MLCC常见封装如下表:按照EIA标准,单位为mil。(JIS标准是按照mm为单位)
容值范围:一般101-476,这个容值是一般测量温度是25°,特殊规格的是20℃。
MLCC的温度特性不同主要由介质材料不同决定。不同介质种类由于它的主要极化类型不一样,其对电场变化的响应速度和极化率亦不一样,在相同的体积下的容量就不同,随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性(温度、直流偏置电压等)等也就不同。
介质材料划按容量的温度稳定性可以分为两类,即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器, NP0属于Ⅰ类陶瓷,而其他的X7R、X5R、Y5V、Z5U等都属于Ⅱ类陶瓷。
高频陶瓷电容器介质采用非铁电(顺电)配方,以TiO2为主要成分(介电常数小于150),具有最稳定的性能;通过添加少量其他(铁电体)氧化物,如CaTiO3 或SrTiO3,可构成“扩展型”温度补偿陶瓷,则可表现出近似线性的温度系数,介电常数增加至500。这两种介质损耗小、绝缘电阻高、温度特性好,特别适用于振荡器、谐振回路、高频电路中的耦合电容,以及其他要求损耗小和电容量稳定的电路或用于温度补偿。这种陶瓷为中介电性,温度稳定性非常好。此外,DC偏压下静电容量不会发生变化,同时静电容量也不会因老化发生变化。
Ⅰ类陶瓷的温度容量特性(TCC)非常小,单位往往在ppm/℃,容量较基准值的变化往往远小于1pF。美国电子工业协会(EIA)标准采用“字母+数字+字母” 代码形式来表示Ⅰ类陶瓷温度系数,比如C0G:
计算下来,C0G电容的TCC为:0×(-1)ppm/℃±30ppm/℃。而相应的其他Ⅰ类陶瓷的温度系数,例如U2J电容,计算下来则为:-750 ppm/℃±120 ppm/℃。
NP0是美国军用标准(MIL)中的说法,Negative-Positive-Zero的简写,用来表示的温度特性。说明NPO的电容温度特性很好,不随正负温度变化而出现容值漂移。C0G(EIA标准)是I类陶瓷中温度稳定性最好的一种,温度特性近似为0,满足“负-正-零”的含义。
所以C0G其实和NP0是一样的,只不过是两个标准的两种表示方法(当然,容值更小、精度略差一点的C0K、C0J等也是NP0电容)。类似的,U2J对应于MIL标准中的组别代码为N750。
Ⅱ类陶瓷电容器(Class Ⅱ ceramic capacitor)过去称为低频陶瓷电容器(Low frequency ceramic capacitor),指用铁电陶瓷作介质的电容器,因此也称铁电陶瓷电容器。Ⅱ类陶瓷电容器使用的陶瓷为强介电性,通常以钛酸钡(BaTiO3)为基材。相比种类I的陶瓷,其拥有极高的介电常数,但介电常数会因温度、偏置电压、老化而发生大幅变动,原因为陶瓷的晶格结构会随温度发生相变,因此介电常数会随温度发生大幅变化。此外,静电容量也会因施加直流电压(DC偏压)或老化而降低。这类电容器容量随温度呈非线性变化,损耗较大,常在电子设备中用于旁路、耦合或用于其它对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中。其中Ⅱ类陶瓷电容器又分为稳定级和可用级。X5R、X7R属于Ⅱ类陶瓷的稳定级,而Y5V和Z5U属于可用级。
以X7R为例:X 代表电容最低可工作在 -55℃7 代表电容最高可工作在 +125℃R 代表容值随温度的变化为 ±15%同样的,Y5V正常工作温度范围在-30℃~+85℃, 对应的电容容量变化为+22~-82%;而Z5U 正常工作温度范围在+10℃~+85℃,对应的电容容量变化为+22~-56%。
在设计电路的时候,需要考虑不同电容的温度系数,按照使用场景选择符合要求的电容。在一些对电容容量由要求的地方,就不能选择Y或者Z系列的电容。
品质因数Q:表征一个储能器件(如电感线圈、电容等)所储能量同每周损耗能量之比的一种质量指标。
理论上,一个完美的电容器应该表现为ESR为零欧姆、纯容抗性的无阻抗元件。不论何种频率,电流通过电容时都会比电压提前正好90度的相位。实际上,电容是不完美的,会或多或少存在一定值的ESR。一个特定电容的ESR随着频率的变化而变化,并且可用特定公式来表示。这是由于ESR的来源是导电电极结构的特性和绝缘介质的结构特性。
