem Prozess. Die Kristallstruktur des Dielektrikums (in diesem Fall Bariumtitanat) ändert sich mit der Temperatur und auch mit der Zeit. Dies wird als Alterung bezeichnet, da sich die Kapazität durch dieses Ereignis verändert, genauer gesagt, verringert. Eine weitere Folge der Alterung ist die Zunahme des Verlustfaktors, der immer größer wird. Alterung wird üblicherweise durch einen prozentualen Kapazitätsverlust pro Jahrzehnt Zeit beschrieben. Sie liegt im Bereich von ~6 % nach 1000 Stunden für X5R-Keramik und ~2,5 % nach 1000 Stunden für X7R-Keramik pro Dekade Stunden (1–10, 10–100, 100–1000, ...). Nach einer Neuausrichtung des Kristallgitters (z. B. durch einen beliebig oft wiederholbaren Temperaturvorgang) führt die Alterung zu einem Kapazitätsverlust, wie in Abbildung 1 dargestellt. Der Alterungsprozess verläuft logarithmisch und nimmt mit der Zeit ab. Allerdings erscheint es in Diagrammen linear, wenn logarithmische Skalen verwendet werden.

Abbildung 1: Kapazitätsverlust vs. Betriebszeit

3 Warum gibt es bei Bariumtitanat eine Alterung?

Die Permittivität von Bariumtitanat wird durch die Polarisierbarkeit des Materials definiert. Durch Alterung entstehen weitere ferroelektrische Domänen. Die spontane Polarisationsrichtung ändert sich derart, dass nicht alle Dipole „gut“ polarisiert werden können. Die Dipole zweier benachbarter Domänen zeigen nicht mehr in die gleiche Richtung. Die Folge ist die Verringerung der Kapazität. Die Lösung: Reformierung des Materials. Der Effekt der Alterung wird durch Zeit, Temperatur und Spannung beeinflusst. Da Bariumtitanat ein ferroelektrisches Material ist und wie Ferrit über elektrische Domänen verfügt, teilen sich diese Domänen mit dem Faktor Zeit und verringern so die Kapazität, siehe Abbildung 2.

Abbildung 2: Änderung der internen Struktur

Durch das Tempern, den sogenannten Vorwärmprozess (Erhitzen des Materials über die Curie-Temperatur), lösen sich die vorhandenen Domänen auf. Unterhalb der Curie-Temperatur bildet das Material dann wieder neue große Domänen, was wiederum eine hohe Kapazität zur Folge hat. Die durch den Temperprozess verursachte thermische Bewegung im Kristallgitter verhindert, dass sich die Dipole beim Anlegen eines elektrischen Feldes vollständig ausrichten und so eine Art Sättigung erreichen.

4 Wie kann man das Altern stoppen?

Das in MLCCs der Klasse 2 verwendete Dielektrikum hat ferroelektrische Eigenschaften. Diese Materialeigenschaften ändern sich, wenn die Curie-Temperatur überschritten wird (wie bei ferromagnetischen Materialien). Oberhalb dieser Temperatur weist das Dielektrikum eine hochsymmetrische kubische Kristallstruktur auf, während unterhalb der Curie-Temperatur; Die Kristallstruktur weist eine weniger symmetrische (tetragonale) Struktur auf. Der Übergang von den verschiedenen Phasen (kubisch zu tetragonal usw.) führt in diesem Temperaturbereich immer zu einem maximalen Wert der Permittivität. Um einen stabilen Zustand zu erreichen, bewegen sich die Atome im Kristallgitter unter dem Einfluss thermischer Schwingungen noch lange Zeit, auch nachdem das Dielektrikum unter die Curie-Temperatur abgekühlt ist (es bilden sich immer mehr Domänen). Wenn der Kondensator jedoch auf eine Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur erhitzt wird, findet eine Alterung statt, d. h Die durch die Alterung verlorene Kapazität wird zurückgewonnen und die Alterung beginnt erneut, sobald der Kondensator wieder abkühlt. Für Bariumtitanat beträgt diese Temperatur ~125°C. Abhängig davon, wie lange die Curie-Temperatur überschritten wird, ergibt sich der eingestellte Kapazitätswert. Laut Datenblatt beträgt die Empfehlung für das Vorheizen bei 150°C 1 Stunde. Durch diese thermische Behandlung kann die maximale 100-prozentige Leistungsfähigkeit des Bauteils wiederhergestellt werden.

