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Multilayer-Chip-Kondensatoren

DC-Bias-Alterung und Kapazitätsdrift

11. Oktober 2022, 8:23 Uhr | Von Paul Coppens, Eli Bershadsky, John Rogers und Brian Ward, Vishay Vitramon

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Alterungsphänomene bei ferroelektrischen Keramiken

Oberhalb der Curie-Temperatur weist Bariumtitanat eine kubische Struktur auf. In diesem Zustand ist das Dielektrikum nicht ferroelektrisch, und es findet keine spontane Polarisation statt. Beim Abkühlen unter die Curie-Temperatur ändert sich die Kristallstruktur in eine tetraedrische Struktur. Dadurch kann sich das Titan-Atom permanent aus der Mitte des Kristallgitters bewegen, was zu einer permanenten Polarisierung führt. Im Laufe der Zeit ordnen sich die Domänen immer wieder neu an und verringern so die innere Spannung. Diese allmähliche Neuordnung der Domänen führt dazu, dass die Kapazität mit der Zeit abnimmt. Typischerweise folgt die Alterung einem logarithmischen Gesetz, das mathematisch wie folgt beschrieben wird:

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wobei C = Kapazität nach der Zeit t C0 = anfängliche Kapazität A = Alterungskonstante

In der Regel liegen die Alterungsraten in der Größenordnung von 1 Prozent oder 2 Prozent pro Dekade. In der Praxis bedeutet dies, dass die Kapazität im Zeitraum zwischen 1 Stunde und 10 Stunden nach »Verjüngung« um 1 Prozent oder 2 Prozent abnimmt. Ein ähnlicher Kapazitätsabfall tritt zwischen 10 Stunden und 100 Stunden und zwischen 100 Stunden und 1000 Stunden auf. Den Alterungsprozess kann man durch Erhitzen des Dielektrikums über seinen Curie-Punkt zwecks Beseitigung der Domänen rückgängig machen. Beim Abkühlen unter den Curie-Punkt bilden sich die Domänen erneut, und der Alterungsprozess beginnt von vorn (Bild 3).

Normalerweise sind der VCC-Effekt und der Alterungseffekt weitgehend voneinander unabhängige Phänomene. Bis vor Kurzem ging man davon aus, dass sich beim Anlegen einer Gleichspannung die Kapazität auf ein bestimmtes Niveau verringert. Bei kontinuierlicher Beaufschlagung mit einer konstanten Gleichspannung wurde nur eine langsame Abnahme der Kapazität entsprechend der Alterungsrate erwartet. Jüngste Erkenntnisse über die Kapazitätsveränderung im Laufe der Zeit unter dem Einfluss einer Vorspannung deuten jedoch darauf hin, dass es eine zeitabhängige Kapazitätsdrift gibt, die viel größer sein kann als der normale Alterungseffekt. Sind die Kondensatoren in einer Anwendung über einen längeren Zeitraum einer Vorspannung ausgesetzt, reicht die Kenntnis der VCC und der Alterungseffekte allein nicht aus, um die Kapazitätsdrift im Laufe der Zeit korrekt vorherzusagen.

Messanordnung und Messverfahren zur Analyse der DC-Bias-Alterung

Für die Messungen kamen zehn 0603-X7R MLCCs (100 nF/50 V) von Vishay und drei anderen Herstellern zum Einsatz; alle Bauteile waren auf eine Leiterplatte gelötet. Vor Beginn der Messungen wurden sämtliche Kondensatoren bei 150 °C für die Dauer einer Stunde »verjüngt«. Diese bestückten Kondensatoren wurden in eine Halterung eingesetzt und über die gesamte Dauer der Prüfung einer konstanten DC-Vorspannung von 40 Prozent und 100 Prozent Nennspannung ausgesetzt. Nach bestimmten Zeiträumen wurden die Leiterplatten vorübergehend aus ihren Halterungen entfernt, wobei die Bauteile noch einen Großteil ihrer elektrischen Ladung enthielten.

Dann wurde die Kapazität gemessen, wobei man Messspannung und Polarität beibehielt. Danach wurden die Leiterplatten wieder in die Halterungen eingebaut und einer DC-Bias-Alterung über 1000 Stunden unterzogen.

Langzeitbelastung mit 40 Prozent Nennspannung

Bei einer der Zusammenstellungen von Kondensatoren wurden alle Bauteile mit 40 Prozent der Nennspannung (20 V DC) beaufschlagt. Dieser Spannung waren die Kondensatoren für die Dauer von zehn Minuten ausgesetzt, um den anfänglichen VCC-Effekt abklingen zu lassen. Bild 5 zeigt den prozentualen Kapazitätsverlust über der Zeit. Das Diagramm zeigt den relativen Kapazitätsverlust nach dem anfänglichen Einfluss von Vorspannung und VCC. Dabei wird der anfängliche Kapazitätsverlust auf 0 Prozent normalisiert und der Fokus auf die DC-Bias-Alterungsrate der verschiedenen Fabrikate gelegt.

Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die DC-Bias-Alterungsrate bei allen Wettbewerbsprodukten weitaus höher ist als die spezifizierten 1 Prozent bis 3 Prozent pro Dekade. Beispielsweise hat der Kondensator des Herstellers 2 nach 100 Stunden im Mittel 10 Prozent pro Dekade an Kapazität verloren. Nach 1000 Stunden haben alle Wettbewerbsprodukte mehr als 20 Prozent ihrer Kapazität verloren. Die zeitlichen Verläufe der Kapazitätsverlustraten sind alles andere als linear, doch die Verlustraten der Wettbewerbsprodukte über drei Dekaden (1 Stunde bis 1000 Stunden) überstiegen 7 Prozent pro Dekade bei 40 Prozent Vorspannung.

Dagegen verhielt sich der Kondensator von Vishay während des gesamten Tests relativ stabil, doch zwischen 100 und 1000 Stunden erhöhte sich die Kapazitätsverlustrate geringfügig. Aufgrund seiner geringeren Kapazitätsdrift hatte der Kondensator von Vishay die größte Restkapazität – er verlor nach 1000 Stunden insgesamt weitere 5 Prozent. Während des Versuchs schien die DC-Bias-Alterung für alle getesteten Kondensatoren sich ab 1000 Stunden zu verlangsamen und einem für das Dielektrikum charakteristischen Grenzwert zu nähern.