1 Visão geral sobre MLCCs de Classe 1 e Classe 2?

Basicamente, dois tipos de MLCCSs podem ser diferenciados: capacitores, que são construídos com cerâmica de classe 1 ou classe 2. Estes variam em vários aspectos, como mostra a tabela 1.

Tabela 1: Visão geral do estado técnico atual da cerâmica Würth Elektronik eiSos

As propriedades e tolerâncias das diferentes classes de cerâmica são definidas por uma codificação IEC ou EIA. Dependendo da aplicação, uma certa quantidade de capacitância deve estar disponível para atingir o desempenho desejado em aplicações como filtros. Portanto, é importante comparar as propriedades dos componentes individuais para garantir o comportamento desejado quando usados ​​no aplicativo. Também deve ser mencionado que com MLCCs de alta capacitância, a alta capacitância só está disponível com a desvantagem do aumento do envelhecimento e, portanto, uma maior perda de capacitância devido à temperatura e tensão.

2 Definição de envelhecimento

O envelhecimento é um processo no qual certas propriedades mudam ao longo do tempo. Materiais ferroelétricos como o titanato de bário também estão sujeitos a este processo. A estrutura cristalina do dielétrico (neste caso titanato de bário) muda com a temperatura e também com o tempo. Isso é considerado envelhecimento, pois a capacidade muda ou, mais precisamente, é reduzida por esse evento. Outro resultado do envelhecimento é o aumento do fator de perda, que se torna cada vez maior. O envelhecimento é geralmente descrito por uma perda percentual de capacitância por década de tempo. Está na faixa de ~6% após 1000 h para cerâmica X5R e ~2,5% após 1000 h para cerâmica X7R por década horas (1-10, 10-100, 100-1000, ...). Depois de realinhar a rede cristalina (por exemplo, por um processo de temperatura que pode ser repetido tantas vezes quanto desejado), o envelhecimento leva a uma perda de capacitância, conforme mostrado na Figura 1. O processo de envelhecimento é logarítmico e decresce com o tempo. Embora pareça linear nos gráficos ao usar escalas logarítmicas.

Figura 1: Perda de capacidade x tempo de operação

3 Por que existe o envelhecimento do titanato de bário?

A permissividade do titanato de bário é definida pela polarizabilidade do material. Outros domínios ferroelétricos são formados pelo envelhecimento. A direção da polarização espontânea muda de tal forma que nem todos os dipolos podem ser "bem" polarizados. Os dipolos de dois domínios adjacentes não apontam mais na mesma direção. O resultado é a redução da capacitância. A solução: reforma do material. O efeito do envelhecimento é influenciado pelo tempo, temperatura e voltagem. Como o titanato de bário é um material ferroelétrico e, como a ferrita, possui domínios elétricos, esses domínios se dividem com o fator tempo e, assim, reduzem a capacitância, veja a Figura 2.

Figura 2: Alteração da estrutura interna

Ao revenir, o chamado processo de pré-aquecimento (aquecendo o material acima da temperatura Curie), os domínios existentes se dissolvem. Abaixo da temperatura de Curie, o material forma novos grandes domínios novamente, o que, por sua vez, resulta em alta capacidade. O movimento térmico na rede cristalina causado pelo processo de recozimento impede que os dipolos se alinhem completamente quando um campo elétrico é aplicado, atingindo assim uma espécie de saturação.

4 Como parar o envelhecimento?

O dielétrico usado nos MLCCs Classe 2 tem propriedades ferroelétricas. Essas propriedades do material mudam quando a temperatura de Curie é excedida (como acontece com os materiais ferromagnéticos). Acima desta temperatura, o dielétrico tem uma estrutura cristalina cúbica altamente simétrica, enquanto abaixo da temperatura Curie; a estrutura cristalina tem uma estrutura menos simétrica (tetragonal). A transição das diferentes fases (cúbica para tetragonal, etc.) sempre resulta em um valor máximo de permissividade nessa faixa de temperatura. Para alcançar um estado estável, os átomos na rede cristalina se movem sob a influência da vibração térmica por um longo tempo, mesmo depois que o dielétrico esfria abaixo da temperatura Curie (mais e mais domínios são formados). No entanto, quando o capacitor é aquecido a uma temperatura acima da temperatura de Curie, ocorre o envelhecimento, ou seja, a capacidade perdida devido ao envelhecimento é recuperada e o envelhecimento começa novamente a partir do ponto em que o capacitor esfria novamente. Esta temperatura é de ~125°C para o titanato de bário. Dependendo de quanto tempo a temperatura Curie é excedida, isso resulta no valor de capacitância que é definido. De acordo com a ficha técnica, a recomendação de pré-aquecimento a 150°C é de 1 hora. Por meio desse tratamento térmico, é possível restaurar no máximo 100% da capacidade do componente.

5 Efeitos do envelhecimento para a aplicação

Em uma aplicação real, que contém tensão e é operada em uma determinada temperatura ambiente, geralmente deve ser prevista uma redução da capacidade ao longo do tempo ao usar MLCCs. Isso é inevitável e é causado pelo material de base usado para cerâmica de classe 2. Cabe agora ao projeto do capacitor compensar essa perda de capacitância. Um teste de 100% é realizado após a fabricação para garantir que todas as tolerâncias sejam atendidas. Dependendo do tempo de armazenamento e das condições de armazenamento, esses valores podem mudar com o tempo. Devido à influência do calor do processo de soldagem, o processo de envelhecimento é redefinido (consulte o apêndice, exemplo de medição e processo de soldagem por refluxo para um MLCC com o DateCode 2014). Em aplicações onde são necessários valores de capacitância estáveis, o envelhecimento deve ser considerado ou um MLCC Classe 1 deve ser usado. Se capacitores forem usados ​​como capacitores de saída (p. em reguladores de comutação), o efeito do envelhecimento pode ser melhor compensado, pois neste caso as flutuações de capacitância estão na faixa baixa de um dígito e, portanto, não têm efeito negativo sobre a função do circuito. A capacitância resultante de, por exemplo, 22 µF X7R MLCC com todas as dependências é mostrada na figura 3.

Figura 3: Capacidade real considerando todas as dependências

6. Conclusão

O envelhecimento é registrado em temperatura ambiente (cerca de 20 °C) e ~0 V como tensão aplicada. À temperatura ambiente e ~ 0 V, os capacitores de cerâmica quase não têm temperatura, polarização CC e influências de frequência que podem influenciar o envelhecimento. Abaixo da temperatura de Curie e após a aplicação de uma tensão, as propriedades ferroelétricas existentes polarizam as moléculas de maneira definida. A estrutura cúbica torna-se uma estrutura tetragonal, o que leva a uma diminuição da permissividade e, portanto, da capacidade. O que agora leva ao envelhecimento? Se a estrutura cristalina da cerâmica for deixada à temperatura ambiente sem carga, são formados domínios orientados aleatoriamente nos quais, por sua vez, são formados dipolos não direcionais, que têm uma influência negativa na permissividade. Esses domínios orientados aleatoriamente "crescem" mais rápido no início e depois se desenvolvem mais lentamente. Portanto, a perda de capacidade é mostrada logaritmicamente. Quando uma tensão é aplicada e a temperatura é aumentada, a formação de domínios orientados aleatoriamente diminui, pois os dipolos são alinhados de maneira definida pelo campo elétrico. Na prática, isso significa que o envelhecimento, conforme mostrado na Figura 1, é uma figura do “pior caso”. Uma vez que a diminuição da capacidade via polarização DC e temperatura é significativamente maior do que o envelhecimento esperado, este é considerado um valor fixo.

Fonte: elemento