Диссертация (Исследование работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при повышенных электрических нагрузках), страница 8

Растет удельная емкостьсегнетокерамических конденсаторов на единицу объема и поверхности, а такжеудельная плотность запасаемой энергии. Разработка новых материалов иконструкций, их дальнейшее внедрение в производство представляет собойсложную научно-техническую задачу, связанную с привлечением большогоколичества ресурсов.Расширение области применения сегнетокерамических конденсаторов можетбыть осуществлено также за счет увеличения нагрузки на конденсатор исокращения срока его службы.

В таком случае могут быть использованы ранееразработанные конденсаторы, массово выпускаемые в настоящее время.Современныесегнетокерамическиеконденсаторыотличаютсявысокойнадежностью и сроками службы на уровне 10 тыс. часов. Столь длительный срокслужбы может быть сокращен при повышении нагрузки на конденсатор, аудельные характеристики сегнетокерамических конденсаторов – значительноповышены. При незначительном повышении нагрузки на конденсатор ускоряютсяпроцессы старения диэлектрика.

В случае существенных перегрузок вероятноразвитие электрического или теплового пробоя диэлектрика, и срок службы небудет превышать характерных времен развития пробоя.50Дляпрогнозированияработоспособностиконденсаторавусловияхповышенных нагрузок необходимы сведения о поведении его характеристик взависимости от различных параметров нагрузки – амплитуды, формы, частотынапряжения, а также от температуры. Также необходимы данные об электрическойпрочности рабочего диэлектрика и ее температурной зависимости. Располагаяданными характеристиками и знанием конструкции конденсатора, возможнопровести соответствующие электрический и тепловой расчеты конденсатора иоценить работоспособность конденсатора в зависимости от параметров нагрузки.В литературных источниках имеются публикации, посвященные изучениюработоспособности элементов микроэлектроники.

Как правило, они касаютсяработоспособностиактивныхэлектронныхкомпонентов–транзисторов,тиристоров, диодов, интегральных микросхем при воздействии электромагнитныхизлучений и одиночных импульсов высокого напряжения. Изучению импульснойэлектрической прочности интегральных микросхем посвящены работы авторов О.А.Герасимчук,К.А.Епифанцева,П.К.Скоробогатова[143-148].Работоспособности же пассивных электронных компонентов в литературеуделяетсязначительноменьшевнимания.Исследованиюимпульснойэлектрической прочности чип-конденсаторов при воздействии одиночныхимпульсов высокого напряжения посвящена работа автора [149].Диэлектрическиехарактеристикисегнетокерамическихконденсаторовотличаются довольно сложными, нелинейными зависимостями от температуры инапряжения.Этоприводитктому,чторасчетмощностипотерьсегнетокерамического конденсатора и, соответственно, тепловой расчет спомощьюотносительнопростыханалитическихсоотношенийстановитсяневозможен. В литературе крайне ограниченно представлены теоретическиесведения, позволяющие рассчитать мощность потерь в диэлектриках с нелинейнойзависимостью емкости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры.Электрический расчет также затруднен в силу нелинейного характера зависимостидиэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.51Вместе с тем в литературе практически отсутствуют данные о нелинейныхзависимостяхэлектрофизическиххарактеристиксегнетокерамическихконденсаторов, производителями конденсаторов они также не предоставляются.Более того, состав керамических диэлектриков в большинстве случаев неизвестен,поскольку современная классификация регламентирует лишь интервал рабочихтемператур и температурную стабильность емкости.

По этой причине найденные влитературныхисточникахсведенияохарактеристикахкерамическихконденсаторных материалов не могут быть напрямую применены для оценкиработоспособности конденсаторов конкретного типа.На основании изложенных выводов была определена цель работы:Обосновать возможность применения сегнетокерамических конденсаторовпри повышенных электрических нагрузках в условиях коротких сроков службы.Для достижения поставленной цели были сформулированы следующиезадачи:1)Разработать необходимые методики и установки для изученияработоспособности сегнетокерамических конденсаторов в условиях повышенныхнагрузок;2)Экспериментальноисследоватьнелинейныеэлектрофизическиехарактеристики сегнетокерамических конденсаторов в широком диапазонетемператур, частот и напряженностей электрического поля;3)Экспериментально исследовать влияние параметров нагрузки на срокслужбы различных типов сегнетокерамических конденсаторов;4)Провести соответствующее математическое моделирование режимовработы исследуемых конденсаторов.522.МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ2.1.Объекты исследованияВ качестве объектов исследования выступали современные коммерческидоступные сегнетокерамические конденсаторы импортного и отечественногопроизводства различных групп ТСЕ.

Основные характеристики изучаемыхконденсаторов приведены в таблице 2.1. Конструктивное исполнение всехконденсаторов соответствует типу К10-17б, т.е. изолированным окукленнымкерамическим конденсаторам с выводами.Таблица 2.1 – Основные характеристики изучаемых конденсаторовUном, Cном,ТСЕВмкФZ5U150H500.47Tраб, ℃+22/ –56–55 ÷+125+10 ÷ +85+82/ –22–30 ÷ +85+50/–20–60 ÷+125±15X7RY5VДопустимоеизменениеемкости, %Длина Ширина Толщинакорпуса, корпуса, корпуса, ПроизводствоммммммMurata4.52.72ManufacturingCorp., Япония7.14.22.2Megatone53.63.1ElectronicsCorp., КитайОАО ВЗРД1072.2«Монолит»,БеларусьВнешний вид конденсаторов показан на рисунке 2.1.

