Akustischer Lärm von MLCC

Insekten und Vögel singen, Quellwasser singt und klingt, und der Klang entsteht durch die Vibration von Objekten. Es ist bekannt, dass das menschliche Ohr Schallwellen mit einer Schwingungsfrequenz von 20 Hz bis 20 kHz erkennen kann. Allerdings verursachen mehrschichtige Chip-Keramik-Kondensatoren (MLCC) manchmal ein akustisches Geräusch. Was ist los?

Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCC) bestehen aus einem Keramikmedium und einer Metallinnenelektrode, die versetzt übereinander angeordnet sind. Nach einmaligem Hochtemperatursintern wird der Keramikchip geformt und anschließend wird die äußere Elektrodenmetallschicht an beiden Enden des Chips versiegelt. Das dielektrische Materialsystem dieser Art von Keramikkondensator ist hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: I-Keramik-Dielektrikum und II-Keramik-Dielektrikum.

Das keramische Dielektrikum gehört zum paraelektrischen Medium (die Hauptmaterialien sind SrZrO).3, MgTiO3usw.) und ein keramisches Dielektrikum erzeugen keine elektrostriktive Verformung. Daher erzeugen MLCCs aus dielektrischem I-Keramikmaterial, wie z. B. Keramikkondensatoren mit CG-Eigenschaften, beim Betrieb keine akustischen Geräusche, aber die Dielektrizitätskonstante dieser Art von Medium ist sehr klein, normalerweise zwischen 10 und 100, sodass dies nicht möglich ist Erzeugen Sie einen Kondensator mit großer Kapazität.

Medien vom Typ Ⅱ gehören zu den ferroelektrischen Medien (das Hauptmaterial ist BaTiO).3, BaSrTiO3usw.) und ferroelektrische Materialien erzeugen eine elektrostriktive Verformung. MLCCs aus Dielektrika vom Typ II wie X7R, spezifisches AC-Signal.

Warum hat MLCC akustisches Rauschen?

Um die Natur des akustischen Kondensatorrauschens besser zu verstehen, wollen wir zunächst ein natürliches Phänomen verstehen – den piezoelektrischen Effekt.

Im Jahr 1880 entdeckten die Brüder Pierre Curie und Jacques Curie, dass Turmalin einen piezoelektrischen Effekt hat. 1984 folgerte der deutsche Physiker Wodemar Voith, dass nur Kristalle mit 20 Punktgruppen ohne Symmetriezentrum den piezoelektrischen Effekt haben könnten. Der piezoelektrische Effekt beruht auf der besonderen Anordnung der Atome im Kristallgitter des piezoelektrischen Materials, wodurch das Material die Wirkung hat, das Spannungsfeld und das elektrische Feld zu koppeln.

Die akademische Definition des piezoelektrischen Effekts lautet: Wenn bestimmte Dielektrika durch äußere Kräfte in eine bestimmte Richtung verformt werden, kommt es in ihrem Inneren zu einer Polarisation, und gleichzeitig treten auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen positive und negative Ladungen auf. Wenn die äußere Kraft entfernt wird, kehrt es in einen ungeladenen Zustand zurück. Dieses Phänomen wird als positiver piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Wenn sich die Richtung der Kraft ändert, ändert sich auch die Polarität der Ladung. Im Gegenteil, wenn ein elektrisches Feld an die Polarisationsrichtung des Dielektrikums angelegt wird, verformen sich auch diese Dielektrika. Nachdem das elektrische Feld entfernt wurde, verschwindet die Verformung des Dielektrikums. Dieses Phänomen wird als inverser piezoelektrischer Effekt oder Elektrostriktion bezeichnet. Diese beiden positiven und inversen piezoelektrischen Effekte werden zusammenfassend als piezoelektrische Effekte bezeichnet. Der piezoelektrische Effekt ist ein Phänomen, bei dem mechanische Energie und elektrische Energie in dielektrischen Materialien ausgetauscht werden.

