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。

　　絕緣體的原子結構中沒(méi)有在外電場(chǎng)強度作用下能自由移動(dòng)的電子。對于陶瓷介質(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，這是因為材料原子晶體結構中存在的雜質(zhì)和缺陷會(huì )導致電荷載流子的出現。

　　在氧化物陶瓷中，如鈦酸鹽，通過(guò)缺陷化學(xué)計量，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構中有空缺位置(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和“還原”燒結條件下非常容易出現，劇烈的還原將會(huì )使鈦酸鹽的電阻率降低，顯示出半導體性質(zhì)。

　　填隙離子的出現是由于離子具有一定的隨機移動(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，離子擴散程度加劇。在外加電場(chǎng)作用下，擴散不再是隨機的，而是沿著(zhù)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)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溫度特性范圍內可以觀(guān)察到一個(gè)非常大的下降過(guò)程。

　　測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。這是因為電容量與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 = 導體長(cháng)度 A = 導體橫截面積

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

　　(b) 對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)于材料配方和測量時(shí)的溫度。

　　(c) 電容器絕緣電阻(IR)的測量值與電容量成反比，也就是說(shuō)，IR是電容量的函數，因此，工業(yè)應用中產(chǎn)品IR的最小標準是由電阻(R)和容量(C),(R×C)，所決定的，如下表所示。EIA標準要求產(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 吉歐(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(guān)結構中存在的晶界和氣孔總會(huì )降低材料的本征電阻率。從統計學(xué)角度來(lái)說(shuō)，這些物理缺陷出現的幾率與元件體積以及結構復雜程度是成正比的。因此，對于尺寸更大，電極面積更大，電極層數越多的元件來(lái)說(shuō)，其電阻率和絕緣強度均低于小尺寸元件。