MLCC老化特性

片式多层陶瓷电容器（MLCC）老化特性

高介电常数型陶瓷电容器 (标准的主要材料为BaTiO3，温度特性为X5R，

X7R，Y5V等) 的电容量随时间而减小。这一特性称之为电容老化。电容老化是

具有自发性极化现象的铁电陶瓷独有的现象。当陶瓷电容器加热到居里点以上的温度时 (在该温度晶体结构发生改变，自发性极化消失 (大约为150°C) )，并使之处于无载荷状态，直到它冷却到居里点以下，随着时间的流逝，逆转自发性极化变得越来越困难，结果，所测的电容值会随着时间而减小。

上述现象不仅在三星的产品中，在所有高介电常数 (BaTiO3) 的一般性陶瓷电容器都可以观察到。附录是一些有关电容老化的公用标准 (陶瓷电容器:

IEC60384-22附录B等)。当电容值由于老化而不断减小的电容器重新加热到居

里点以上温度并让其冷却时，电容值会得到恢复。这种现象称之为去老化现象，发生去老化后，正常的老化过程重新开始。

质陶瓷的自发极化与铁电现象

BaTiO3质陶瓷的自发极化与铁电现象

如图1所示，BaTiO3质陶瓷具有钙钛矿晶体结构。在居里点 (约130°C) 温度以上呈立方体，且钡 (Ba) 的位置位于最高点，氧 (O)位于晶面的中心，钛 (Ti) 位于晶体的中心。

图1: BaTiO3质陶瓷的晶体结构

当在居里点以下正常温度范围内，一条晶轴 (C轴) 伸长约1%而其他晶轴缩短，晶体变成四方晶格 (如下页图2所示)。在这种情况下，Ti4+离子将占据附

近O2-的位置而后者从晶体中心沿晶轴伸展的方向偏移0.12Å。这种偏移导致正、负电荷的生点发生偏差，造成极化现象。

极化现象是由于晶体结构的不对称造成的，在不施加外电场或压力的情况下，这种极化现象从一开始就存在。这种类型的极化称为自发性极化现象。

图2: 温度变化时的晶体结构和相关介电常数的变化 (纯BaTiO3)

BaTiO3质陶瓷自发极化的方向 (Ti4+离子的位置) 在施加外部电场的情况下可以轻易逆转。这种具有自发极化现象且在外电场作用下逆转方向的能力专门称之为铁电现象。

老化的机理

老化的机理

BaTiO3质陶瓷宏观晶体的聚合体 (复晶型)，直径比µm小一个数量级， (如图3所示)。上述微观晶体称为晶粒。其晶体结构排列整齐 (见图1和2)。上述晶粒在温度低于居里点时可分成很多磁场，在每个磁场内有一个共用方向，因此，自发性极化的方向也相同。

图3: BaTiO3质陶瓷的微观结构

当BaTiO3质陶瓷加到到居里点以上时，晶体结构经历了一个从四方晶系向立方晶体相变过程。随着自发性极化的进行，上述磁场也逐渐消失。

当晶体冷却到居里点以下时，在居里点附近发生从立方晶系向四方晶系的相变过程。C轴沿轴线方向伸长1%。其他轴稍微收缩，形成自发性极化和磁场，同时，晶粒受到其环境扭曲而产生的应力。

在该点，晶粒中产生若干小磁场，利用一个低压电场，可很容易将每个磁场的自发性极化进行逆转。因为相对介电常数与每单位何种的自发性极化的逆转是对应的，其测量到的结果即为高电容量。

在电容器在居里点以下温度不带任何负载时，在任何随机方向的磁场随时间的推移逐渐自我对正，成为一个更大、能量更稳定的晶体 (图3: 90°磁场)，

并释放晶体扭曲产生的应力。

另外，边界层的空间电荷 (缓慢运动的离子和晶格空位) 向外迁移。导致空间电荷发生极化。空间电荷的极化防止自发性极化发生逆转。

换句话说，自发性极化发生后，随着时间的推移晶格重新对排列成一个更稳定的状态，而空间电荷极化发一在边界层，防止自发性极化发生逆转。在这种情况下，我们需要利用高压电场使磁场的自发性极化发生逆转。这意味着，电场电压越低，发生逆转的磁场越少，且电容值越低。

这被认为是老化的机理，当加热到居里点以上温度时，晶体的微观结构也回到初始状态。当晶体冷却时，老化过程重新开始。

产品的老化特性

三星产品的老化特性

一般情况下，在时间对数图像中，高介电常数型片式陶瓷电容器在经过125°C以上的标准热处理后，在24小时内，其电容值实际上呈线性下降。请参考附

录中提供的三星产品电容老化特性的典型案例。

由于产品老化而产生的电容量下降，在焊接等过程中，由于产品被加热，电容量还能恢复。

当陶瓷电容器接入电路中时，其电容值有望保持在规格范围内的某一个值。我们依据上述原因来确定电容量的范围。

温度补偿型电容器不会产生老化现象。

使用时

使用时

老化现象是高介电常数型陶瓷电容器 (BaTiO3) 的一个基本特性。电容的容值因老化而变化的程度取决于所使用的陶瓷材料。同时，当在实际电路中施加直流偏压时，电容老化的程度取决于直流偏压电压的水平。

因此，当使用高介电常数型陶瓷电容器时，应考虑电容容值因老化现象而发生的变化情况，特别是，在电容容量的稳定性非常重要的情况下，需要在实际电路中加以验证。