为了模型化分析,把ESR当成单个的串联寄生元。过去,所有的电容参数都是在1MHz的标准频率下测得,但当今是一个更高频的世界,1MHz的条件是远远不够的。一个性能优秀的高频电容给出的典型参数值应该为:200MHz ,ESR=0.04Ω;900MHz, ESR=0.10Ω;2000MHz,ESR=0.13Ω。
Q值是一个无量纲数,数值上等于电容的电抗除以寄生电阻(ESR)。Q值随频率变化而有很大的变化,这是由于电抗和电阻都随着频率而变。频率或者容量的改变会使电抗有着非常大的变化,因此Q值也会跟着发生很大的变化。
绝缘电阻值以MΩ或欧姆法拉(Ω*F)等单位表示。因为绝缘电阻的测量值与电容量成反比,故表征绝缘电阻时常用欧姆法拉作为单位。当使用欧姆法拉为单位时,即标称电容值和绝缘电阻的乘积 (C×R的乘积) 。电容值越高,其绝缘电阻值越低,例如: 当绝缘电阻在10,000MΩ以上时,电容为0.047µf或更小,当绝缘电阻为500MΩ时,其值大于0.047µf。
对于任意给定的电容器,其绝缘发电阻值与介质材料本征的电阻率、材料配方、测量时温度有关。另外,介质是由多晶体陶瓷聚合体所组成,微观结构中存在的晶界和气孔会降低材料的本征电阻率。
实际陶瓷电容的绝缘电阻时非常大的,是兆欧姆级别的,所以R远大于,所以简化公式为:
其中为容抗,为感抗,为等效串联电阻。很容易看出,在频率比较低(比较小)的时候,容抗远大于感抗,电容主要成容性,在频率比较高的时候,电容主要呈感性。
而当,即谐振的时候,阻抗等于等效串联电阻,此时阻抗达到最小值,如果是用来滤波的话,此时效果最好。
电容在谐振频率处阻抗最低,滤波效果最好,下图是村田常用电容的谐振频率表:
陶瓷的等效串联电阻并不是恒定的,它是跟频率有很大的关系。上述10uF电容在100hz的时候,ESR是3Ω,在700Khz的时候达到最小,ESR是3mΩ,相差了1000倍,是非常大的。我们非常关心陶瓷电容的ESR到底是多大,特别用在开关电源的时候,需要用来计算纹波的大小。下图为村田普通电容的ESR表。
陶瓷电容的另外一个特性是其直流偏压特性。对于在陶瓷电容器中又被分类为高诱电率系列的电容器(X5R、X7R特性),由于施加直流电压,其静电容量有时会不同于标称值,因此应特别注意。
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DC偏压特性的原理如下:陶瓷电容器中的高诱电率系列电容器,现在主要使用以BaTiO3 (钛酸钡) 作为主要成分的电介质。BaTiO3具有如下图所示的钙钛矿(perovskite)形的晶体结构,在居里温度以上时,为立方晶体(cubic),Ba2+离子位于顶点,O2-离子位于表面中心,Ti4+离子位于立方体中心的位置。
上图是在居里温度(约125℃)以上时的立方晶体(cubic)的晶体结构,在此温度以下的常温领域,向一个轴(C轴)延长,其他轴略微缩短的正方体(tetragonal)晶体结构。
作为Ti4+离子在结晶单位的延长方向上发生了偏移的结果,产生极化,不过,这个极化即使在没有外部电场或电压的情况下也会产生,因此,称为自发极化(spontaneous polarization)。像这样,具有自发极化,而且可以根据外部电场转变自发极化的朝向的特性,被称为强诱电型(ferro electricity)。与单位体积内的自发极化的相转变相同的是电容率,可视为静电容量进行观测。
当没有外加直流电压时,自发极化为随机取向状态,但当从外部施加直流电压时,由于电介质中的自发极化受到电场方向的束缚,因此不易发生自发极化时的自由相转变。其结果导致,得到的静电容量较施加偏压前低。
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考虑到寄生电感的存在,导致高频信号的IL(插入损耗)较大,严重影响到电容的高频滤波效果,因此发展出了三端子电容,它比普通电容更加接近理想电容,寄生电感更小,在高频范围中阻抗相对普通电容更低,在高频域滤波效果更出众。>
将陶瓷浆料通过流延机的浇注口,使其涂布在绕行的PET膜上,从而形成一层均匀的浆料薄层,再通过热风区(将浆料中绝大部分溶剂挥发),经干燥后可得到陶瓷膜片,一般膜片的厚度在10um-30um之间。
