1 Overview about Class 1 and Class 2 MLCCs?

Basically, two types of MLCCSs can be differentiated: capacitors, which are constructed of class 1 or class 2 ceramics. These vary in several aspects as shown in table 1.

Table 1: Overview of the current technical status of the Würth Elektronik eiSos’ ceramics

さまざまなセラミック クラスの特性と許容差は、IEC または EIA コーディングによって定義されます。アプリケーションに応じて、フィルタなどのアプリケーションで望ましい性能を達成するには、一定量の静電容量が必要です。したがって、アプリケーションで使用するときに望ましい動作を保証するために、個々のコンポーネントのプロパティを比較することが重要です。また、高静電容量の MLCC では、その高静電容量を利用できるのは、経年劣化が進み、温度や電圧による静電容量の損失が大きくなるという欠点があることにも注意してください。

2 老化の定義

老化とは、時間の経過とともに特定の特性が変化するプロセスです。チタン酸バリウムなどの強誘電体材料もこのプロセスの対象となります。誘電体 (この場合はチタン酸バリウム) の結晶構造は、温度および時間とともに変化します。このイベントによって容量が変化するか、より正確には減少するため、これは経年劣化と考えられます。経年劣化のもう 1 つの結果は損失係数の増加であり、損失係数は着実に大きくなります。経年劣化は通常、10 年ごとの静電容量の損失の割合で表されます。これは、10 時間あたり (1 ～ 10、10 ～ 100、100 ～ 1000 など)、X5R セラミックの場合は 1000 時間後約 6%、X7R セラミックの場合は 1000 時間後に約 2.5% の範囲にあります。結晶格子を再調整した後（たとえば、必要なだけ繰り返すことができる温度プロセスによって）、図1に示すように、エージングにより静電容量の損失が生じます。老化のプロセスは対数的であり、時間とともに減少します。ただし、対数スケールを使用すると、チャート上では線形に見えます。

図 1: 容量損失と動作時間の関係

3 チタン酸バリウムに時効が存在するのはなぜですか?

チタン酸バリウムの誘電率は、材料の分極率によって定義されます。さらに、エージングによって強誘電体ドメインが形成されます。自発分極の方向は、すべての双極子が「うまく」分極できないように変化します。2 つの隣接するドメインの双極子は同じ方向を向いていません。その結果、静電容量が減少します。解決策: 材料の再構成。経年劣化の影響は、時間、温度、電圧の影響を受けます。チタン酸バリウムは強誘電体材料であり、フェライトと同様に電気ドメインを持っているため、これらのドメインは係数時間で分割され、静電容量が減少します (図 2 を参照)。

図2：内部構造の変化

焼き戻し、いわゆる予熱プロセス (材料をキュリー温度以上に加熱する) によって、既存のドメインが溶解します。キュリー温度を下回ると、材料は再び新しい大きなドメインを形成し、その結果、高容量が得られます。アニーリングプロセスによって引き起こされる結晶格子内の熱の動きにより、電場が印加されたときに双極子が完全に整列することが妨げられ、一種の飽和に達します。

4 老化はどうやって止めることができるのでしょうか？

クラス 2 MLCC で使用される誘電体は、強誘電特性を持っています。これらの材料特性は、キュリー温度を超えると変化します (強磁性材料の場合と同様)。この温度を超えると、誘電体は対称性の高い立方晶構造を持ちますが、キュリー温度を下回ると誘電体は非常に対称性の高い立方晶構造になります。結晶構造は、あまり対称性の低い (正方晶系) 構造になっています。異なる相からの転移 (立方晶系から正方晶系など) は、常にこの温度範囲にわたって誘電率の最大値をもたらします。安定した状態を達成するために、誘電体がキュリー温度以下に冷えた後でも、結晶格子内の原子は熱振動の影響下で長時間移動します (ドメインがますます多く形成されます)。ただし、コンデンサがキュリー温度を超える温度に加熱されると、劣化が起こります。経年劣化により失われた容量が回復し、コンデンサが再び冷えた時点から再び経年劣化が始まります。チタン酸バリウムの場合、この温度は約 125°C です。キュリー温度を超えた時間に応じて、設定される静電容量値が決まります。データシートによると、150°C での予熱の推奨時間は 1 時間です。この熱処理により、コンポーネントの最大 100% の容量が回復します。

5 アプリケーションに対する経年変化の影響

電圧がかかり、特定の周囲温度で動作する実際のアプリケーションでは、MLCC を使用する場合、一般に時間の経過による容量の低下を予測する必要があります。これは第2種セラミックスの母材に起因するもので避けられません。この容量損失を補償するかどうかはコンデンサの設計次第です。すべての公差が満たされていることを確認するために、製造後に全数テストが実行されます。保管時間や保管条件によって、これらの値は時間の経過とともに変化する場合があります。はんだ付けプロセスの熱の影響により、エージング プロセスがリセットされます (付録、DateCode 2014 の MLCC の測定例とリフローはんだ付けプロセスを参照)。安定した静電容量値が必要なアプリケーションでは、経年変化を考慮するか、クラス 1 MLCC を使用する必要があります。コンデンサが出力コンデンサとして使用されている場合 (例: この場合、静電容量の変動は 1 桁前半の範囲にあるため、回路の機能に悪影響を及ぼさないため、経年変化の影響を最もよく補償できます。すべての依存関係を含む、たとえば 22 µF X7R MLCC の結果として得られる静電容量を図 3 に示します。

図 3: すべての依存関係を考慮した実際の容量

6 結論

エージングは​​、室温 (約 20 °C)、印加電圧として約 0 V で記録されます。室温および ~0 V では、セラミック コンデンサは、経年劣化に影響を与える可能性のある温度、DC バイアス、および周波数の影響をほとんど受けません。キュリー温度以下で電圧を印加すると、既存の強誘電特性により分子が規定の方法で分極します。立方晶構造は正方晶構造になり、誘電率が低下し、容量が低下します。今何が老化の原因となっているのでしょうか？セラミックの結晶構造を室温で負荷をかけずに放置すると、ランダムに配向したドメインが形成され、その中に無指向性双極子が形成され、誘電率に悪影響を及ぼします。これらのランダムな方向のドメインは、最初はより速く「成長」しますが、その後はよりゆっくりと発展します。したがって、容量の損失は対数で表示されます。電圧が印加されて温度が上昇すると、双極子が電場によって規定された方法で整列するため、ランダムに配向したドメインの形成が遅くなります。実際には、これは、図 1 に示すような老化が「最悪の場合」の数字であることを意味します。DC バイアスと温度による容量の減少は、予想される経年変化よりも大幅に大きいため、これは固定値であると想定されます。

ソース:要素