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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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Langzeitbelastung mit 100 Prozent Nennspannung bei Raumtemperatur

Bei einer zweiten Zusammenstellung von Kondensatoren wurden alle Bauteile mit 100 Prozent der Nennspannung (50 V) beaufschlagt. Bei diesem Test ging es darum herauszufinden, wie ein stärkeres Feld die DC-Bias-Alterung beeinflusst. In Bild 6 stellt den Kapazitätsverlust über die Zeit dar, wiederum bezogen auf die Kapazität nach Anlegen der 50-V-Vorspannung. Im Vergleich zu Bild 5 (40 Prozent Vorspannung) ist in Bild 6 (100 Prozent Vorspannung) erkennbar, dass der Kapazitätsverlust schneller verläuft. Die Wettbewerbsprodukte zeigten aufgrund von DC-Bias-Alterung anfänglich einen wesentlich höheren Kapazitätsverlust als die Kondensatoren von Vishay, die sich auch unter diesen Bedingungen bis zu 100 Stunden lang als stabiler erwiesen. Dieser Vorteil ging ab etwa 1000 Stunden Vorspannungsbelastung allmählich verloren.

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Wiederherstellung der Kapazität nach langer 100-Prozent-Vorspannungsbelastung
Um die Wiederherstellung der Kapazität nach langer Belastung mit 100 Prozent der Nennspannung zu testen, entfernte man die Vorspannung (0 V), und die Kondensatoranschlüsse wurden kurzgeschlossen, um den Aufbau einer Restspannung zu verhindern. Dann erfolgte die Messung der effektiven Kapazität ohne Vorspannung dann in gewissen Zeitabständen.

Aus Bild 7 geht hervor, dass sich die Kondensatoren nach dem Entfernen der DC-Vorspannung langsam von dem Kapazitätsverlust erholten, den sie bei 100 Prozent Vorspannung erlitten hatten. Bei Raumtemperatur benötigten die Wettbewerbsprodukte für die Wiederherstellung der Kapazität bis auf 95 Prozent länger, nämlich zwischen 50 und 1000 Stunden. Im Vergleich dazu erholte sich der Kondensator von Vishay sehr schnell bis auf beinahe 95 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität. Alle getesteten Kondensatoren hatten nach einstündiger Erwärmung auf 150 °C wieder 100 Prozent ihre Kapazität.

Langzeitbelastung mit 40 Prozent Nennspannung

Eine längere Belastung der X7R-Kondensatoren mit einer DC-Vorspannung führte zu einer Kapazitätsabnahme, die wesentlich stärker ist als die natürliche Drift aufgrund der normalen Alterung. Die Wettbewerbsprodukte zeigten aufgrund von DC-Bias-Alterung anfänglich einen wesentlich höheren Kapazitätsverlust als die Kondensatoren von Vishay, die sich auch unter diesen Bedingungen bis zu 1000 Stunden lang als stabiler erwiesen. Aufgrund ihrer geringen Kapazitätsdrift infolge von DC-Bias-Alterung weisen die Kondensatoren von Vishay nach längerer DC-Belastung die höchste Restkapazität auf. Diese Ergebnisse gelten für DC-Vorspannungsfeldstärken in der Größenordnung bis 2,5 V/μm. Da MLCCs nur selten bei 100 Prozent der Nennspannung betrieben werden, ist diese Spannungsstress-Situation auf die meisten MLCCs in typischen Anwendungen realistisch.

Langzeitbelastung bei 100 Prozent Nennspannung

Wie bei einer DC-Vorspannungsbelastung in Höhe von 40 Prozent der Nennspannung führt auch eine 100-Prozent-Belastung von X7R-Kondensatoren zu einer relativ starken Kapazitätsdrift – allerdings sehr viel schneller. Die Wettbewerbsprodukte zeigten aufgrund von DC-Bias-Alterung anfänglich einen wesentlich höheren Kapazitätsverlust als die Kondensatoren von Vishay, die sich auch unter diesen Bedingungen bis zu 100 Stunden lang als stabiler erwiesen. Ab etwa 1000 Stunden DC-Vorspannung verringerte sich dieser Vorteil allmählich. Diese Ergebnisse gelten für DC-Vorspannungsfeldstärken in der Größenordnung von 6 V/μm und mehr.

Erholgeschwindigkeiten

Nach Entfernen der DC-Vorspannung erholten sich die Wettbewerbsprodukte wesentlich langsamer als die Kondensatoren von Vishay, die innerhalb weniger Minuten wieder 95 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität erreichten. Die Wettbewerbsprodukte benötigten für eine Erholung auf 95 Prozent zwischen 50 und 1000 Stunden. Alle getesteten Kondensatoren erholten sich nach einer einstündigen Wärmebehandlung bei 150 °C auf 100 Prozent.

Fazit

In ihren Ergebnisse decken sich Vishays erste Tests zur DC-Bias-Alterung von Class-II-MLCCs mit denen früherer Berichte. Unter allen Kandidaten war der getestete Kondensator von Vishay am wenigsten von DC-Bias-Alterung betroffen – er wies die geringste Kapazitätsdrift über die Zeit auf.

Diese Studie war nicht dazu gedacht, die physikalischen, chemischen oder materiellen Gründe für die Leistungsunterschiede zwischen den verschiedenen MLCC-Fabrikaten zu untersuchen. Die vollständige Wiederherstellung der Kapazität nach dem Erhitzen über die Curie-Temperatur scheint jedoch darauf hinzuweisen, dass die DC-Bias-Alterung mit zeitabhängigen Veränderungen der Domänenstruktur zusammenhängt, die sich aus der längeren Einwirkung eines Vorspannungsfeldes ergeben. Zudem werden MLCCs von Vishay in einer Edelmetalltechnologie gefertigt. Dagegen werden die drei getesteten Wettbewerbsprodukte in einer Technologie mit unedlen Metallen gefertigt.

Diese Materialunterschiede könnten zu dem unterschiedlichen Verhalten hinsichtlich DC-Bias-Alterung beitragen. Fest steht jedenfalls, dass Kapazitätsverlust infolge von DC-Bias-Alterung eine kritische Charakteristik ist, die Entwickler berücksichtigen sollten. Deshalb ist Vishay dabei, die DC-Bias-Alterung seiner X7R-Kondensatoren in seine Datenblätter aufzunehmen. Vishay wird seine DC-Bias-Alterungstests bei Raumtemperatur über mindestens 100 Stunden bei 20 Prozent, 40 Prozent und 60 Prozent der Nennspannung durchführen.