1 Aperçu des MLCC de classe 1 et de classe 2 ?

Fondamentalement, deux types de MLCCS peuvent être différenciés : les condensateurs, qui sont construits en céramique de classe 1 ou de classe 2. Celles-ci varient à plusieurs égards, comme le montre le tableau 1.

Tableau 1 : Aperçu de l'état technique actuel des céramiques de Würth Elektronik eiSos

Les propriétés et tolérances des différentes classes de céramiques sont définies par un codage IEC ou EIA. Selon l'application, une certaine quantité de capacité doit être disponible pour obtenir les performances souhaitées dans des applications telles que les filtres. Il est donc important de comparer les propriétés des composants individuels pour garantir le comportement souhaité lorsqu'ils sont utilisés dans l'application. Il convient également de mentionner qu'avec les MLCC à haute capacité, la capacité élevée n'est disponible qu'avec l'inconvénient d'un vieillissement accru et donc d'une plus grande perte de capacité due à la température et à la tension.

2 Définition du vieillissement

Le vieillissement est un processus dans lequel certaines propriétés changent avec le temps. Les matériaux ferroélectriques tels que le titanate de baryum sont également soumis à ce processus. La structure cristalline du diélectrique (dans ce cas le titanate de baryum) change avec la température et aussi avec le temps. Ceci est considéré comme un vieillissement, car la capacité change ou, plus précisément, est réduite par cet événement. Une autre conséquence du vieillissement est l'augmentation du facteur de perte, qui devient de plus en plus important. Le vieillissement est généralement décrit par un pourcentage de perte de capacité par décennie de temps. Elle est de l'ordre de ~6% après 1000 h pour les céramiques X5R et ~2,5% après 1000 h pour les céramiques X7R par décade heures (1-10, 10-100, 100-1000, ...). Après réalignement du réseau cristallin (par exemple par un processus de température qui peut être répété aussi souvent que souhaité), le vieillissement entraîne une perte de capacité comme le montre la figure 1. Le processus de vieillissement est logarithmique et décroissant avec le temps. Il apparaît bien linéaire sur les graphiques lors de l'utilisation d'échelles logarithmiques.

Figure 1 : Perte de capacité en fonction du temps de fonctionnement

3 Pourquoi le vieillissement existe-t-il pour le titanate de baryum ?

La permittivité du titanate de baryum est définie par la polarisabilité du matériau. D'autres domaines ferroélectriques sont formés par vieillissement. La direction de polarisation spontanée change de telle manière que tous les dipôles ne peuvent pas être "bien" polarisés. Les dipôles de deux domaines adjacents ne pointent plus dans la même direction. Le résultat est la réduction de la capacité. La solution : la reformation du matériau. L'effet du vieillissement est influencé par le temps, la température et la tension. Étant donné que le titanate de baryum est un matériau ferroélectrique et, comme la ferrite, possède des domaines électriques, ces domaines se divisent avec le facteur temps et réduisent ainsi la capacité, voir Figure 2.

Figure 2 : Modification de la structure interne

Par revenu, le processus dit de préchauffage (chauffage du matériau au-dessus de la température de Curie), les domaines existants se dissolvent. En dessous de la température de Curie, le matériau forme alors à nouveau de nouveaux grands domaines, ce qui se traduit à son tour par une capacité élevée. Le mouvement thermique dans le réseau cristallin provoqué par le processus de recuit empêche les dipôles de s'aligner complètement lorsqu'un champ électrique est appliqué, atteignant ainsi une sorte de saturation.

