MLCC陶瓷電容詳解

電子元器件之一電容種類繁多，而陶瓷電容是用得最多種類，沒(méi)有之一，因此硬件工程師必須熟練的掌握其特性。

作為一個(gè)工作多年的硬件工程師，筆者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)查閱各種資料，針對(duì)硬件設(shè)計(jì)需要掌握的重點(diǎn)及難點(diǎn)，總結(jié)了此文檔。 通過(guò)寫(xiě)文檔，目的是能夠使自己的知識(shí)更具有系統(tǒng)性，溫故而知新，同時(shí)也希望對(duì)讀者有所幫助，大家一起學(xué)習(xí)和進(jìn)步。

1電容的定義

1.1 電容的本質(zhì)

兩個(gè)相互靠近的導(dǎo)體，中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)，這就構(gòu)成了電容器。 當(dāng)電容器的兩個(gè)極板之間加上電壓時(shí)，電容器就會(huì)儲(chǔ)存電荷。

1.2 電容量的大小

電容器的電容量在數(shù)值上等于一個(gè)導(dǎo)電極板上的電荷量與兩個(gè)極板之間的電壓之比。 電容器的電容量的基本單位是法拉(F)。 在電路圖中通常用字母C表示電容元件。

電容量的大小公式：

：兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)

S：兩極板間的正對(duì)面積

k：靜電常數(shù)，等于k=8.987551×10^9N·m^2/C^2

d：兩極板間的距離

化簡(jiǎn)后的公式是：

想使電容容量大，有三種方法：

①使用介電常數(shù)高的介質(zhì)

②增大極板間的面積

③減小極板間的距離。

2MLCC陶瓷電容物理結(jié)構(gòu)

MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）是片式多層陶瓷電容器英文縮寫(xiě)。 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。

可以看到，內(nèi)部電極通過(guò)一層層疊起來(lái)，來(lái)增大電容兩極板的面積，從而增大電容量。

陶瓷介質(zhì)即為內(nèi)部填充介質(zhì)，不同的介質(zhì)做成的電容器的特性不同，有容量大的，有溫度特性好的，有頻率特性好的等等，這也是為什么陶瓷電容有這么多種類的原因。

3陶瓷電容的基本參數(shù)

3.2 電容單位

電容的基本單位是：F（法），此外還有μF（微法）、nF、pF（皮法），由于電容F的容量非常大，所以我們看到的一般都是μF、nF、pF的單位，而不是F的單位。

它們之間的具體換算如下：

1F=1000000μF

1μF=1000nF=1000 000pF

3.2 電容容量

常用陶瓷電容容量范圍：0.5pF~100uF。

實(shí)際生產(chǎn)的電容的陶瓷容量值也是離散的，常用電容容量如下表：

陶瓷電容容量從0.5pF起步，可以做到100uF，并且根據(jù)電容封裝（尺寸）的不同，容量也會(huì)不同。

選購(gòu)電容器不能一味的選擇大容量，選擇合適的才是正確的，例如0402電容可以做到10uF/10V，0805的電容可以做到47uF/10V，但是為了好采購(gòu)、成本低，一般都不會(huì)頂格選電容。

一般推薦0402選4.7uF-6.3V，0603選22uF/6.3，0805選47uF/6.3V，其它更高耐壓需要對(duì)應(yīng)降低容量。

滿足要求的情況下，選擇主要就看是否常用，價(jià)格是否低廉。

3.3 額定電壓

陶瓷電容常見(jiàn)的額定電壓有：2.5V、4V、6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、450V、500V、630V、1KV、1.5KV、2KV、2.5KV、3KV等等。

額定電壓值與電容的兩極板間的距離有關(guān)系，額定電壓越大，一般距離就要更大，否則介質(zhì)會(huì)被擊穿。 因此，這就導(dǎo)致了同等容量的電容，耐壓值高的，一般尺寸會(huì)更大。

電容器的外加電壓不得超過(guò)規(guī)范中規(guī)定的額定電壓，實(shí)際在電路設(shè)計(jì)中，一般選用電容時(shí)，都會(huì)讓額定電壓留有大概70%的裕量。