5 Auswirkungen des Alterns auf die Anwendung

In einer realen Anwendung, die unter Spannung steht und bei einer bestimmten Umgebungstemperatur betrieben wird, muss beim Einsatz von MLCCs grundsätzlich mit einem Kapazitätsabbau über die Zeit gerechnet werden. Dies ist unvermeidbar und wird durch das Grundmaterial verursacht, das für Keramik der Klasse 2 verwendet wird. Es liegt nun an der Auslegung des Kondensators, diesen Kapazitätsverlust auszugleichen. Nach der Herstellung wird eine 100 %-Prüfung durchgeführt, um sicherzustellen, dass alle Toleranzen eingehalten werden. Abhängig von der Lagerzeit und den Lagerbedingungen können sich diese Werte im Laufe der Zeit ändern. Durch den Wärmeeinfluss des Lötprozesses wird der Alterungsprozess zurückgesetzt (siehe Anhang, Beispielmessung und Reflow-Lötprozess für einen MLCC mit dem DateCode 2014). Bei Anwendungen, bei denen stabile Kapazitätswerte erforderlich sind, muss die Alterung berücksichtigt oder ein MLCC der Klasse 1 verwendet werden. Werden Kondensatoren als Ausgangskondensatoren verwendet (z B. bei Schaltreglern), kann der Alterungseffekt am besten kompensiert werden, da hier die Kapazitätsschwankungen im niedrigen einstelligen Bereich liegen und somit keinen negativen Einfluss auf die Funktion der Schaltung haben. Die resultierende Kapazität eines z. B. 22 µF X7R MLCC mit allen Abhängigkeiten ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Tatsächliche Kapazität unter Berücksichtigung aller Abhängigkeiten

6 Fazit

Die Alterung wird bei Raumtemperatur (ca. 20 °C) und ~0 V angelegter Spannung aufgezeichnet. Bei Raumtemperatur und ~0 V haben Keramikkondensatoren nahezu keine Temperatur-, Gleichstrom- und Frequenzeinflüsse, die die Alterung beeinflussen könnten. Unterhalb der Curie-Temperatur und nach Anlegen einer Spannung polarisieren die vorhandenen ferroelektrischen Eigenschaften die Moleküle definiert. Aus der kubischen Struktur wird eine tetragonale Struktur, was zu einer Verringerung der Permittivität und damit der Kapazität führt. Was führt nun zum Altern? Wird die Kristallstruktur der Keramik bei Raumtemperatur unbelastet belassen, bilden sich zufällig orientierte Domänen, in denen wiederum ungerichtete Dipole entstehen, die einen negativen Einfluss auf die Permittivität haben. Diese zufällig ausgerichteten Domänen „wachsen“ zunächst schneller und entwickeln sich dann langsamer. Deshalb, Der Kapazitätsverlust wird logarithmisch dargestellt. Bei Anlegen einer Spannung und Erhöhung der Temperatur verlangsamt sich die Bildung zufällig orientierter Domänen, da die Dipole durch das elektrische Feld definiert ausgerichtet werden. In der Praxis bedeutet dies, dass die in Abbildung 1 dargestellte Alterung ein „Worst-Case“-Wert ist. Da der Kapazitätsabfall durch DC-Vorspannung und Temperatur deutlich höher ist als die erwartete Alterung, wird hier von einem festen Wert ausgegangen.

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