Конструкцияконденсатора приведена на рисунке 2.2. Сегнетокерамические конденсаторыизготовляются в виде многослойной структуры, что позволяет добиться большихудельных показателей емкости на единицу объема. Количество слоев можетдостигать величины десятков – сотен штук при толщине слоя до нескольких мкм.В качестве диэлектрика выступают различные керамические составы на основетитанатабария.Внутренниеэлектродымногослойныхконденсатороввыполняются либо из цветных металлов (Ni), либо из благородных металлов(Ag/Pd, реже – Pt/Pd). Применение благородных металлов в качестве внутренних53электродов относительно редко в силу дороговизны, однако оправдано в техникеспециального назначения за счет ряда преимуществ, таких как более низкийтангенс угла диэлектрических потерь и более высокое сопротивление изоляции.

Вслучае исследуемых конденсаторов электроды X7R, Y5V и Z5U выполнены из Ni,а Н50 – из сплава Ag/Pd.Рисунок 2.1 – Внешний вид объектов исследования (не в масштабе). Слеванаправо: X7R, Y5V, Z5U – 1 мкФ 50 В, Н50 – 0.47 мкФ, 50 В [132,133]ЭпоксидныйкомпаундКерамическийдиэлектрикВыводыконденсатораВнутренние электродыРисунок 2.2 – Схематическое устройство окукленногосегнетокерамического многослойного конденсатора [133]Таблица 2.2 – Конструктивные параметры исследуемых конденсаторовПараметрТолщина слоядиэлектрикаПлощадьэлектродовЧисло слоевАктивныйобъемОбъемдиэлектрикаОбщий объемконденсатораОбозначениеX7RY5VZ5UH50d, мкм66.52323Sэ, мм2204204389323N, шт.1001005012Vа, мм31.41.69.68.1Vд, мм33319.929.2Vк, мм324.355.865.615454Из таблицы 2.2 следует, что коэффициент активного объема исследуемыхконденсаторов ka = Vа/Vк для конденсаторов импортного производства составляет0.47 – 0.53, а для отечественного – 0.28, что почти вдвое меньше.

Также можноотметить гораздо меньшее количество слоев диэлектрика. На рисунке 2.3представлены микрофотографии срезов некоторых исследуемых конденсаторов,любезно предоставленные автору Е. А. Ненашевой. Из рисунка видно толщинуслоев диэлектрика и толщину электродов, которая составляет 1 – 2 мкм. Для всехисследуемыхконденсаторовзаметнабольшаядолягерметизирующегоэпоксидного компаунда в общем объеме конденсатора: так, для X7R и Y5V онадостигает 88 и 95 % соответственно, а для Z5U и Н50 – 70 и 81 % соответственно.Таким образом, коэффициент заполнения объема исследуемых конденсатороввесьма невелик и лежит в пределах 5 – 30 %. Герметизация позволяет использоватьсегнетокерамические конденсаторы во влажных и химически активных средах, носущественно ухудшает удельные характеристики конденсатора в целом за счетбольшого объема эпоксидного компаунда.Рисунок 2.3 – Электронные фотографии слоев диэлектрика исследуемыхконденсаторов.

Слева направо: X7R, Y5V, Z5U2.2.Исследование температурно-частотных характеристиксегнетокерамических конденсаторовТемпературно-частотные характеристики конденсаторов изучались наоснове установки, схема которой приведена на рисунке 2.4. Характеристики55конденсаторов определялись расчетным путем из измеренных спектров модуляимпеданса |Z| и угла сдвига фаз φ между измерительным током и напряжением последующим формуламC1CS,',  ''   ' tg   ' tg       ' ctg ,0  d2 Z sin (2.1)где С – емкость конденсатора, ω = 2πf – круговая частота измерительного сигнала,|Z| – модуль импеданса, φ – угол сдвига фаз, S – суммарная площадь обкладокконденсатора, ε0 = 8.854·10-12 Ф/м – электрическая постоянная, d – толщина слоядиэлектрика, ε' – относительная диэлектрическая проницаемость, ε'' – факторпотерь.SNOL 58/350Hioki IM3533-01Hioki IM3570ПК|Z|(ω, T)φ(ω,T)ε' (ω, T)ε'' (ω, T)Рисунок 2.4 – Функциональная схема установки для изучения температурночастотных характеристикАнализаторы импеданса Hioki IM3570 и Hioki IM3533-01 использовались дляизмерения модуля импеданса и фазового угла.

В силу нелинейной зависимостиемкости исследуемых конденсаторов от напряжения действующее значениенапряжения измерительного сигнала составляло при всех измерениях 1 В.Используемые анализаторы импеданса позволяют автоматически усреднять56результат измерения в диапазоне от 2 до 256 измерений. Использовалосьусреднение по 10 измеренным значениям.Исследуемые конденсаторы помещались в термошкаф SNOL 58/350 вспециальную ячейку из фторопласта, соединенную с анализатором импеданса спомощью медных проводов с фторопластовой изоляцией. Ввод проводов в печьбыл изолирован и представлял собой керамическую термостойкую трубку, внутрикоторой проходили соединительные провода.