把印刷有内电极的陶瓷膜片按设计的错位要求,叠压在一起,使之形成MLCC的巴块(Bar)。
制作电容器的上下保护片。叠层时,底和顶面加上陶瓷保护片,以增加机械强度和提高绝缘性能。
叠层好的巴块(Bar),用层压袋将巴块(Bar)装好,抽真空包封后,用等静压方式加压使巴块(Bar)中的层与层之间结合更加紧密,严实。
将电容器生坯放置在承烧板上,按一定的温度曲线度℃左右),经高温烘烤,去除芯片中的粘合剂等有机物质。排胶作用:1)排除芯片中的粘合剂有机物质,以避免烧成时有机物质的快速挥发造成产品分层与开裂,以保证烧出具有所需形状的完好的瓷件。2)消除粘合剂在烧成时的还原作用。
排胶完成的芯片进行高温处理,一般烧结温度在1140℃~1340℃之间,使其成为具有高机械强度,优良的电气性能的陶瓷体的工艺过程。
烧结成瓷的电容器与水和磨介装在倒角罐,通过球磨、行星磨等方式运动,使之形成光洁的表面,以保证产品的内电极充分暴露,保证内外电极的连接。
将端浆涂覆在经倒角处理的芯片外露内部电极的两端上,将同侧内部电极连接起来,形成外部电极。
端接后产品经过低温烧结后才能确保内外电极的连接。并使端头与瓷体具有一定的结合强度。
表面处理过程是一种电沉积过程,它是指电解液中的金属离子(或络合离子)在直流电作用下,在阴极表面还原成金属(或合金)的过程。电容一般是在端头(Ag端头或Cu端头)上镀一层镍后,再镀层锡。
对电容产品电性能方面进行选别:容量、损耗、绝缘、电阻、耐压进行100%测量分档,把不良品剔除。
在制造多层陶瓷电容时,使用各种材料(热膨胀系数和导热率不同)会导致内部出现不同的张力。当温度转变率过大时,就容易出现因热击而破裂的现象,这种破裂往往从结构最弱及机械结构最集中的地方发生,一般是在接近外露短接和中央陶瓷端接界面处产生机械张力(一般是在晶体最坚硬的四角)。一般从一个端蔓延至另一个端。
第二种是隐藏在内部的微小裂纹。且第二种裂纹会由在外的中央部分或陶瓷端接界面的下部开始,随温度变化或组装应力顺着扭曲蔓延开来。>
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第一种是当进行零件取放时,取放夹具因为磨损、对位不准确、倾斜等导致的,造成很大的引力和切断率,继而形成破裂点。这种破裂一般为课件的表面裂纹或2至3个电极见的内部破裂,表面裂纹会沿着最强的压力线及陶瓷位移的方向。>
第二种破裂是真空吸嘴导致的损坏或破裂,一般会在芯片的表面形成一个圆形或半月形的压痕面积,并带有不圆滑的边缘,位置与吸嘴吸取的位置重合。另外一种由吸嘴造成的损坏是因拉力造成的裂纹,裂纹会由组件中央的一边延伸到另一边,这些裂纹可能会蔓延至电容的另一面,并且其粗糙的裂纹可能会令电容的底部破损。一般由多个破裂点。>
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PCB设计注意事项:电容放置方向平行于PCB弯曲方向,放置位置远离PCB大形变位置。避免电容在长边受力,如下图,右边的电容摆放就就左边要好。>
这种失效主要与陶瓷的空腔或电介质层与相应电极间存在的空隙引起,使电极间电介质裂开,形成潜在的漏电可能。>
这种失效与电极垂直,且一般源自电极边缘或终端,假如出现破裂是垂直的话,则他们应是由燃烧所引起的。
啸叫问题一般温度特性为X5R/X7R的高介电常数陶瓷电容器中,电介质材料使用强介电性的钛酸钡系的陶瓷,具有压电效应。
在施加交流电压时,独石陶瓷电容器贴片会发生叠层方向伸缩。因此电路板也会平行方向伸缩,而因电路板的振动而产生了噪声。贴片及电路板的振幅仅为1pm~1nm左右,但发出的声响却十分大。
其实几乎无法听到电容器本身发出的噪声,但将其安装于电路板后振动会随之增强,振幅的周期也达到了人耳能够听到的频率带(20Hz~20kHz),所以声音可通过人耳进行识别。例如可听到ji----、ki----pi----等声响。>
陶瓷电容器的啸叫现象,其振动变化仅为1pm~1nm左右,为压电应用产品的1/10至几十分之一,非常之小,因此我们可以判断这种现象对独石陶瓷电容器本身及周围元器件产生的影响,不存在可靠性问题。
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