1 ¿Resumen de los MLCC de Clase 1 y Clase 2?

Básicamente, se pueden diferenciar dos tipos de MLCCS: capacitores, que están construidos con cerámica de clase 1 o clase 2. Estos varían en varios aspectos como se muestra en la tabla 1.

Tabla 1: Resumen del estado técnico actual de las cerámicas de Würth Elektronik eiSos

Las propiedades y tolerancias de las diferentes clases de cerámica están definidas por una codificación IEC o EIA. Dependiendo de la aplicación, debe estar disponible una cierta cantidad de capacitancia para lograr el rendimiento deseado en aplicaciones tales como filtros. Por lo tanto, es importante comparar las propiedades de los componentes individuales para garantizar el comportamiento deseado cuando se utilizan en la aplicación. También se debe mencionar que con los MLCC de alta capacitancia, la alta capacitancia solo está disponible con el inconveniente de un mayor envejecimiento y, por lo tanto, una mayor pérdida de capacitancia debido a la temperatura y el voltaje.

2 Definición de envejecimiento

El envejecimiento es un proceso en el que ciertas propiedades cambian con el tiempo. Los materiales ferroeléctricos como el titanato de bario también están sujetos a este proceso. La estructura cristalina del dieléctrico (en este caso titanato de bario) cambia con la temperatura y también con el tiempo. Esto se considera envejecimiento, ya que la capacidad cambia o, más precisamente, se reduce por este evento. Otro resultado del envejecimiento es el aumento del factor de pérdida, que se hace cada vez mayor. El envejecimiento generalmente se describe como un porcentaje de pérdida de capacitancia por década de tiempo. Está en el rango de ~6 % después de 1000 h para cerámicas X5R y ~2,5 % después de 1000 h para cerámicas X7R por década horas (1-10, 10-100, 100-1000, ...). Después de realinear la red cristalina (por ejemplo, mediante un proceso de temperatura que se puede repetir tantas veces como se desee), el envejecimiento conduce a una pérdida de capacitancia, como se muestra en la Figura 1. El proceso de envejecimiento es logarítmico y decreciente con el tiempo. Aunque parece lineal en los gráficos cuando se usan escalas logarítmicas.

Figura 1: Pérdida de capacidad versus tiempo de operación

3 ¿Por qué existe el envejecimiento para el titanato de bario?

La permitividad del titanato de bario se define por la polarizabilidad del material. Otros dominios ferroeléctricos se forman por envejecimiento. La dirección de polarización espontánea cambia de tal manera que no todos los dipolos pueden polarizarse "bien". Los dipolos de dos dominios adyacentes ya no apuntan en la misma dirección. El resultado es la reducción de la capacitancia. La solución: reforma del material. El efecto del envejecimiento está influenciado por el tiempo, la temperatura y el voltaje. Dado que el titanato de bario es un material ferroeléctrico y, como la ferrita, tiene dominios eléctricos, estos dominios se dividen con el factor tiempo y, por lo tanto, reducen la capacitancia, consulte la Figura 2.

Figura 2: Cambio de la estructura interna

Mediante el templado, el llamado proceso de precalentamiento (calentamiento del material por encima de la temperatura de Curie), los dominios existentes se disuelven. Por debajo de la temperatura de Curie, el material vuelve a formar nuevos dominios grandes, lo que a su vez da como resultado una alta capacidad. El movimiento térmico en la red cristalina provocado por el proceso de recocido impide que los dipolos se alineen completamente cuando se aplica un campo eléctrico, llegando así a una especie de saturación.

4 ¿Cómo se puede detener el envejecimiento?

