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片式多层瓷介电容器可靠性研究

2017-01-08 00:00:00 宏科电子 阅读
片式多层瓷介电容器可靠性研究
张倩 1 ,尹华 2,张亚梅 2
(成都宏明电子科大新材料有限公司,成都 610100)
摘 要:目的 研究不同极限评估方法下陶瓷电容器电性能的变化情况。方法 利用Ⅱ类瓷介电容器老化曲线、应力极限加速试验、电压加速试验和频率特性曲线对陶瓷片式电容器电性能进行研究。结果 Ⅱ类瓷介电容器的容量值随着时间的延续而缓慢减小。环境应力加速试验表明在温度冲击次数增加至500次时,电容器内部无空气类微缺陷出现或扩展。电应力加速试验表明在连续施加电压增加至20.5UR时,陶瓷电容器开始击穿失效。电压加速试验表明在高温筛选电压增加至6UR时,电容器电容量和损耗角正切值均符合标准要求。频率特性曲线表明每个电容器均有其特有的谐振频率。结论 通过应力和电压加速极限试验可以有效的表征和评价片式陶瓷电容器的可靠性。

关键词:Ⅱ类陶瓷电容器;环境应力加速;电压加速;谐振频率
 

 
      电容器作为基本电子元件,在电路中具有隔直通交的作用,被广泛应用于去耦、隔直耦合、滤波、旁路、谐振、振荡控制等场合。近年来,陶瓷介质电容器因其可靠性高、容积效率高、频率适用范围宽,得到业界广泛的应用。随着片式陶瓷电容器的低成本、小型化和大容量技术的不断发展,片式多层瓷介电容器已成为世界上发展最快、用量最大的一种片式元件[1,2],其可靠性应用研究得到了业界重点关注。本文通过加速评估试验对片式陶瓷电容器的性能进行可靠性评价。

1.    Ⅱ类陶瓷电容器老化
      在国标GJB5968-86《电子设备用固定电容器 第九部分:分规范:2类瓷介固定电容器》标准附录A中和国标GB9324-88《电子设备用固定电容器第十部分:分规范:多层片状瓷介电容器》标准附录B中提到了Ⅱ类瓷介电容器电容量的老化问题[3-4]。
Ⅱ类瓷介电容器的介电常数高,且具有铁电性,从而其显现出一个居里温度。当温度高于居里温度时,其分子结构为高对称立方晶体结构;当温度低于居里温度时,则立方体结构的对称度降低。在热波动的影响下,当瓷介质温度冷却至居里温度以下的很长一段时间内,晶体点阵中的离子会不断运动至势能较小的位置,这些能量的释放是Ⅱ类瓷介电容器出现电容量老化的关键原因。其容量变化是按照时间对数不断减小的,介电常数与时间的关系,可以用公式(1)来表示:

ε=ε0-k×logt 
(1)
      公式(1)中ε是任意时刻的介电常数,ε0是t时刻的介电常数,k则是衰减速率。
      图1为Ⅱ类瓷介片式电容器在1000h内的老化曲线。由图1可知在1000h内片式电容器的容量值随着时间的延续不断减小,但其变化范围仍符合其精度要求。

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2.    应力加速极限评价
      2.1 环境应力加速试验
      温度冲击试验是为了确定元件暴露于高低温极值下,以及抗御高低温极值交替冲击的能力。常规电容器选择空气法[5]进行试验,其条件为-55℃~+125℃,5次循环。循环试验结束后对试验电容器外观检查、电容量,损耗角正切和绝缘电阻值及机械性能进行评价。
      根据宇航级片式电容器最新采购规范,并参考ESCC 226300《Evaluation Test Programme For Capacitors Fixed》,在电容器可靠性评价的极限评估试验中加严环境应力的考核。为了更好地评价片式电容器的承受高低温的极限能力,试验样品低温贮存96h后,按照温度冲击试验加严条件:-65℃~+150℃,次数为0次、50次、100次…以50次递增,试验结束后记录产品初始以及每50次温度冲击后的电容量,并计算其变化率,试验终止条件:50%失效或到达500次。通过温度冲击加严试验从而得到片式电容器承受高低温的极限值。并在试验结束后对试验样品进行超声波无损扫描检测。
      图2(左)和图2(右)分别为尺寸为0603,额定电压为25V的Ⅱ类瓷介电容器容量和损耗角正切变化率与温度冲击次数的关系曲线。试验样品要求以氧化铝板进行安装,温冲试验500次试验结束后对其电性能进行评价。由图2可知随着温度冲击次数的增加,容量和损耗角变化率逐渐增加。温冲试验完成500次后,试验样品容量值满足精度要求。图3为温冲试验结束后试验样品的超声波无损扫描示意图。超声波无损示意图表明试验样品内部均无可识别的空气类缺陷。
 
