Bruit acoustique du MLCC

Les insectes et les oiseaux chantent, l'eau de source chante et sonne, et le son provient de la vibration des objets. Il est bien connu que l’oreille humaine peut reconnaître les ondes sonores avec une fréquence de vibration de 20 Hz à 20 kHz. Cependant, les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) émettent parfois un bruit acoustique. Que se passe-t-il?

Les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) sont constitués d'un milieu céramique et d'une électrode interne métallique superposées de manière décalée. Après un frittage unique à haute température, la puce en céramique est formée, puis la couche métallique d'électrode externe est scellée aux deux extrémités de la puce. Le système de matériau diélectrique de ce type de condensateur céramique est principalement divisé en deux types : I diélectrique céramique et II diélectrique céramique.

Le diélectrique céramique appartient au milieu paraélectrique (les principaux matériaux sont SrZrO3, MgTiO3, etc.), et le diélectrique céramique ne produira pas de déformation électrostrictive. Par conséquent, le MLCC fabriqué à partir d'un matériau diélectrique céramique I, tel qu'un condensateur céramique avec des caractéristiques CG, ne produira pas de bruit acoustique lors du fonctionnement, mais la constante diélectrique de ce type de support est très faible, généralement entre 10 et 100, il est donc incapable produire un condensateur de grande capacité.

Les médias de type Ⅱ appartiennent aux médias ferroélectriques (le matériau principal est BaTiO3, BaSrTiO3, etc.), et les matériaux ferroélectriques produiront une déformation électrostrictive. Les MLCC constitués de diélectriques de type II, tels que X7R, X5R, etc., ont généralement une constante diélectrique comprise entre 2 000 et 4 000, et la capacité du condensateur est relativement grande, et il est facile de produire un bruit hurlant évident sous l'action d'un signal alternatif spécifique.

Pourquoi MLCC a-t-il du bruit acoustique

Afin de mieux comprendre la nature du bruit acoustique des condensateurs, comprenons d’abord un phénomène naturel : l’effet piézoélectrique.

En 1880, les frères Pierre Curie et Jacques Curie découvrent que la tourmaline a un effet piézoélectrique. En 1984, le physicien allemand Wodemar Voith en déduit que seuls les cristaux comportant 20 groupes ponctuels sans centre de symétrie pouvaient avoir l'effet piézoélectrique. L'effet piézoélectrique est dû à la disposition particulière des atomes dans le réseau cristallin du matériau piézoélectrique, ce qui donne au matériau pour effet de coupler le champ de contrainte et le champ électrique.

La définition académique de l'effet piézoélectrique est la suivante : lorsque certains diélectriques sont déformés par des forces extérieures dans une certaine direction, une polarisation se produira à l'intérieur d'eux, et en même temps, des charges positives et négatives apparaîtront sur ses deux surfaces opposées. Lorsque la force externe est supprimée, elle reviendra à un état non chargé. Ce phénomène est appelé effet piézoélectrique positif. Lorsque la direction de la force change, la polarité de la charge change également. Au contraire, lorsqu’un champ électrique est appliqué dans la direction de polarisation du diélectrique, ces diélectriques se déformeront également. Une fois le champ électrique supprimé, la déformation du diélectrique disparaît. Ce phénomène est appelé effet piézoélectrique inverse, ou électrostriction. Ces deux effets piézoélectriques positifs et inverses sont collectivement appelés effets piézoélectriques. L'effet piézoélectrique est un phénomène dans lequel l'énergie mécanique et l'énergie électrique s'échangent dans des matériaux diélectriques.

De toute évidence, le bruit acoustique du condensateur MLCC dont nous parlons appartient à la catégorie des effets piézoélectriques inverses. Plus généralement, sous l'action d'un champ électrique extérieur, le milieu céramique ferroélectrique à effet piézoélectrique va subir une expansion et une contraction. Ce type d’expansion et de contraction est appelé électrostriction. Les propriétés électrostrictives des différents supports céramiques sont également différentes. Pour d'autres types de condensateurs, parce que le matériau diélectrique n'a pas d'effet piézoélectrique ou que l'effet piézoélectrique est minime, le hurlement sur le circuit est essentiellement dû à la vibration générée par l'effet piézoélectrique inverse du milieu céramique ferroélectrique MLCC.

（Réseau source d'image）

Comme le montre la figure ci-dessus, la ferroélectricité du support céramique ferroélectrique produira un bruit à effet piézoélectrique. Le coefficient de Poisson général (coefficient de déformation transversale) des diélectriques MLCC est d'environ 0,3. Après l'application d'un signal CA, les condensateurs céramiques multicouches s'étirent et se déforment dans la direction parallèle à la direction d'empilement et au circuit imprimé, et l'amplitude résultante est généralement de niveau pm à nm. Lorsqu'il n'est pas soudé au circuit imprimé, l'impédance acoustique d'un seul condensateur est différente de celle de l'air, mais si tel est le cas, elle devrait être presque inaudible. Lorsque le condensateur en céramique est soudé sur le circuit imprimé, le condensateur et le circuit imprimé sont connectés de manière rigide, et la déformation du condensateur tirera le circuit imprimé. Le circuit imprimé devient un transformateur d'impédance acoustique. Lorsque la fréquence de vibration atteint le niveau distinctifbande de fréquence (20 Hz ~ 20 kHz) de l'oreille humaine, vous entendrez alors un bruit acoustique.