Offensichtlich gehört das von uns diskutierte akustische Rauschen des MLCC-Kondensators zur Kategorie des inversen piezoelektrischen Effekts. Allgemeiner ausgedrückt: Unter der Einwirkung eines externen elektrischen Feldes dehnt sich das ferroelektrische Keramikmedium mit piezoelektrischem Effekt aus und schrumpft. Diese Art der Ausdehnung und Kontraktion wird Elektrostriktion genannt. Auch die elektrostriktiven Eigenschaften verschiedener Keramikmedien sind unterschiedlich. Da das dielektrische Material bei anderen Kondensatortypen keinen piezoelektrischen Effekt hat oder der piezoelektrische Effekt minimal ist, ist das Heulen im Schaltkreis im Wesentlichen auf die Vibration zurückzuführen, die durch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt des ferroelektrischen Keramikmediums MLCC erzeugt wird.

(Bildquellennetzwerk)

Wie in der Abbildung oben gezeigt, erzeugt die Ferroelektrizität des ferroelektrischen Keramikmediums piezoelektrisches Effektrauschen. Die allgemeine Poissonzahl (Querverformungskoeffizient) von MLCC-Dielektrika beträgt etwa 0,3. Nachdem ein Wechselstromsignal angelegt wurde, dehnen und verformen sich Mehrschicht-Keramikkondensatoren parallel zur Stapelrichtung und zur Leiterplatte, und die resultierende Amplitude liegt normalerweise im µm- bis nm-Bereich. Wenn er nicht mit der Leiterplatte verlötet ist, unterscheidet sich die akustische Impedanz eines einzelnen Kondensators von der der Luft, sollte dies jedoch der Fall sein, sollte er nahezu unhörbar sein. Wenn der Keramikkondensator auf die Leiterplatte gelötet wird, sind der Kondensator und die Leiterplatte fest verbunden, und die Verformung des Kondensators zieht an der Leiterplatte. Die Leiterplatte wird zum akustischen Impedanztransformator. Wenn die Vibrationsfrequenz den unterscheidbaren Wert erreichtFrequenzband (20 Hz ~ 20 kHz) des menschlichen Ohrs, dann hören Sie akustische Geräusche.

Bei welchen Gelegenheiten gibt es im MLCC akustische Geräusche?

In gängigen Audioschaltungen, insbesondere bei Audiophilen, verwenden Menschen normalerweise gerne Rubin-, Black-Diamant- und andere Elektrolytkondensatoren. Da die Arbeitsfrequenz der Audioschaltung normalerweise relativ niedrig ist, beispielsweise mehrere kHz oder mehrere zehn kHz, kann der ferroelektrische Keramikkondensator bei dieser Arbeitsfrequenz einen Pfeifton erzeugen, der vom menschlichen Ohr gehört werden kann. Dieser Effekt geht bei Frequenzen weit über 30 kHz verloren, da der Kondensator selbst nicht schnell auf eine Änderung des Druckniveaus reagieren kann. Daher bestimmen der Spitzenansprechbereich und die Rauscheigenschaften, dass diese Kondensatoren in Audioschaltungen und Schaltungen mit hoher Verstärkung mit Vorsicht verwendet werden sollten.

Unter der Einwirkung spezifischer Wechselstromsignale können MLCCs, die ferroelektrische Keramikdielektrika verwenden (wie X7R/X5R), Heulen erzeugen. Das heftige Heulen entsteht durch heftige Vibrationen, und die Amplitude der Vibration wird durch den Grad des piezoelektrischen Effekts bestimmt, der proportional zur Intensität des elektrischen Feldes ist. Bei konstanter angelegter Spannung ist der piezoelektrische Effekt umso stärker und das heulende Geräusch umso lauter, je dünner das Medium ist.

Welche Auswirkungen hat der akustische Lärm des MLCC?

Aufgrund des kapazitiven Heulens beeinträchtigen die von elektronischen Produkten (Laptops, Tablets, Smartphones usw.) erzeugten hörbaren Geräusche, die von elektronischen Produkten (Laptops, Tablets, Smartphones usw.) erzeugt werden, wenn sich mobile elektronische Geräte in der Nähe des menschlichen Ohrs befinden, und heftiges Heulen führt dazu, dass sich die Menschen gereizt fühlen .

