Диссертация (Исследование работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при повышенных электрических нагрузках), страница 7

Параметр α = (2λ1)-1/2, гдезначения λ1 определяются на основании исследования дисперсии оптическихколебаний кристаллической решетки сегнетоэлектрика методом неупругогорассеяниянейтронов.ПараметрыTC,ε00иENтакжеопределяютсяэкспериментальным путем.Свойствосегнетоэлектриковизменятьсвоюдиэлектрическуюпроницаемость под действием приложенного электрического поля находитширокое применение в технике СВЧ при производстве электрически управляемыхкомпонентов – резонаторов, фильтров, фазовращателей, модуляторов и т.д.Управляемость сегнетоэлектрического материала в технике СВЧ определяется какотношение диэлектрических проницаемостей n = ε(0)/ε(E).

Преимуществами41сегнетоэлектриков в технике СВЧ по сравнению с полупроводниками и ферритамиявляются более простая технология, более высокая радиационная и электрическаястойкость, меньшее энергопотребление [85]. Синтезу сегнетокерамики сминимальнымидиэлектрическимистабильностьюдиэлектрическойсегнетокерамическихматериаловпотерями,высокойпроницаемости,итеоретическомутемпературнойизучениюописаниюструктурыповедениясегнетоэлектриков в полях СВЧ посвящены работы О. Г. Вендика [85-94], Т.

Н.Вербицкой [96], Е. А. Ненашевой [95,97-99], А. Б. Козырева [99], А. К. Таганцева[100], G. Rupprecht [83], L. C. Sengupta [101], N. Setter [60] и др.Одной из основных задач, возникающих при синтезе керамическихматериалов для конденсаторов II типа, является получение материалов с высокойдиэлектрической проницаемостью, совместимых с электродами из неблагородныхметаллов и спекающихся в защитных восстановительных средах без существеннойпотери электроизоляционных свойств. Свойства и составы керамическихматериалов для конденсаторостроения подробно освещены в работах Н. П.Богородицкого [102], Г.

А. Смоленского [63], Б. А. Ротенберга [1], С. Д. Ханина [4],Б. П. Беленького [10], К. Окадзаки [20], Дж. Барфут [65], C. A. Randall [3], H. Kishi[2], D. F. K. Hennings [30], G. H. Haertling [31] и др. Основными материалами длядиэлектрика конденсаторов II типа служат титанаты, ниобаты, цирконаты,станнаты щелочноземельных металлов [103-106]. Особенно широко применяетсятитанат бария BaTiO3, входящий в состав диэлектрика практически всехсегнетокерамических конденсаторов. Титанат бария является сегнетоэлектриком сфазовым переходом I рода [107].

На рисунке 1.14 показана зависимость ε(T) дляBaTiO3, а также схематически показаны деформации элементарной ячейки прифазовых переходах. На рисунке 1.15 показана элементарная ячейка BaTiO3.Титанат бария при температуре выше 120 ℃ испытывает фазовый переход I рода истановится параэлектриком. При температурах 5 и –90 ℃ происходят фазовыепереходы, не связанные с исчезновением или возникновением спонтаннойполяризации, происходит изменение ее величины и направления в элементарной42ячейке.

Фазовые переходы сопровождаются максимумами диэлектрическихпотерь.Рисунок 1.14 – Температурная зависимость диэлектрической проницаемостимонокристалла BaTiO3 [3]Рисунок 1.15 – Элементарная ячейка титаната бария [85]Чистыйтитанатбарияипрочиеиндивидуальныесоединениянеиспользуются для производства сегнетокерамических конденсаторов в силу резконелинейной зависимости ε(T) в окрестности точки Кюри, что неприемлемо с точкизрения ТСЕ. Добиться требуемой ТСЕ удается, применяя сегнетоэлектрики сосглаженнойзависимостьюε(T).Сглаженнуюзависимостьпроницаемости43получают за счет эффекта размытия фазовых переходов (РФП) [108]. Одним изметодов синтеза таких материалов является образование твердых растворов наоснове BaTiO3 и несегнетоэлектрического соединения [109]. Добавка к титанатубариянесегнетоэлектрическихсоединенийснижаеттемпературуКюри.Концентрацию компонентов раствора подбирают так, чтобы точка Кюри лежала вобласти комнатных температур.

