高容量电容器放置时间久了容量会下降的原因(电容器容量下降的原因)

导语：高容量电容器放置时间久了，容量会下降的原因是什么？

近期我们收到客户反馈一个X5R材质的产品在其检验过程中实测容量偏低。其实一直以来，II类材质实测容值低于标准值要求的情况屡见不鲜，尤其是X5R材质的高容，此类现象表现尤为突出。那么是什么原因导致这类现象的发生？遇到此类现象我们又应该如何处理呢？

自然老化现象

对于所有II类（X7R、X5R等），都存在电容量随着时间的推移会以恒定速率变化的现象。这种效应被称为自然老化现象，本期的文章主要解决以下问题：

（1）什么是老化？

（2）老化的原因是什么？

（3）老化是可逆的吗？

老化不是电容器可靠性的特性，也与电容实际应用中的总寿命无关。老化是一种电容随时间变化的现象，也是设计师在使用陶瓷电容器时需要考虑的一个重要因素。电容器不管是任何制造商，所有II类电容包括X7R、X5R、Y5V等均会发生老化，它与电介质的材料性能有关。

老化的原因是什么？

老化特性和温度特性以及高介电常数一样都是由陶瓷介质的晶体结构决定的。II类陶瓷电容的介质是钛酸钡BaTiO3为主要成分的陶瓷材料。BaTiO3具有钙钛矿形的晶体结构，这种晶体结构随温度变化有三种形态：在居里温度点以上时，是立方晶体结构，Ba2+离子位于顶点，O2-离子位于表面中心，Ti4+离子位于立方体中心的位置；在居里温度以下时，晶体结构为一个轴伸长、其他轴略微缩短的正方晶系晶体结构。此时，由于Ti4+离子在结晶单位的延长方向上发生了偏移的原因而导致极化，不过，这个极化即使在没有外部电场或电压的情况下也会产生，因此，称为自发极化，像这样具有自发极化，而且可以根据外部电场转变自发极化朝向的特性，称为铁电特性。

如上图所示，BaTiO3陶瓷介质的晶体结构随温度变化存在从立方晶体->正方晶体->斜方晶体->菱面体晶体的晶体结构变化。而且变化是可逆的，当将BaTiO3加热到居里温度以上时，晶体结构将从正方晶体向立方晶体进行相转移。

BaTiO3在立方晶体结构时，晶体结构对称，没有自发极化，也没有电畴，为顺电特性，介电常数为较小值。正方晶体存在自发极化，表现铁电特性，晶粒中存在多个微小的畴，这些畴方向各异，形成不同的极化电场，在外电场作用下畴可以发生极化变化，这种外电场与内部极化电场的相互作用，与铁磁体在外磁场下的作用类似。与铁磁体表现出很大的相对磁导率一样，铁电材料也表现出较大的介电常数。II类陶瓷电容正是利用这个特性在很小的体积内做出很大的电容量。

然而这种极化状态是不稳定的，在居里温度以下时，BaTiO3陶瓷介质的晶体结构，随着时间的推移，在自发极化应力的作用下，会向着能量更趋稳定的形态逐渐进行再排列，从而释放由于晶体的变形而带来的压力。而随着应力释放，电畴所具有的应变能力也降低，介电常数也随之降低，电容的容量也会降低。这就是陶瓷介质的老化现象。

老化的计算

举个例子，如果一个10uF X7R电容器被焊接到PCB上，由于电容器所处的温度超过居里点，钛酸钡将转变为立方晶体结构。当电容器冷却到居里点以下时，钛酸钡将转变为四方形，相对介电常数将较高。产品冷却到居里点以下的电容老化就已经开始了，如图所示。从图中来看，在最后一次加热后0.1小时，电容为11.2uF，超出规格，随着自然老化过程的进行，容量逐渐恢复到合格范围之内。

老化常数K用介质老化过程中引起的电容量减小的百分比来表示。其介质的老化过程是以“10倍”的变化方式进行的。即在某一个时间内，例如1h到10h，电容器的老化进度增加10倍。由于电容量减小的规律呈对数的，在1h到100h之间老化，则电容量减小的百分比将是2K，在1h到1000h之间老化将是3K。

下列公式给定了电容由于老化影响容值变化的规律，工程师可用该公式来确定老化对电容器寿命的影响。

其中：

Ct--老化过程开始后t(h)的电容量；

C1--老化过程开始后1h的电容量；

K--老化常数用每10倍的(与上述定义相同)百分比表示；

t--从老化过程开始起经过的时间。

K由下列方程算出:

如果电容量进行过三次或多次测量的话,则它可以从Ct与lgt的关系图中给出的斜率推导出K值。在电容量老化期内的测量应保持在一个恒定的温度下，由温度特性而引起的电容量的变化不至于掩盖由于老化所引起的变化。

如何去老化？

如果在进行II类电容器容量测试时发现容量偏低，常见有效的方法是将电容器放在150ºC烤箱中至少1h使其容量恢复，原则上居里温度点以上加热的时间不是固定的，一旦电容器达到了居里温度点以上，就可以达到去老化的作用。一些客户在去老化过程后直接开始测试电容的容量，就会发现电容的实测容值读数高出规格要求，然而，确实在去老化刚完成的时候，存在容量高于标准要求的情况，所以建议客户在进行电容测量前至少要等待24小时。

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