El dieléctrico utilizado en los MLCC Clase 2 tiene propiedades ferroeléctricas. Estas propiedades del material cambian cuando se excede la temperatura de Curie (como ocurre con los materiales ferromagnéticos). Por encima de esta temperatura, el dieléctrico tiene una estructura cristalina cúbica altamente simétrica, mientras que por debajo de la temperatura de Curie; la estructura cristalina tiene una estructura menos simétrica (tetragonal). La transición de las diferentes fases (cúbica a tetragonal, etc.) siempre da como resultado un valor máximo de permitividad en este rango de temperatura. Para lograr un estado estable, los átomos en la red cristalina se mueven bajo la influencia de la vibración térmica durante mucho tiempo, incluso después de que el dieléctrico se haya enfriado por debajo de la temperatura de Curie (se forman más y más dominios). Sin embargo, cuando el condensador se calienta a una temperatura superior a la temperatura de Curie, se produce el envejecimiento, es decir, la capacidad perdida debido al envejecimiento se recupera y el envejecimiento comienza nuevamente desde el punto en que el capacitor se enfría nuevamente. Esta temperatura es ~125°C para el titanato de bario. Dependiendo de cuánto tiempo se exceda la temperatura de Curie, esto da como resultado el valor de capacitancia que se establece. Según la ficha técnica, la recomendación de precalentamiento a 150°C es de 1 hora. Mediante este tratamiento térmico, se puede restaurar la capacidad máxima del 100% del componente.

5 Efectos del envejecimiento para la aplicación

En una aplicación real, que contiene tensión y funciona a una determinada temperatura ambiente, generalmente se debe prever una reducción de la capacidad con el tiempo cuando se utilizan MLCC. Esto es inevitable y es causado por el material base utilizado para la cerámica Clase 2. Ahora depende del diseño del capacitor compensar esta pérdida de capacitancia. Se realiza una prueba al 100% después de la fabricación para garantizar que se cumplan todas las tolerancias. Dependiendo del tiempo de almacenamiento y las condiciones de almacenamiento, estos valores pueden cambiar con el tiempo. Debido a la influencia del calor del proceso de soldadura, el proceso de envejecimiento se restablece (consulte el apéndice, ejemplo de medición y proceso de soldadura por reflujo para un MLCC con el código de fecha 2014). En aplicaciones donde se requieren valores de capacitancia estables, se debe considerar el envejecimiento o se debe usar un MLCC Clase 1. Si se utilizan condensadores como condensadores de salida (p. ej. en reguladores de conmutación), el efecto del envejecimiento se puede compensar mejor, ya que en este caso las fluctuaciones de capacitancia están en el rango bajo de un solo dígito y, por lo tanto, no tienen un efecto negativo en la función del circuito. La capacitancia resultante de, por ejemplo, un MLCC X7R de 22 µF con todas las dependencias se muestra en la figura 3.

Figura 3: Capacidad real considerando todas las dependencias

6. Conclusión

El envejecimiento se registra a temperatura ambiente (alrededor de 20 °C) y ~0 V como tensión aplicada. A temperatura ambiente y ~0 V, los condensadores cerámicos casi no tienen influencias de temperatura, polarización de CC y frecuencia que puedan influir en el envejecimiento. Por debajo de la temperatura de Curie y tras aplicar un voltaje, las propiedades ferroeléctricas existentes polarizan las moléculas de manera definida. La estructura cúbica se convierte en una estructura tetragonal, lo que conduce a una disminución de la permitividad y, por tanto, de la capacidad. ¿Qué conduce ahora al envejecimiento? Si la estructura cristalina de la cerámica se deja a temperatura ambiente sin carga, se forman dominios orientados aleatoriamente en los que, a su vez, se forman dipolos no direccionales, que influyen negativamente en la permitividad. Estos dominios orientados aleatoriamente "crecen" más rápido al principio y luego se desarrollan más lentamente. Por lo tanto, la pérdida de capacidad se muestra de forma logarítmica. Cuando se aplica un voltaje y se aumenta la temperatura, se ralentiza la formación de dominios orientados al azar, ya que los dipolos están alineados de manera definida por el campo eléctrico. En la práctica, esto significa que el envejecimiento, como se muestra en la Figura 1, es una cifra del "peor de los casos". Dado que la disminución de la capacidad a través de la polarización de CC y la temperatura es significativamente mayor que el envejecimiento esperado, se asume un valor fijo.

Fuente:elemento