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        10℃法則與多層瓷介電容器的貯存壽命試驗(yàn)

        2011-08-14 01:19:34杜紅炎馮建瓊孫淑英
        關(guān)鍵詞:激活能元器件電容器

        杜紅炎,唐 欣,馮建瓊,孫淑英

        (北京元六鴻遠(yuǎn)電子技術(shù)有限公司,北京 100070)

        1 引言

        多層瓷介電容器作為基本的無源元件在電子設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用,各領(lǐng)域?qū)Χ鄬哟山殡娙萜饕蔡岢隽瞬煌膲勖蟆L貏e是軍用領(lǐng)域,對(duì)于多層瓷介電容器的長(zhǎng)期貯存壽命要求不斷提高。研究多層瓷介電容器的長(zhǎng)期貯存壽命,一直是軍用多層瓷介電容器領(lǐng)域的熱點(diǎn)。GJB/Z 148-2006《軍用電容器的選擇和應(yīng)用指南》中提出了溫度對(duì)電容器壽命影響的粗略關(guān)系:10℃法則。但經(jīng)典的P-V模型進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)是目前國內(nèi)外研究電子元器件壽命的主要方法,對(duì)于多層瓷介電容器的加速壽命試驗(yàn)的研究也有了很多,本文總結(jié)了這些研究成果,對(duì)這兩種試驗(yàn)方法進(jìn)行了比較。

        2 加速壽命試驗(yàn)是進(jìn)行元器件壽命研究的常用方法

        電子元器件的失效原因與元器件本身所選用的材料與材料之間、元器件表面或體內(nèi)、金屬化系統(tǒng)以及封裝結(jié)構(gòu)中存在的各種化學(xué)、物理的反應(yīng)有關(guān)。元器件出廠經(jīng)過儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用到失效的壽命周期,無時(shí)無刻不在進(jìn)行著緩慢的化學(xué)物理變化。在各種外界環(huán)境下,元器件還會(huì)承受各種熱、電、機(jī)械應(yīng)力,會(huì)使原來的化學(xué)反應(yīng)加速[1]。加速壽命試驗(yàn)是指在不改變受試樣品的失效分布的情況下,采用加大應(yīng)力的方法來促使樣品在短期內(nèi)失效,以預(yù)測(cè)在正常工作條件或儲(chǔ)存條件下的可靠性。

        對(duì)于多層瓷介電容器來說,溫度應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品壽命(包括儲(chǔ)存壽命和工作壽命)的影響關(guān)系為:溫度越高壽命越短。因此,以溫度作為加速應(yīng)力,是進(jìn)行多層瓷介電容器加速壽命試驗(yàn)的常用方法。

        3 P-V模型是國際公認(rèn)的加速壽命試驗(yàn)?zāi)P?/h2>

        Prokopowicz和Vaskas[2]總結(jié)了溫度應(yīng)力和電壓應(yīng)力與加速壽命試驗(yàn)中加速系數(shù)的相互關(guān)系,公式如下:

        式(1)中:ti——表示條件i下的壽命;

        Vi——表示條件i下的試驗(yàn)電壓;

        n——表示電壓應(yīng)力指數(shù);

        Ea——表示介質(zhì)擊穿時(shí)的激活能;

        k——表示玻爾茲曼常數(shù):8.6×10-5e V/K;

        Ti——表示條件i下的試驗(yàn)溫度,單位為絕對(duì)溫度。

        式(1)可以被稱為P-V模型,它被廣泛地應(yīng)用在多層陶瓷電容器可靠性的試驗(yàn)和研究中。顯然,P-V模型表述了溫度和電壓對(duì)于壽命的影響關(guān)系,當(dāng)兩種試驗(yàn)條件選取的電壓相等時(shí),式(1)推導(dǎo)為:

        因此,式(2)單純地表達(dá)了壽命與試驗(yàn)溫度的關(guān)系。根據(jù)式(2)可以知道,在壽命與溫度的關(guān)系中,關(guān)鍵的影響參數(shù)為Ea;且越大,溫度加速的效果越明顯。

        4 多層瓷介電容器的激活能大于0.9 eV

        國內(nèi)外有很多多層瓷介電容器生產(chǎn)廠家和研究機(jī)構(gòu),根據(jù)P-V模型應(yīng)用于多層瓷介電容器的加速壽命試驗(yàn)的情況進(jìn)行了大量的研究,也得到了很多關(guān)于激活能(Ea)的研究成果。國內(nèi)外的專業(yè)人士一般認(rèn)為,多層瓷介電容器的激活能在0.9~1.0 eV之間,不過很多研究結(jié)果表明,多層瓷介電容器的激活能要大于1 eV。下面列舉幾個(gè)典型的研究結(jié)果。