4 Comment arrêter le vieillissement ?

Le diélectrique utilisé dans les MLCC de classe 2 a des propriétés ferroélectriques. Ces propriétés matérielles changent lorsque la température de Curie est dépassée (comme pour les matériaux ferromagnétiques). Au-dessus de cette température, le diélectrique présente une structure cristalline cubique très symétrique, tandis qu'en dessous de la température de Curie ; la structure cristalline a une structure moins symétrique (tétagonale). Le passage des différentes phases (cubique à tétragonale, etc.) se traduit toujours par une valeur maximale de permittivité sur cette plage de température. Pour atteindre un état stable, les atomes du réseau cristallin se déplacent sous l'influence des vibrations thermiques pendant une longue période, même après que le diélectrique s'est refroidi en dessous de la température de Curie (de plus en plus de domaines se forment). Cependant, lorsque le condensateur est chauffé à une température supérieure à la température de Curie, un vieillissement a lieu, c'est-à-dire la capacité perdue en raison du vieillissement est récupérée et le vieillissement recommence à partir du moment où le condensateur se refroidit à nouveau. Cette température est de ~125°C pour le titanate de baryum. En fonction de la durée de dépassement de la température de Curie, cela se traduit par la valeur de capacité qui est réglée. Selon la fiche technique, la recommandation pour un préchauffage à 150°C est de 1 heure. Par ce traitement thermique, la capacité maximale de 100 % du composant peut être restaurée.

5 Effets du vieillissement pour l'application

Dans une application réelle, qui contient de la tension et fonctionne à une certaine température ambiante, une réduction de capacité dans le temps doit généralement être prévue lors de l'utilisation de MLCC. Ceci est inévitable et est causé par le matériau de base utilisé pour la céramique de classe 2. Il appartient maintenant à la conception du condensateur de compenser cette perte de capacité. Un test à 100% est effectué après la fabrication pour s'assurer que toutes les tolérances sont respectées. En fonction de la durée et des conditions de stockage, ces valeurs peuvent évoluer dans le temps. En raison de l'influence de la chaleur du processus de brasage, le processus de vieillissement est réinitialisé (voir annexe, exemple de processus de mesure et de brasage par refusion pour un MLCC avec le DateCode 2014). Dans les applications où des valeurs de capacité stables sont requises, le vieillissement doit être pris en compte ou un MLCC de classe 1 doit être utilisé. Si des condensateurs sont utilisés comme condensateurs de sortie (par ex. dans les régulateurs à découpage), l'effet du vieillissement peut être mieux compensé, car dans ce cas, les fluctuations de capacité se situent dans la plage inférieure à un chiffre et n'ont donc aucun effet négatif sur le fonctionnement du circuit. La capacité résultante d'un MLCC X7R de 22 µF par exemple avec toutes les dépendances est illustrée à la figure 3.

Figure 3 : Capacité réelle compte tenu de toutes les dépendances

6. Conclusion

Le vieillissement est enregistré à température ambiante (environ 20 ° C) et ~ 0 V comme tension appliquée. À température ambiante et à ~ 0 V, les condensateurs céramiques n'ont presque pas d'influences de température, de polarisation CC et de fréquence qui pourraient influencer le vieillissement. En dessous de la température de Curie et après application d'une tension, les propriétés ferroélectriques existantes polarisent les molécules de manière définie. La structure cubique devient une structure tétragonale, ce qui conduit à une diminution de la permittivité et donc de la capacité. Qu'est-ce qui mène maintenant au vieillissement? Si la structure cristalline de la céramique est laissée à température ambiante sans charge, des domaines orientés de manière aléatoire se forment dans lesquels se forment à leur tour des dipôles non directionnels, qui ont une influence négative sur la permittivité. Ces domaines orientés de manière aléatoire "croissent" plus rapidement au début, puis se développent plus lentement. Donc, la perte de capacité est représentée de manière logarithmique. Lorsqu'une tension est appliquée et que la température est augmentée, la formation de domaines orientés aléatoirement ralentit, car les dipôles sont alignés de manière définie par le champ électrique. En pratique, cela signifie que le vieillissement tel qu'illustré à la figure 1 est un chiffre du « pire cas ». Étant donné que la diminution de capacité via la polarisation CC et la température est nettement supérieure au vieillissement attendu, cette valeur est supposée fixe.

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