多層片式陶瓷電容器絕緣電阻(IR)深入再理解

絕緣電阻表征的是介質(zhì)材料在直流偏壓梯度下抵抗漏電流的能力。

　　絕緣體的原子結(jié)構(gòu)中沒(méi)有在外電場(chǎng)強(qiáng)度作用下能自由移動(dòng)的電子。對(duì)于陶瓷介質(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電阻率為無(wú)窮大。但是實(shí)際上絕緣體的電阻率是有限，并非無(wú)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)。

　　在氧化物陶瓷中，如鈦酸鹽，通過(guò)缺陷化學(xué)計(jì)量，也就是陰、陽(yáng)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(yáng)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(chǎng)作用下，擴(kuò)散不再是隨機(jī)的，而是沿著電場(chǎng)電位梯度方向，從而產(chǎn)生漏電流。

　　因此，片式電容器的絕緣電阻取決于介質(zhì)材料配方、工藝過(guò)程(燒結(jié))和測(cè)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(guò)程。

　　測(cè)量電容器絕緣電阻的時(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(shuō)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(zhǎng)度 A = 導(dǎo)體橫截面積

　　因此電流(I)可以表示為： I = VA/ρL

　　考慮到陶瓷電容器中通過(guò)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(cè)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(duì)于給定的測(cè)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(lèi)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：IR ∝ 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(cè)試電壓的函數(shù)，漏電流正比于外加電壓：i = VA’/ρt 或 IR =ρt/VA’

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

　　(c) 電容器絕緣電阻(IR)的測(cè)量值與電容量成反比，也就是說(shuō)，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(guò)1000歐姆-法拉(通常表示成1000兆歐-微法)，在125℃時(shí)超過(guò)100歐姆-法拉。

　　通常，電介質(zhì)具有很高的電阻值，測(cè)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(duì)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(lái)說(shuō)，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(duì)于尺寸更大，電極面積更大，電極層數(shù)越多的元件來(lái)說(shuō)，其電阻率和絕緣強(qiáng)度均低于小尺寸元件。