MLCC陶瓷電容器的特性介紹

電容是三個(gè)最常用的無(wú)源元器件(電阻、電感)之一。

電容的種類有很多，可以從原理上分為：無(wú)極性可變電容、無(wú)極性固定電容、有極性電容等，從材料上分主要有：CBB電容(聚乙烯)，滌綸電容、瓷片電容、云母電容、獨(dú)石電容(即貼片電容或MLCC)、電解電容、鉭電容等。

電容分類

常見(jiàn)電容的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

電容優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2 MLCC電容結(jié)構(gòu)

MLCC(Multi-layer Ceramic Capacitors)是片式多層陶瓷電容器的英文縮寫(xiě)。MLCC是由印好電極(內(nèi)電極)的陶瓷介質(zhì)膜片以錯(cuò)位的方式疊合起來(lái)，經(jīng)過(guò)一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層(外電極)，從而形成一個(gè)類似獨(dú)石的結(jié)構(gòu)體，故也叫獨(dú)石電容器。

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

MLCC內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 設(shè)計(jì)原理

MLCC的電容容量，可以通過(guò)下面的公式進(jìn)行計(jì)算。

C = K×M×N / T

C代表電容容量;K代表介電常數(shù);M代表正對(duì)面積;N代表疊層層數(shù);T代表介質(zhì)厚度。

2.3 各組成部分詳解

陶瓷介質(zhì)：電場(chǎng)作用下，極化介電儲(chǔ)能，電場(chǎng)變化時(shí)極化率隨之發(fā)生變化，不同介質(zhì)種類由于它的主要極化類型不一樣，其對(duì)電場(chǎng)變化的響應(yīng)速度和極化率亦不一樣。

陶瓷介質(zhì)類型

內(nèi)電極：它與陶瓷介質(zhì)交替疊層，提供電極板正對(duì)面積;PME-Ag/Pd：主要在X7R和Y5V中高壓MLCC產(chǎn)品系列中，材料成本高。BME-Ni：目前大部分產(chǎn)品均為Ni內(nèi)電極，材料成本低，但需要還原氣氛燒結(jié)。 端電極 基層：銅金屬電極或銀金屬電極，與內(nèi)電極相連接，引出容量。 阻擋層：鎳鍍層，熱阻擋作用，可焊的鎳阻擋層能避免焊接時(shí)Sn層熔落。 焊接層：Sn鍍層，提供焊接金屬層。

視頻第8秒開(kāi)始出現(xiàn)，MLCC電容實(shí)物切開(kāi)后的模樣

3 MLCC制造

3.1 選材

瓷粉：它是產(chǎn)品質(zhì)量水平高低的決定性因素，采用技術(shù)不成熟的瓷粉材料會(huì)存在重大的質(zhì)量事故隱患。 進(jìn)口材料：北美中溫?zé)Y(jié)瓷粉、日本高溫?zé)Y(jié)瓷粉均較成熟。國(guó)產(chǎn)材料：I 類低K值瓷粉較成熟。 內(nèi)漿：它是產(chǎn)品質(zhì)量水平關(guān)鍵因素，基本要求是與瓷粉材料的匹配性好，若采用與瓷粉材料匹配性不良的內(nèi)漿制作MLCC，其可靠性會(huì)大大下降。 端漿：它是產(chǎn)品性能高低的重要因素，如端漿選用不當(dāng)，則所制作的端電極電氣及機(jī)械性能低。

3.2 工藝流程

MLCC工藝流程圖

4 MLCC分類、應(yīng)用及性能

4.1 MLCC分類

按照溫度特性、材質(zhì)、生產(chǎn)工藝。MLCC可以分成如下幾種：NP0、C0G、Y5V、Z5U、X7R、X5R等。 NP0、C0G溫度特性平穩(wěn)、容值小、價(jià)格高;Y5V、Z5U溫度特性大、容值大、價(jià)格低;X7R、X5R則介于以上兩種之間。 4.2不同材質(zhì)有不同的應(yīng)用領(lǐng)域 -C0G電容器具有高溫度補(bǔ)償特性，適合作為旁路電容和耦合電容 -X7R電容器是溫度穩(wěn)定型陶瓷電容器，適合要求不高的工業(yè)應(yīng)用 -Z5U電容器特點(diǎn)是小尺寸和低成本，尤其適合應(yīng)用于去耦電路 -Y5V電容器溫度特性最差，但容量大，可取代低容鋁電解電容

4.3 幾個(gè)值得注意的參數(shù)

選用MLCC電容時(shí)，不單單是關(guān)注電容容量和耐壓，還需要考量溫度容量特性TCC、Q值、DF損耗值、ESR等效串聯(lián)電阻、ESL等效串聯(lián)電感。另外還要注意BV直流擊穿電壓，絕緣電阻IR。 在實(shí)際電路中選用MLCC電容后，還要格外注意高壓壽命測(cè)試(擊穿失效)、抗彎曲測(cè)試(壓電效應(yīng))、耐焊接熱測(cè)試。