На рисунке 1.16 схематично показанызависимости ε(T) для сегнетоэлектрика с размытым и не размытым фазовымпереходом. В таблице 1.5 приведены примеры систем твердых растворов с РФПдля конденсаторов II типа.Рисунок 1.16 – Температурная зависимость проницаемости сегнетоэлектрика при1 – не размытом и 2 – размытом фазовом переходе [4]Таблица 1.5 – Состав и свойства основной кристаллической фазы керамическихматериалов для конденсаторов II типа [1,4]Группа ТСЕεИнтервал рабочихтемператур, ℃TC, ℃Н908000 – 1000012000 – 1400010000 – 11000–60 ÷ +85–60 ÷ +85–60 ÷ +8520 – 4010 – 200 – 10ОсновнаякристаллическаяфазаBaTiO3 – BaZrO3BaTiO3 – CaZrO3BaTiO3 – CaSnO344Материалы на основе твердых растворов с РФП, как видно из таблицы 1.5, необладают высокой температурной стабильностью ε в интервале рабочихтемператур. Большей температурой стабильности можно добиться, используядвухфазные смеси BaTiO3 и твердого раствора с РФП и температурой Кюри впромежутке –10 ÷ +10 ℃.

Образование двухфазных растворов происходит утвердых растворов BaTiO3 с добавками оксидов трех- и пятивалентных металлов,ионы которых замещают Ba или Ti. Особенно широко применяются оксидыредкоземельных металлов. При этом образуется структура зонально-оболочечного(ЗОС) типа (англ. core-shell structure) [110-117], в которой в пределах одного зернакерамики находится BaTiO3 в качестве ядра и твердый раствор с РФП в качествеоболочки.

Схема, поясняющая ЗОС и принцип образования сглаженнойтемпературной зависимости, приведена на рисунке 1.17.Рисунок 1.17 – Схема ЗОС и сглаженной температурной зависимости: 1 – BaTiO3,2 – твердый раствор с РФП, 3 – материал с ЗОС [4]Примеры материалов с ЗОС даны в таблице 1.6. Необходимо отметить, чтосвойства керамического материала определяются не только его химическимсоставом, но и структурой, на которую значительно влияют технологические45параметры, такие как размер частиц керамических смесей, температурный режимобжига и т.п.Таблица 1.6 – Состав и свойства основной кристаллической фазы керамическихматериалов с ЗОС для конденсаторов II типа [1,4]Группа ТСЕεИнтервал рабочихтемператур, ℃Н503500 – 4000–60 ÷ +125Н302000 – 2200–60 ÷ +1252500 – 2700–60 ÷ +1251600 – 1800–60 ÷ +125Н201.4.Основнаякристаллическая фазаBaTiO3 + тв. растворBaTiO3-Nb2O5-Al2O3BaTiO3 + тв. раствор(Ba,Bi)TiO3-Nb2O5BaTiO3 + тв.

растворTiO3-Sm2O3-Nb2O5BaTiO3 + тв. раствор(Ba,Bi)TiO3Температурные и полевые нелинейные зависимости характеристиксегнетокерамических конденсаторовКак было показано ранее, многослойные керамические конденсаторы II типаимеют в качестве диэлектрика сегнетоэлектрик, характеризующийся нелинейнымизависимостями диэлектрической проницаемости от температуры и напряженностиэлектрического поля.Производители MLCC в технической документации, находящейся всвободном доступе, указывают основные параметры конденсаторов: номинальнуюемкость, рабочее напряжение, диапазон рабочих температур, сопротивлениеизоляции, максимально допустимое значение тангенса угла диэлектрическихпотерь, устойчивость к вибрационным нагрузкам, влажности, высокой температуреприпайкевыводовит.д.[118-130].Указываются методыиспытанияконденсаторов, использованные для получения перечисленных параметров.Отечественные производители, специализирующиеся в основном на выпускепродукции специального назначения, указывают также срок сохраняемости, срокнаработки на отказ, допускаемую реактивную мощность и зависимость рабочегонапряжения от атмосферного давления [131,132].

