10℃法則與多層瓷介電容器的貯存壽命試驗(yàn)

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(wú)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(guó)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(chǎng)經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用到失效的壽命周期，無(wú)時(shí)無(wú)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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(guó)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(chēng)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(guó)內(nèi)外有很多多層瓷介電容器生產(chǎn)廠(chǎng)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(guó)內(nèi)外的專(zhuān)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(guò)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(guò)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(guó)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(jiàn)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(chǎng)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(méi)有深入研究的情況下，此法則不適用于液體和氣體介質(zhì)。”

多層瓷介電容器屬于無(wú)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(lái)說(shuō)，可以保守地將基準(zhǔn)的溫度選為T(mén)0=45℃，即T0=318 K，而T1∈（318 K，398 K），此時(shí)，可以得到：

由此可見(jiàn)，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(lái)說(shuō)，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(yǔ)

1）10℃法則可以認(rèn)為是P-V模型的一種表示方式；

2）國(guó)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(guó)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。

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