Unter einem elektrischen Wechselfeld drehen sich die ferroelektrischen Domänen ferroelektrischer Keramikkondensatoren abwechselnd, wenn sich die Richtung des elektrischen Feldes ändert, was zu Reibung innerhalb der ferroelektrischen Domänen führt und die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls des Kondensators erhöht. Darüber hinaus weist das Auftreten von Kondensatorpfeifen auch darauf hin, dass die Spannungswelligkeit am Kondensator zu groß ist. Eine starke Spannungswelligkeit beeinträchtigt den normalen Betrieb des Stromkreises und führt dazu, dass der Stromkreis nicht ordnungsgemäß funktioniert.

So lösen Sie akustisches MLCC-Rauschen

Es gibt viele Möglichkeiten, das von MLCC-Kondensatoren erzeugte heulende Rauschen zu beheben, und die Lösung kann die Kosten erhöhen.

1. Die Änderung des Typs des dielektrischen Kondensatormaterials ist die direkteste Methode. Verwenden Sie stattdessen Keramikkondensatoren der Klasse I, Folienkondensatoren, Tantal-Elektrolytkondensatoren, Aluminium-Elektrolytkondensatoren und andere Kondensatoren, die keinen piezoelektrischen Effekt haben. Allerdings müssen Aspekte wie Raumvolumen, Zuverlässigkeit und Kosten berücksichtigt werden.

2. Passen Sie den Schaltkreis so an, dass die an den MLCC angelegte Wechselspannung so weit wie möglich eliminiert wird.

3. Passen Sie die Spezifikationen und das Layout der Leiterplatte an, um Vibrationen zu reduzieren und das Geräuschpegel zu reduzieren.

4. Passen Sie die Größe des MLCC an.

5. Verwenden Sie MLCC ohne oder mit geringem Rauschen.

Auf dieser Grundlage können wir für das MLCC-Produkt selbst die folgenden Lösungsstrategien übernehmen

(1) Verdickung der Schutzschicht. Da die Dicke der Schutzschicht keine Innenelektroden aufweist, wird dieser Teil der BaTiO3-Keramik nicht verformt. Wenn die Löthöhe an beiden Enden die Dicke der unteren Schutzschicht nicht überschreitet, hat die zu diesem Zeitpunkt erzeugte Verformung weniger Auswirkungen auf die Leiterplatte, was die Geräuschentwicklung wirksam reduzieren kann.

(2) Zusätzliche Metallstützstruktur. Das Strukturdiagramm des Halterungskondensators ist wie folgt. Es verwendet eine Metallhalterung, um den MLCC-Chip von der Leiterplatte zu isolieren. Der inverse piezoelektrische Effekt erzeugt eine Verformung und puffert die Metallhalterung elastisch, um den Effekt auf die Leiterplatte zu reduzieren und so effektiv Geräusche zu reduzieren.

(3) Leitproduktstruktur übernehmen. Das Prinzip ähnelt dem des Metallbügels.

(4) Design und Herstellung unter Verwendung dielektrischer Materialien mit schwachem piezoelektrischem Effekt. Durch weitere Dotierung von Bariumtitanat (BaTiO3) unter Verzicht auf bestimmte Dielektrizitätskonstanten und Temperatureigenschaften wird ein dielektrisches Material mit stark reduziertem piezoelektrischem Effekt erhalten, und der damit hergestellte MLCC kann das Rauschen effektiv reduzieren.

(5) Design mit eingebettetem Substrat. Zur Unterdrückung von Störgeräuschen wird eine neue Struktur mit auf der Interposer-Leiterplatte montierten Kondensatoren eingesetzt.

Abschluss

Basierend auf dem akustischen Rauschphänomen von MLCC-Kondensatoren, kombiniert mit der Struktur des keramischen dielektrischen Chipkondensators und den Eigenschaften des keramischen dielektrischen Materials, haben wir den Heulmechanismus von ferroelektrischen keramischen dielektrischen Kondensatoren analysiert und schließlich die Lösungen und Strategien zur Lösung des Problems aufgezählt heulendes Phänomen. . In verschiedenen Anwendungsszenarien müssen Ingenieure im Elektronikbereich die Kosten und tatsächlichen Auswirkungen abwägen und die beste Lösung auswählen, um bessere Produkte zu entwickeln.