Следует отметить, что сведения46о параметрах конденсаторов при повышенных температурах и напряжениях крайнеограничены. Например, указывается значение величины постоянной времениконденсатора (τ = Rиз∙С, где Rиз – сопротивление изоляции) при предельной рабочейтемпературе. Также указывается величина постоянного напряжения, котороеконденсатор должен выдерживать без пробоя в течение 1 – 5 с, как правило, онасоставляет (2.5 – 3)∙Uном.Ряд производителей MLCC позволяет получить достаточно подробныехарактеристики конденсаторов, такие, как нелинейная зависимость емкости оттемпературы и напряжения [133-136]. Примеры подобных зависимостейприведены на рисунках 1.18 и 1.19 для конденсатора производства фирмы Murataтипа X7R емкостью 1 мкФ и номинальным напряжением 50 В.

Как видно изграфиков характеристик конденсатора, зависимости емкости от напряжения итемпературы строго ограничены номинальным напряжением и диапазономрабочих температур. Также для ознакомления недоступны температурныехарактеристики емкости при различных напряжениях, и наоборот – зависимостиемкости от напряжения при различных температурах. Частотные зависимостипараметров конденсатора – емкости, импеданса, тангенса угла диэлектрическихпотерь – представлены достаточно подробно, вплоть до частот, значительнопревышающих частоту собственного резонанса.Рисунок 1.18 – Зависимость емкости конденсатора от напряжения [133]47Рисунок 1.19 – Зависимости емкости конденсатора от температуры: 1 – принапряжении постоянного смещения Uсм = 0; 2 – при Uсм = 25 В [133]В то же время недоступны температурно-частотные характеристики емкости и tgδ.Невозможно обнаружить в открытом доступе также зависимости tgδ от напряженияпри различных температурах.Некоторые производители, занимающиеся разработкой и производствомMLCC, предназначенных для эксплуатации при повышенных температурах вплотьдо 250 ℃, предоставляют доступ к информации о характеристиках конденсаторовв этом температурном диапазоне [137].

На рисунках 1.20 – 1.22 приведенытемпературныезависимостиемкости,tgδипостояннойвременивысокотемпературных MLCC с номинальным напряжением 50 – 200 В,производимых фирмой Vishay.Рисунок 1.20 – Температурные зависимости относительного изменения емкостиMLCC разных групп ТСЕ [137]48Представленные зависимости, очевидно, характеризуют лишь данныеспециализированныеконденсаторы,разработанныедлянадежногофункционирования в области высоких температур, и не могут быть произвольноэкстраполированы на остальные MLCC II типа.

Кроме того, как и дляконденсаторов с менее высокими рабочими температурами, отсутствуюттемпературно-частотные и температурно-полевые зависимости емкости и tgδ.Рисунок 1.21 – Температурная зависимость tgδ для MLCC разных групп ТСЕ[137]Рисунок 1.22 – Температурная зависимость постоянной времени для MLCCразных групп ТСЕ [137]491.5.Выводы и постановка задач исследованияСегнетокерамические конденсаторы широко применяются в современнойэлектронной технике, от бытовой, потребительской электроники до техникиспециальногоназначения.Массовомуприменениюсегнетокерамическихконденсаторов способствуют их важные преимущества: относительная простотаконструкции,приэтомналичиеобширныхвозможностеймодификацииконструкции конденсатора; широкий диапазон номинальных емкостей и рабочихнапряжений; возможность создания разнообразных керамических диэлектриков стребуемымисвойствами.Областьприменениясегнетокерамическихконденсаторов непрерывно расширяется за счет разработки новых составовкерамик и модификации конструкций [138-142].