        Paulsen[3]等通過對(duì)BME多層瓷介電容器的試驗(yàn)得到激活能為1.32~1.39 eV(試驗(yàn)電壓不同,激活能也不同)。

        Venkel公司出具了一份關(guān)于多層瓷介電容器可靠性試驗(yàn)的報(bào)告[4],該報(bào)告使用的多層瓷介電容器的激活能如表3所示。

        表3 不同介質(zhì)對(duì)應(yīng)激活能和電壓因子

        美國KEMET公司的Travis Ashburn[5]等也進(jìn)行了多層瓷介電容器的加速壽命試驗(yàn),求得了不同介質(zhì)多層瓷介電容器的激活能,試驗(yàn)結(jié)論見表4。

        另外,很多資料[6-10]也引用或直接求得了多層瓷介電容器的激活能,基本都在0.9~1.7 eV之間。因此,所有的這些研究資料表明,多層瓷介電容器(包括NP0介質(zhì)、X7R介質(zhì)等)的激活能均在0.9 eV以上。

        表4 Kemet公司試驗(yàn)結(jié)論

        5 10℃法則是P-V模型的另一種表述方式

        GJB/Z 148-2006《軍用電容器選擇和應(yīng)用指南》A.1.2.2第(e)條中有關(guān)于電容器的壽命與溫度的關(guān)系的描述:“通常電容器的壽命會(huì)隨溫度上升而下降,電容器壽命與工作溫度的關(guān)系是很復(fù)雜的,要根據(jù)壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)確定。在缺乏數(shù)據(jù)的前提下,常用化學(xué)反應(yīng)10℃法則作粗略估計(jì),該法則是:每升高10℃壽命折半。然而此法則絕不能用于生產(chǎn)制造廠規(guī)定的溫度范圍之外,因?yàn)樵跇O端的溫度下會(huì)發(fā)生性質(zhì)完全不同的化學(xué)反應(yīng),在沒有深入研究的情況下,此法則不適用于液體和氣體介質(zhì)?!?/p>

        多層瓷介電容器屬于無機(jī)非金屬的固體介質(zhì),根據(jù)上述原則,在使用溫度范圍內(nèi),該法則適用于多層瓷介電容器的壽命試驗(yàn)。該法則可以用公式表述如下:

        式(3)中:t1——指溫度下的壽命;

        t2——指溫度下的壽命。

        而根據(jù)式(2),下式成立:

        由此可以得到:

        由式(5)進(jìn)行推導(dǎo),得到:

        由于10℃法則只能用于該產(chǎn)品的使用溫度范圍內(nèi),因此 T0∈(-55℃,125℃),T1∈(T0,125℃),代入式(6),得到:

        而對(duì)于多層瓷介電容器的實(shí)際的加速儲(chǔ)存試驗(yàn)或加速工作壽命來說,可以保守地將基準(zhǔn)的溫度選為T0=45℃,即T0=318 K,而T1∈(318 K,398 K),此時(shí),可以得到:

        由此可見,多層瓷介電容器的加速壽命試驗(yàn)使用10℃法則時(shí),相當(dāng)于P-V模型的激活能為0.60~0.75 eV,而諸多研究資料表明:多層瓷介電容器的激活能在0.9 eV以上,根據(jù)P-V模型的加速因子表達(dá)式,在試驗(yàn)條件確定的情況下,激活能越大則加速因子越大。因此,對(duì)于多層瓷介電容器來說,使用10℃法則,作為加速試驗(yàn)所得到的試驗(yàn)結(jié)果比使用P-V模型更加可信。

        6 結(jié)束語

        1)10℃法則可以認(rèn)為是P-V模型的一種表示方式;

        2)國內(nèi)外現(xiàn)有的研究資料表明,多層瓷介電容器(包括X7R介質(zhì)和NP0介質(zhì))的激活能在0.9 eV以上;

        3)根據(jù)國軍標(biāo)GJB/Z 148-2006《軍用電容器選擇和應(yīng)用指南》,10℃法則進(jìn)行多層瓷介電容器的加速貯存壽命試驗(yàn),其試驗(yàn)結(jié)果比使用經(jīng)典的溫度加速模型更加可信。

        [1]孫青,莊奕琪,王錫吉,等.電子元器件可靠性工程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002:191-192.

        [2]PROKOPOWICZ T,VASKAS A.Research and development,intrinsic reliability,subminiature ceramic capacitors[R].Final Report,ECOM-9705-F,1969 NTIS AD-864068:175.

        [3]PAULSEN J L,REED E K.Case study of highly accelerated relaibility testing[C]//CapacitorTesting and Reliability Assessment Seminar,CARTS 2002:83-93.

        [4]Venkel LTD.Quality Report,Failure rate and MTBF data 1206multilayer ceramicchipcapacitor( NP0,X7R,Y5V)”[R].Venkel LTD.Document.MLB-AL-D27,2007.

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