Le condensateur céramique multicouche (MLCC) est l'une des variétés de condensateurs les plus courantes trouvées dans la conception électronique. Il offre une large gamme de capacité globale et de tolérance de tension dans de nombreux facteurs de forme à un coût relativement faible. Alors que ces dispositifs sont devenus monnaie courante dans le coffre à outils des concepteurs, ils présentent des particularités souvent négligées.

La principale préoccupation est la sensibilité de la capacité effective à plusieurs facteurs environnementaux, notamment la température, la tension de polarisation appliquée et l'âge. Si ces facteurs ne sont pas pris en compte, le risque de défaillance du produit devient très réel, en particulier dans la variabilité de la fabrication et l'empilement global des tolérances.

Considérations relatives à la température du MLCC

Les MLCC sont généralement divisés en deux classes en fonction du type de matériau céramique utilisé pour le diélectrique. Les condensateurs de classe I sont les plus robustes avec le moins de sensibilités et sont généralement construits à partir de TiO2. Un code EIA à trois lettres est utilisé pour classer le coefficient de température (TC) en ppm par degré Celsius, un multiplicateur et une tolérance. Les condensateurs de classe I sont souvent répertoriés comme C0G, qui est la plus basse de toutes les sensibilités à la température, ce qui implique une plage de température de -55 °C à +125 °C avec un changement de capacité de ±30 ppm/°C et une capacité totale variant de moins de ±0,3 % .

Les condensateurs de classe II sont généralement construits à partir de diélectriques BaTiO3 et offrent une gamme beaucoup plus large de capacité globale au détriment d'une sensibilité à la température plus élevée. Les appareils de classe II couramment utilisés sont X7R, Y5V, Z5U. Le tableau 1 présente les codes EIA et les valeurs correspondantes pour le coefficient de température et la plage de capacité.

À l'aide du tableau 1, quelques exemples sont présentés ci-dessous :

• l -55 à + 125 degrés avec un changement de capacité de ± 15% Le code EIA est X7R
• l-55 à + 85 degrés avec un changement de capacité de ± 15% le code EIA est X5R
• l -30 à +85 degrés avec un changement de capacité de +22%, -82% Le code EIA est Y5V

Tableau 1. Code EIA diélectrique de classe céramique

Figure 1 - Variation de la capacité MLCC en fonction de la température pour différents codes EIA

La figure 1 illustre le changement de capacité sur toute la plage de température pour plusieurs MLCC codés EIA différents. Connaître les conditions environnementales dans lesquelles un condensateur fonctionne et comprendre la variation tolérable de la conception peut être essentiel au bon fonctionnement. Par exemple, dans une application à haute température, choisir un appareil Y5V à faible coût au lieu d'un appareil X7R plus approprié garantirait pratiquement son échec.

Impact de la tension DC BIAS sur les condensateurs MLCC

Une autre sensibilité inhérente aux condensateurs MLCC est le changement de capacité globale avec la tension de polarisation CC appliquée. Par exemple, comme le montre la figure 2, plus la tension continue appliquée est élevée, plus la capacité effective est petite. La capacité dans cet exemple chute d'environ 45 % à 25 V, soit seulement la moitié de la valeur nominale de 50 V de l'appareil.

L'origine de ce phénomène est la structure cristalline du diélectrique céramique. En l'absence de tension continue appliquée, aucun champ électrique n'est présent et les dipôles de cristal s'arrangeront de manière aléatoire dans tout l'appareil. Ce scénario est appelé polarisation spontanée et entraîne une constante diélectrique élevée et, à son tour, une capacité élevée.

Figure 2 - Changement de capacité par rapport à la tension continue appliquée pour un MLCC X7R 50V automobile

Figure 3 - Polarisation du cristal sans (haut) et avec (bas) tension de polarisation CC appliquée

Lorsqu'une faible tension continue est appliquée, le champ électrique entraîne l'alignement parallèle de certains dipôles, comme illustré à la figure 3. Cet alignement des dipôles avec le champ électrique diminue la capacité. Au fur et à mesure que la tension continue est appliquée, davantage de dipôles commenceront à s'aligner et la capacité se dégrade continuellement. Une fois la tension nominale atteinte, les niveaux de capacité peuvent chuter jusqu'à 70 % par rapport à leur valeur nominale. Les appareils de classe II, en particulier, en souffrent en raison de leur construction en BaTiO3.

Tout comme dans le cas de la sensibilité à la température, être conscient de la dépendance à la tension de polarisation CC peut grandement influencer une conception. Si un MLCC est utilisé pour filtrer un petit signal CA avec une composante CC minimale, diverses options MLCC peuvent convenir. Si, au lieu de cela, la conception filtre l'ondulation d'un régulateur CC haute tension, le MLCC n'est peut-être pas le meilleur choix.

Le facteur clé de la dépendance à la polarisation CC est l'épaisseur du diélectrique. Au fur et à mesure que le diélectrique s'épaissit, l'intensité du champ électrique est affaiblie et la réduction de capacité est minimale. Par conséquent, pour minimiser l'effet de polarisation CC, un concepteur peut appliquer les techniques suivantes :

• l Choisissez une taille de boîtier plus grande
• L Choisissez une tension nominale plus élevée
• l Choisissez un meilleur diélectrique
• l Mettre plusieurs appareils en parallèle

Vieillissement MLCC

Les matériaux diélectriques utilisés dans les MLCC de classe supérieure pour obtenir une capacité élevée souffrent d'un processus de vieillissement inhérent. Le réseau cristallin de ces matériaux a une énergie de déformation intégrée qui donne naissance à un dipôle électrique permanent. Au fil du temps, cette contrainte se détend et la capacité se dégrade lentement.

La figure 4 montre un exemple d'un appareil X7R et Y5V sur 1000 heures de vieillissement. Bien que ce processus de vieillissement puisse être inversé en augmentant la température de l'appareil au-dessus de 120 °C, le concepteur doit simplement inclure l'effet du vieillissement dans les calculs de durée de vie du produit.

Figure 4 - X7R vs Y5V MLCC dégradation de la capacité par l'âge diélectrique en céramique

Conclusion

Bien que les MLCC soient des dispositifs inestimables dans la conception électronique moderne, leurs limites doivent être comprises. Contrairement à d'autres technologies de condensateurs, le concepteur doit être intimement familiarisé avec les exigences de température, de polarisation CC et de vieillissement de l'application prévue. Ce n'est qu'alors que le matériau diélectrique, la taille du boîtier et la topologie du circuit appropriés peuvent être décidés.

Source :EPCI