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2.2 电应力加速试验
      选择电容器时应充分考虑电路中遇到的各种电应力,同时必须考虑电压对容量、损耗的影响。为了延长电容器的工作寿命,一般采用降额使用。现行业均是依据GJB192B-2011《有失效率等级的无包封多层片式瓷介固定电容器通用规范》中第4.5.9的要求规定进行过程质量控制。为了更好的模拟片式电容器在用户现场的使用情况,针对电容器在极限耐电压条件下的电性能进行评价,从而提高陶瓷片式电容器的可靠性。试验要求在常温下对电容器施加2UR,持续时间60s后,以0.5UR递增的方式增加试验电压,对样品初始、试验中和试验结束后的性能进行评价。耐电压试验结束后对试验样品进行超声波无损扫描。
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      图4为Ⅱ类片式型电容器耐电压极限试验容量、损耗角正切与试验电压的关系曲线。图5为试验结束样品的超声波无损扫描照片。试验电容器在试验电压增加至20.5UR时第1只样品出现击穿失效,电压增加至22.5UR时试验样品均击穿失效。由图5超声无损照片可知试验样品内部均出现不同程度的缺陷。在耐电压进行至8UR后,试验样品容量超出其精度范围,损耗角正切值符合相关标准要求。通过耐电压极限评价试验可以有效地获得电容器可承受的极限电压值,以便准确的选用电容器型号,从而提高整个线路的使用可靠性。
 
3.    电压加速寿命试验
      依据GJB192B-2011《有失效率等级的无包封多层片式瓷介固定电容器通用规范》的第4.5.16要求高温寿命试验:温度为1250+4℃ ,对电容器施加2UR电压保持2000h。寿命试验时间较长,为了快速评价电容器的可靠性,在不改变失效机理的条件下,加大应力,使得故障率增大,从而可在较短时间内获得可靠性评定数据。
 
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      图6为Ⅱ类片式型电容器参考GJB192B-2011《有失效率等级的无包封多层片式瓷介固定电容器通用规范》中4.5.16试验要求。在高温为125℃下对电容器施加3UR、4UR、5UR、6UR电压,时间维持96h后,对试验样品的电容量和损耗角正切值进行考核。由图6可知该试验样品容量值随着筛选电压的增加而减小,损耗角正切值不断增加。在筛选电压施加至6UR,其容量值仍然满足精度要求。根据图6曲线可以推断随着筛选电压的继续增加,试验电容器会出现失效,从而寻找到该电容器在温度应力和电应力的综合作用下的极限值。
 
 
4.    电容器频率特性
      陶瓷片式电容器在低频范围内,其呈现容抗特性;中频范围内,主要是ESR特性;高频范围内,电容器呈现感抗特性。简单地说,电容器可以等效成电容+寄生电感+寄生电阻。每个陶瓷电容器均有一个自谐振频率,陶瓷片式电容器容量值与频率的关系,可以用下列公式(2)来表示,其中L为电感,C为容量值。
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  (2)
 
      为了保证电容器呈容性,其电容器的工作频率应远远小于其自谐振频率。如果线路工作频率高于电容器得自谐振频率,有可能出现电容器在工作时损耗增加产品发热,引起热击穿效应。因此在选择电容器使用时需考虑电容器的谐振频率。图7为Ⅰ类、Ⅱ类电容器容量值随频率的关系曲线。由图7表明在谐振点之前,其容值随着频率的增加而减小;谐振点之后,在使用线路中陶瓷电容器的感抗起主导作用。
 
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5.    结论
      Ⅱ类瓷介片电容器材料的铁电性使其节点常数随着时间的延续而减小。通过对电容器的极限评估试验表明电容器设计的抗电强度有较大的富裕量:高温筛选电压增加至6UR时;温冲次数增加至500次时;连续施加电压增加20.5UR时;试验样品电性能均符合相关标准的要求,经超声波无损扫描检测试验电容器内部无微缺陷出现或者扩展。
 
 

参考文献:
[1]Hiroshi  KISHI, Youichi MIZUNO,  Hirokazu CHAZONO. Base-Metal, Electrode-Multilayer Ceramic Capacitors: Past, Present And Future Perpectives [J].The Japan Society of Applied Physics,2003(42):1-15.
[2]陈祥冲,《多层陶瓷电容器研究现状和发展展望》,材料导报,2004,18(9):12—14.
[3]GJB5968-86 电子设备用固定电容器 第九部分:分规范:2类瓷介电容器 附录A[S] 北京:中国标准出版社,1986.
[4] GJB9324-88 电子设备用固定电容器 第十部分:分规范:多层片状瓷介电容器 附录B[S] 北京:电子工业出版社,1990.
[5]GJB360B-2009 电子及电气元件试验方法[S] 北京:国防科工委军标出版发行部,2009.


作者简介:张倩, 女,硕士, 主要从事片式陶瓷电容器的生产、设计及失效模式分析等方面的研究。
*联系方式:电话:15828343741      邮箱:zhangqian@chinahongke.com        地址:四川省成都市龙泉驿区星光中路20号
 
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