5 溫度-容量特性

由于MLCC選材以及配方的不同，K值都會(huì)出現(xiàn)不同的特性。具體而言，通過(guò)調(diào)整配方將居里點(diǎn)尖峰移至室溫附近的高K介質(zhì)在25℃時(shí)展現(xiàn)出極高的介電常數(shù)，但同時(shí)，不管是升溫還是降溫，K值都會(huì)出現(xiàn)非常大的變化。而低K介質(zhì)，其配方系統(tǒng)使得居里尖峰被壓低和寬化，因此能如人們所希望的那樣表現(xiàn)出更佳的穩(wěn)定性。

Ⅰ類瓷的溫度系數(shù)(T.C.)用 ppm/℃表示，而Ⅱ類瓷用%ΔC。

5.1 測(cè)量方法 測(cè)量溫度系數(shù)的方法是將片式電容器樣品置于溫度可控的溫度實(shí)驗(yàn)室或“T.C.”實(shí)驗(yàn)室中，精確地讀取不同溫度(通常 為-55℃、25℃、125℃)下的電容量。顯然，精密的夾具和測(cè)試儀器就變得非常重要了，特別是測(cè)量小電容量時(shí)，其 ppm/℃數(shù)值非常小，容量較基準(zhǔn)值的變化往往遠(yuǎn)小于1pF。由于存在去老化性，因此在測(cè)高K的Ⅱ類介質(zhì)時(shí)就必須注意。如果在加熱過(guò)程中對(duì)去老化的樣品進(jìn)行測(cè)量，其 T.C.結(jié)果肯定是錯(cuò)誤的;所以T.C.測(cè)量必須在對(duì)電容器去老化后至少一個(gè)小時(shí)才能進(jìn)行。 采用下面的表達(dá)式就可以計(jì)算出任何給定的溫度范圍內(nèi)Ⅰ類介質(zhì)的溫度系數(shù)，單位為 ppm/℃：

舉例：某一樣品的電容量測(cè)量值如下：

Ⅱ類介質(zhì)的溫度系數(shù)是以在室溫基準(zhǔn)值上變化的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示的，其變化量較線性介質(zhì)大了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 5.2 介質(zhì)分類 Ⅰ類介質(zhì)由于采用非鐵電(順電)配方，以TiO2為主要成分(介電常數(shù)小于150)，因此具有最穩(wěn)定的性能。通過(guò)添加少量其他(鐵電體)氧化物，如CaTiO3或SrTiO3，構(gòu)成“擴(kuò)展型”溫度補(bǔ)償陶瓷則可表現(xiàn)出近似線性的溫度系數(shù)，介電常數(shù)增加至500。 兩種類型的介質(zhì)都適用于電路中對(duì)穩(wěn)定性要求很高的電容器，即介電常數(shù)無(wú)老化或老化可忽略不計(jì)，低損耗(DF<0.001，或?qū)τ跀U(kuò)展型T.C.介質(zhì)DF<0.002)，容量或介質(zhì)損耗隨電壓或頻率的變化為零或可忽略不計(jì)以及線性溫度特性不超出規(guī)定的公差。 用“字母—數(shù)字—字母”這種代碼形式來(lái)表示Ⅰ類陶瓷溫度系數(shù)的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，并被美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)標(biāo)準(zhǔn)198所采用。

片式電容器中最常用的Ⅰ類介質(zhì)是C0G，溫度系數(shù)為0ppm/℃±30ppm/℃，也就是MIL標(biāo)準(zhǔn)中的NP0(負(fù)—正—零)，其具有很平的溫度系數(shù)。實(shí)際測(cè)量的溫度系數(shù)并非符合完美的線性關(guān)系，但只要其數(shù)值不超出EIA代碼最后一個(gè)字母所規(guī)定的公差范圍就可以接受。 舉例：

Ⅱ類介質(zhì)由鐵電體所組成。這類介質(zhì)的介電常數(shù)比Ⅰ類介質(zhì)高得多，但其性能隨溫度、電壓、頻率和時(shí)間變化的穩(wěn)定性較差。由于鐵電陶瓷性能的多樣化，有必要根據(jù)溫度特性將此類介質(zhì)分為兩個(gè)亞類。 “穩(wěn)定的中K”Ⅱ類瓷，以25℃為基準(zhǔn)，在-55℃到125℃的范圍內(nèi)最大溫度系數(shù)為±15%。此種介質(zhì)的介電常數(shù)在600到4000之間，與EIA中X7R的性質(zhì)相符。 “高K”Ⅱ類瓷，溫度系數(shù)超出X7R的水平。這種高K介質(zhì)的介電常數(shù)高達(dá)4000~18000，但溫度系數(shù)曲線非常陡峭，原因在于居里點(diǎn)移動(dòng)到室溫附近，出現(xiàn)了最大的介電常數(shù)。

用于片式電容器制造的最普遍的中K材料為X7R(-55℃到125℃內(nèi)ΔC最大值±15%)。而對(duì)于高K類材料，Z5U(+10℃到+85℃內(nèi)ΔC最大值+22%~-56%)和Y5V(-30℃到+85℃內(nèi)ΔC最大值+22%~-82%)最為常用。

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