À quelles occasions MLCC a-t-il du bruit acoustique

Dans les circuits audio courants, en particulier les audiophiles, les gens aiment généralement utiliser des condensateurs rubis, diamant noir et autres condensateurs électrolytiques. Parce que la fréquence de travail du circuit audio est généralement relativement basse, par exemple plusieurs kHz ou dizaines de kHz, et que le condensateur céramique ferroélectrique peut produire un sifflement qui peut être entendu par l'oreille humaine à cette fréquence de travail. Cet effet sera perdu à des fréquences bien supérieures à 30 kHz, car le condensateur lui-même ne peut pas répondre rapidement aux changements de niveau de pression. Par conséquent, la plage de réponse maximale et les caractéristiques de bruit déterminent que ces condensateurs doivent être utilisés avec prudence dans les circuits audio et les circuits à gain élevé.

Sous l'action de signaux alternatifs spécifiques, les MLCC utilisant des diélectriques en céramique ferroélectrique (tels que X7R/X5R) peuvent produire des hurlements. Le hurlement violent provient d'une vibration violente et l'amplitude de la vibration est déterminée par le degré de l'effet piézoélectrique, qui est proportionnel à l'intensité du champ électrique. Lorsque la tension appliquée est constante, plus le milieu est fin, plus l'effet piézoélectrique est fort et plus le son hurlant est fort.

Quel est l'impact du bruit acoustique MLCC

En raison de l'existence de hurlements capacitifs, lorsque les appareils électroniques mobiles sont proches des oreilles humaines, le bruit audible généré par les produits électroniques (ordinateurs portables, tablettes, téléphones intelligents, etc.) affectera les sentiments de l'utilisateur, et les hurlements violents rendront les gens irritables. .

Sous un champ électrique alternatif, les domaines ferroélectriques des condensateurs céramiques ferroélectriques tourneront alternativement à mesure que la direction du champ électrique change, provoquant une friction au sein des domaines ferroélectriques et augmentant la probabilité de défaillance du condensateur. De plus, l'apparition d'un sifflement dans le condensateur indique également que l'ondulation de tension sur le condensateur est trop importante. Une ondulation de tension importante affectera le fonctionnement normal du circuit et entraînera un fonctionnement anormal du circuit.

Comment résoudre le bruit acoustique MLCC

Il existe de nombreuses façons de résoudre le bruit hurlant généré par les condensateurs MLCC, et la solution peut augmenter le coût.

1. Changer le type de matériau diélectrique du condensateur est la méthode la plus directe. Utilisez à la place des condensateurs céramiques de classe I, des condensateurs à film, des condensateurs électrolytiques au tantale, des condensateurs électrolytiques en aluminium et d'autres condensateurs qui n'ont pas d'effet piézoélectrique. Cependant, des problèmes tels que l’espace volumétrique, la fiabilité et le coût doivent être pris en compte.

2. Ajustez le circuit pour éliminer autant que possible la tension alternative appliquée au MLCC.

3. Ajustez les spécifications et la disposition du circuit imprimé pour réduire les vibrations et aider à réduire le niveau de hurlement.

4. Ajustez la taille de MLCC.

5. Utilisez MLCC sans bruit ou avec un faible bruit.

Sur cette base, pour le produit MLCC lui-même, nous pouvons adopter les stratégies de solution suivantes

(1) Épaississez la couche protectrice. L'épaisseur de la couche protectrice ne comportant pas d'électrodes internes, cette partie de la céramique BaTiO3 ne sera pas déformée. Lorsque la hauteur de soudure aux deux extrémités ne dépasse pas l'épaisseur de la couche de protection inférieure, la déformation générée à ce moment aura moins d'impact sur le PCB, ce qui peut réduire efficacement le bruit.

(2) Structure de support métallique supplémentaire. Le schéma structurel du condensateur de support est le suivant. Il utilise un support métallique pour isoler la puce MLCC de la carte PCB. L'effet piézoélectrique inverse produit une déformation et tamponne élastiquement le support métallique pour réduire l'effet sur la carte PCB, réduisant ainsi efficacement le bruit.

(3) Adopter la structure du produit principal. Le principe est similaire à celui du support métallique.

(4) Conception et fabrication à l'aide de matériaux diélectriques à faible effet piézoélectrique. En dopant davantage le titanate de baryum (BaTiO3) pour sacrifier une certaine constante diélectrique et des caractéristiques de température, un matériau diélectrique avec un effet piézoélectrique considérablement réduit est obtenu, et le MLCC fabriqué avec celui-ci peut réduire efficacement le bruit.

(5) Conception intégrée au substrat. Une nouvelle structure avec des condensateurs montés sur le circuit imprimé interposeur est adoptée pour supprimer les hurlements.

Conclusion

Sur la base du phénomène de bruit acoustique des condensateurs MLCC, combiné à la structure du condensateur diélectrique céramique à puce et aux caractéristiques du matériau diélectrique céramique, nous avons analysé le mécanisme de hurlement des condensateurs diélectriques céramiques ferroélectriques et avons finalement énuméré les solutions et stratégies pour résoudre le problème. phénomène de hurlement. . Dans différents scénarios d'application, les ingénieurs dans le domaine de l'électronique doivent peser le coût et les effets réels et choisir la meilleure solution pour développer de meilleurs produits.