Ao construir capacitores cerâmicos multicamadas (MLCCs), os engenheiros elétricos geralmente escolhem dois tipos de dielétricos dependendo da aplicação – Classe 1, dielétricos de materiais não ferroelétricos, como C0G/NP0, e Classe 2, dielétricos de materiais ferroelétricos, como X5R e X7R.A principal diferença entre eles é se o capacitor, com o aumento da tensão e da temperatura, ainda apresenta boa estabilidade.Para dielétricos Classe 1, a capacitância permanece estável quando uma tensão CC é aplicada e a temperatura operacional aumenta;Os dielétricos de classe 2 têm uma constante dielétrica alta (K), mas a capacitância é menos estável sob mudanças de temperatura, tensão, frequência e ao longo do tempo.
Embora a capacitância possa ser aumentada por várias alterações de projeto, como a alteração da área superficial das camadas do eletrodo, o número de camadas, o valor K ou a distância entre as duas camadas do eletrodo, a capacitância dos dielétricos Classe 2 acabará caindo drasticamente quando uma tensão DC é aplicada.Isto se deve à presença de um fenômeno chamado polarização CC, que faz com que as formulações ferroelétricas de Classe 2 eventualmente experimentem uma queda na constante dielétrica quando uma tensão CC é aplicada.
Para valores K mais elevados de materiais dielétricos, o efeito da polarização CC pode ser ainda mais severo, com os capacitores potencialmente perdendo até 90% ou mais de sua capacitância, conforme mostrado no diagrama.
A rigidez dielétrica de um material, ou seja, a tensão que uma determinada espessura de material pode suportar, também pode alterar o efeito da polarização CC em um capacitor.Nos EUA, a rigidez dielétrica é geralmente medida em volts/mil (1 mil equivale a 0,001 polegada), em outros lugares é medida em volts/mícron e é determinada pela espessura da camada dielétrica.Como resultado, diferentes capacitores com a mesma capacitância e tensão nominal podem ter desempenho significativamente diferente devido às suas diferentes estruturas internas.
Vale a pena notar que quando a tensão aplicada é maior que a rigidez dielétrica do material, faíscas passarão através do material, levando a um potencial risco de ignição ou explosão em pequena escala.
Exemplos práticos de como a polarização DC é gerada
Se considerarmos a mudança na capacitância devido à tensão operacional em conjunto com a mudança na temperatura, descobriremos que a perda de capacitância do capacitor será maior na temperatura de aplicação específica e na tensão CC.Tomemos por exemplo um MLCC feito de X7R com capacitância de 0,1 µF, tensão nominal de 200 VCC, contagem de camada interna de 35 e espessura de 1,8 mils (0,0018 polegadas ou 45,72 mícrons), isso significa que ao operar a 200 VCC o dielétrico camada experimenta apenas 111 volts/mil ou 4,4 volts/mícron.Num cálculo aproximado, o VC seria de -15%.Se o coeficiente de temperatura do dielétrico for ±15%ΔC e o VC for -15%ΔC, então o TVC máximo será +15% – 30%ΔC.
A razão para esta variação reside na estrutura cristalina do material Classe 2 utilizado – neste caso titanato de bário (BaTiO3).Este material possui uma estrutura cristalina cúbica quando a temperatura Curie é atingida ou superior.Porém, quando a temperatura retorna à temperatura ambiente, ocorre a polarização, pois a diminuição da temperatura faz com que o material altere sua estrutura.A polarização ocorre sem qualquer campo elétrico externo ou pressão e isso é conhecido como polarização espontânea ou ferroeletricidade.Quando uma tensão CC é aplicada ao material à temperatura ambiente, a polarização espontânea está ligada à direção do campo elétrico da tensão CC e ocorre uma reversão da polarização espontânea, resultando em uma redução na capacitância.
Hoje em dia, mesmo com as diversas ferramentas de projeto disponíveis para aumentar a capacitância, a capacitância dos dielétricos Classe 2 ainda diminui significativamente quando uma tensão CC é aplicada devido à presença do fenômeno de polarização CC.Portanto, para garantir a confiabilidade de sua aplicação a longo prazo, é necessário levar em consideração o efeito da polarização CC no componente, além da capacitância nominal do MLCC, ao selecionar um MLCC.
Zhejiang NeoDen Technology Co., LTD., fundada em 2010, é um fabricante profissional especializado em máquina pick and place SMT, forno de refluxo, máquina de impressão de estêncil, linha de produção SMT e outros produtos SMT.Temos nossa própria equipe de P&D e fábrica própria, aproveitando nossa própria P&D rica e experiente, produção bem treinada, conquistando grande reputação de clientes em todo o mundo.
Acreditamos que grandes pessoas e parceiros fazem da NeoDen uma grande empresa e que nosso compromisso com a Inovação, Diversidade e Sustentabilidade garante que a automação SMT seja acessível a todos os amadores em qualquer lugar.
Horário da postagem: 05 de maio de 2023