10℃法则与多层瓷介电容器的贮存寿命试验

杜红炎，唐 欣，冯建琼，孙淑英

（北京元六鸿远电子技术有限公司，北京 100070）

1 引言

多层瓷介电容器作为基本的无源元件在电子设备中得到广泛的应用，各领域对多层瓷介电容器也提出了不同的寿命要求。特别是军用领域，对于多层瓷介电容器的长期贮存寿命要求不断提高。研究多层瓷介电容器的长期贮存寿命，一直是军用多层瓷介电容器领域的热点。GJB/Z 148-2006《军用电容器的选择和应用指南》中提出了温度对电容器寿命影响的粗略关系：10℃法则。但经典的P-V模型进行加速寿命试验是目前国内外研究电子元器件寿命的主要方法，对于多层瓷介电容器的加速寿命试验的研究也有了很多，本文总结了这些研究成果，对这两种试验方法进行了比较。

2 加速寿命试验是进行元器件寿命研究的常用方法

电子元器件的失效原因与元器件本身所选用的材料与材料之间、元器件表面或体内、金属化系统以及封装结构中存在的各种化学、物理的反应有关。元器件出厂经过储存、运输、使用到失效的寿命周期，无时无刻不在进行着缓慢的化学物理变化。在各种外界环境下，元器件还会承受各种热、电、机械应力，会使原来的化学反应加速[1]。加速寿命试验是指在不改变受试样品的失效分布的情况下，采用加大应力的方法来促使样品在短期内失效，以预测在正常工作条件或储存条件下的可靠性。

对于多层瓷介电容器来说，温度应力对产品寿命（包括储存寿命和工作寿命）的影响关系为：温度越高寿命越短。因此，以温度作为加速应力，是进行多层瓷介电容器加速寿命试验的常用方法。

3 P-V模型是国际公认的加速寿命试验模型

Prokopowicz和Vaskas[2]总结了温度应力和电压应力与加速寿命试验中加速系数的相互关系，公式如下：

式（1）中：ti——表示条件i下的寿命；

Vi——表示条件i下的试验电压；

n——表示电压应力指数；

Ea——表示介质击穿时的激活能；

k——表示玻尔兹曼常数：8.6×10-5e V/K；

Ti——表示条件i下的试验温度，单位为绝对温度。

式（1）可以被称为P-V模型，它被广泛地应用在多层陶瓷电容器可靠性的试验和研究中。显然，P-V模型表述了温度和电压对于寿命的影响关系，当两种试验条件选取的电压相等时，式（1）推导为：

因此，式（2）单纯地表达了寿命与试验温度的关系。根据式（2）可以知道，在寿命与温度的关系中，关键的影响参数为Ea；且越大，温度加速的效果越明显。

4 多层瓷介电容器的激活能大于0.9 eV

国内外有很多多层瓷介电容器生产厂家和研究机构，根据P-V模型应用于多层瓷介电容器的加速寿命试验的情况进行了大量的研究，也得到了很多关于激活能（Ea）的研究成果。国内外的专业人士一般认为，多层瓷介电容器的激活能在0.9～1.0 eV之间，不过很多研究结果表明，多层瓷介电容器的激活能要大于1 eV。下面列举几个典型的研究结果。

Paulsen[3]等通过对BME多层瓷介电容器的试验得到激活能为1.32～1.39 eV（试验电压不同，激活能也不同）。

Venkel公司出具了一份关于多层瓷介电容器可靠性试验的报告[4]，该报告使用的多层瓷介电容器的激活能如表3所示。

表3 不同介质对应激活能和电压因子

美国KEMET公司的Travis Ashburn[5]等也进行了多层瓷介电容器的加速寿命试验，求得了不同介质多层瓷介电容器的激活能，试验结论见表4。

另外，很多资料[6-10]也引用或直接求得了多层瓷介电容器的激活能，基本都在0.9～1.7 eV之间。因此，所有的这些研究资料表明，多层瓷介电容器（包括NP0介质、X7R介质等）的激活能均在0.9 eV以上。

表4 Kemet公司试验结论

5 10℃法则是P-V模型的另一种表述方式

GJB/Z 148-2006《军用电容器选择和应用指南》A.1.2.2第（e）条中有关于电容器的寿命与温度的关系的描述：“通常电容器的寿命会随温度上升而下降，电容器寿命与工作温度的关系是很复杂的，要根据寿命试验的数据确定。在缺乏数据的前提下，常用化学反应10℃法则作粗略估计，该法则是：每升高10℃寿命折半。然而此法则绝不能用于生产制造厂规定的温度范围之外，因为在极端的温度下会发生性质完全不同的化学反应，在没有深入研究的情况下，此法则不适用于液体和气体介质。”

多层瓷介电容器属于无机非金属的固体介质，根据上述原则，在使用温度范围内，该法则适用于多层瓷介电容器的寿命试验。该法则可以用公式表述如下：

式（3）中：t1——指温度下的寿命；

t2——指温度下的寿命。

而根据式（2），下式成立：

由此可以得到：

由式（5）进行推导，得到：

由于10℃法则只能用于该产品的使用温度范围内，因此 T0∈（-55℃，125℃），T1∈（T0，125℃），代入式（6），得到：

而对于多层瓷介电容器的实际的加速储存试验或加速工作寿命来说，可以保守地将基准的温度选为T0=45℃，即T0=318 K，而T1∈（318 K，398 K），此时，可以得到：

由此可见，多层瓷介电容器的加速寿命试验使用10℃法则时，相当于P-V模型的激活能为0.60～0.75 eV，而诸多研究资料表明：多层瓷介电容器的激活能在0.9 eV以上，根据P-V模型的加速因子表达式，在试验条件确定的情况下，激活能越大则加速因子越大。因此，对于多层瓷介电容器来说，使用10℃法则，作为加速试验所得到的试验结果比使用P-V模型更加可信。

6 结束语

1）10℃法则可以认为是P-V模型的一种表示方式；

2）国内外现有的研究资料表明，多层瓷介电容器（包括X7R介质和NP0介质）的激活能在0.9 eV以上；

3）根据国军标GJB/Z 148-2006《军用电容器选择和应用指南》，10℃法则进行多层瓷介电容器的加速贮存寿命试验，其试验结果比使用经典的温度加速模型更加可信。

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