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          多層片式陶瓷電容器絕緣電阻(IR)深入再理解

          作者: 時(shí)間:2011-04-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          表征的是介質(zhì)材料在直流偏壓梯度下抵抗漏電流的能力。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/179266.htm

            體的原子結(jié)構(gòu)中沒有在外電場強(qiáng)度作用下能自由移動(dòng)的電子。對于介質(zhì),其電子被離子鍵和共價(jià)鍵牢牢束縛住,理論上幾乎可以定義該材料的率為無窮大。但是實(shí)際上體的率是有限,并非無窮大,這是因?yàn)椴牧显泳w結(jié)構(gòu)中存在的雜質(zhì)和缺陷會(huì)導(dǎo)致電荷載流子的出現(xiàn)。

            在氧化物中,如鈦酸鹽,通過缺陷化學(xué)計(jì)量,也就是陰、陽離子電荷不平衡可以推斷出電荷載流子的存在以及材料晶體結(jié)構(gòu)中有空缺位置(空位)和填隙離子。例如,一個(gè)Al3+陽離子取代一個(gè)Ti4+的位置,產(chǎn)生一個(gè)凈負(fù)電荷。同樣,如果氧離子與其他離子的比例不足以維持理想的化學(xué)價(jià),也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凈正電荷。后面這種情況在低氧分壓燒結(jié)和“還原”燒結(jié)條件下非常容易出現(xiàn),劇烈的還原將會(huì)使鈦酸鹽的電阻率降低,顯示出半導(dǎo)體性質(zhì)。

            填隙離子的出現(xiàn)是由于離子具有一定的隨機(jī)移動(dòng)性,這種移動(dòng)性與溫度有關(guān);溫度升高能使離子獲得更大的熱能以克服能壘的作用,離子擴(kuò)散程度加劇。在外加電場作用下,擴(kuò)散不再是隨機(jī)的,而是沿著電場電位梯度方向,從而產(chǎn)生漏電流。

            因此,的絕緣電阻取決于介質(zhì)材料配方、工藝過程(燒結(jié))和測量時(shí)的溫度。所有介質(zhì)的絕緣電阻都會(huì)隨溫度的提高而下降,在低溫(-55℃)到高溫(125℃)的MIL溫度特性范圍內(nèi)可以觀察到一個(gè)非常大的下降過程。

            測量絕緣電阻的時(shí)候需要重點(diǎn)考慮的是絕緣電阻與電容量的關(guān)系。電容量值與絕緣電阻成反比,即電容量越高,絕緣電阻越低。這是因?yàn)殡娙萘颗c漏電流大小是相互成正比的,可以用歐姆定律和比體積電容關(guān)系加以說明。歐姆定律表述了導(dǎo)體中電流(I),電壓(V)和電阻(R)之間的關(guān)系:

            I = V/R

            但是,電阻(R)是一個(gè)與尺寸有關(guān)的物理量,也與材料本征的電阻率有關(guān),如下所示:

            R = ρL/A

            這里 L = 導(dǎo)體長度 A = 導(dǎo)體橫截面積

            因此電流(I)可以表示為: I = VA/ρL

            考慮到中通過絕緣體的漏電流(i)也可用上述關(guān)系式表示:I = VA’/ρt ,這里 V = 測試電壓 A’ = 有效電極面積ρ= 介質(zhì)電阻率 t = 介質(zhì)層厚度

            從上面關(guān)系式可以看到,對于給定的測試電壓,漏電流大小正比于電容器有效電極面積,反比于介質(zhì)層厚度(和電阻率),即:i ∝ A’/t

            類似地,電容量(C)正比于有效電極面積,反比于介質(zhì)層厚度,即:C = KA’/4.452t

            這里 K = 介電常數(shù) A’ = 有效電極面積 t = 介質(zhì)層厚度

            因此 C ∝ A’/t 以及 i ∝ C

            漏電流(i)與絕緣電阻成反比,即: ∝ 1/C

            基于上述關(guān)系,可以歸納出以下幾點(diǎn):

            1. 絕緣電阻是測試電壓的函數(shù),漏電流正比于外加電壓:i = VA’/ρt 或 =ρt/VA’

            (b) 對于任意給定的電容器,絕緣電阻很大程度上依賴于介質(zhì)材料本征的電阻率(ρ),也依賴于材料配方和測量時(shí)的溫度。

            (c) 電容器絕緣電阻()的測量值與電容量成反比,也就是說,IR是電容量的函數(shù),因此,工業(yè)應(yīng)用中產(chǎn)品IR的最小標(biāo)準(zhǔn)是由電阻(R)和容量(C),(R×C),所決定的,如下表所示。EIA標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)品在25℃時(shí)R×C超過1000歐姆-法拉(通常表示成1000兆歐-微法),在125℃時(shí)超過100歐姆-法拉。

            通常,電介質(zhì)具有很高的電阻值,測量時(shí)往往用10的高次方倍歐姆表示:

            1 太歐(TΩ)= 10E+12歐姆

            1 吉?dú)W(GΩ)= 10E+9歐姆

            1 兆歐(MΩ)= 10E+6歐姆

            除了材料和尺寸外,還有其他一些物理因素會(huì)對電容器的絕緣電阻產(chǎn)生影響。

            (a) 表面電阻率:由于表面吸收了雜質(zhì)和水分,因此介質(zhì)表面電阻率與體電阻率不一致。

            (b) 缺陷:介質(zhì)是由多晶體陶瓷聚合體所組成,其微觀結(jié)構(gòu)中存在的晶界和氣孔總會(huì)降低材料的本征電阻率。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來說,這些物理缺陷出現(xiàn)的幾率與元件體積以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度是成正比的。因此,對于尺寸更大,電極面積更大,電極層數(shù)越多的元件來說,其電阻率和絕緣強(qiáng)度均低于小尺寸元件。

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