3.4 電容類型

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。 在相同的體積下的容量就不同，隨之帶來(lái)的電容器的介質(zhì)損耗、容量穩(wěn)定性等也就不同。 介質(zhì)材料劃按容量的溫度穩(wěn)定性可以分為兩類，即Ⅰ類陶瓷電容器和Ⅱ類陶瓷電容器， NPO屬于Ⅰ類陶瓷，而其他的X7R、X5R、Y5V、Z5U等都屬于Ⅱ類陶瓷。

MLCC陶瓷電容主要分為2大類：高節(jié)介電常數(shù)型和溫度補(bǔ)償型

國(guó)內(nèi)：風(fēng)華FH、宇陽(yáng)科技EYANG、信昌電陶PSA、三環(huán)CCTC等等。 村田muRata、松下PANASONIC、三星SAMSUNG、太誘TAIYO YUDEN、TDK、威世VISHAY、國(guó)巨YAGEO等等。

4陶瓷電容的特點(diǎn)

4.1 電容的基本模型

電容作為基本元器件之一，實(shí)際生產(chǎn)的電容都不是理想的，會(huì)有寄生電感，等效串聯(lián)電阻存在，同時(shí)因?yàn)殡娙輧蓸O板間的介質(zhì)不是絕對(duì)絕緣的，因此存在數(shù)值較大的絕緣電阻。

所以，實(shí)際的電容模型等下如下圖：

5.2 阻抗-頻率特性

根據(jù)上述電容模型，我們可以得到電容的復(fù)阻抗公式：

實(shí)際陶瓷電容的絕緣電阻時(shí)非常大的，是兆歐姆級(jí)別的，所以R遠(yuǎn)大于，所以簡(jiǎn)化公式為：

其中為容抗，為感抗，為等效串聯(lián)電阻。 很容易看出，在頻率比較低（比較小）的時(shí)候，容抗遠(yuǎn)大于感抗，電容主要成容性，在頻率比較高的時(shí)候，電容主要呈感性。

而當(dāng)，即諧振的時(shí)候，阻抗等于等效串聯(lián)電阻，此時(shí)阻抗達(dá)到最小值，如果是用來(lái)濾波的話，此時(shí)效果最好。

某村田10uF電容的阻抗頻率曲線如下圖：

注意，這個(gè)坐標(biāo)系是對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，縱軸為復(fù)阻抗的模。

5.3 諧振頻率

從上小節(jié)可知，電容在諧振頻率處阻抗最低，濾波效果最好，那么各種規(guī)格的電容的諧振頻率是多少呢？

下圖是村田常用電容的諧振頻率表：

頻率曲線如下圖：

5.4 等效串聯(lián)電阻ESR

從上小節(jié)可以看出，陶瓷的等效串聯(lián)電阻并不是恒定的，它是跟頻率有很大的關(guān)系。 上述10uF電容在100hz的時(shí)候，ESR是3Ω，在700Khz的時(shí)候達(dá)到最小，ESR是3mΩ，相差了1000倍，是非常大的。

我們非常關(guān)心陶瓷電容的ESR到底是多大，特別用在開(kāi)關(guān)電源的時(shí)候，需要用來(lái)計(jì)算紋波的大小。 那么各中電容型號(hào)的ESR是多少呢？

下圖為村田普通電容的ESR表。

ES頻率曲線如下圖：

5.5 精度大小

相對(duì)于電阻的精度來(lái)說(shuō)，電容的精度要低很多，以下是一般電容的精度。

同一類型的電容精度一般廠家會(huì)生產(chǎn)2~4種精度的檔次共選擇。

5.6溫度特性

不同類型的電容的工作溫度范圍是不同的、并且其容量隨溫度的變化也不同，相差非常大，如下表

在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，需要考慮不同電容的溫度系數(shù)，按照使用場(chǎng)景選擇符合要求的電容。 在一些對(duì)電容容量由要求的地方，就不能選擇Y或者Z系列的電容。

5.7直流偏壓特性

陶瓷電容的另外一個(gè)特性是其直流偏壓特性。

對(duì)于在陶瓷電容器中又被分類為高誘電率系列的電容器(X5R、X7R特性)，由于施加直流電壓，其靜電容量有時(shí)會(huì)不同于標(biāo)稱值，因此應(yīng)特別注意。

例如，如下圖所示，對(duì)高介電常數(shù)電容器施加的直流電壓越大，其實(shí)際靜電容量越低。

容值越高的電容，直流偏壓特性越明顯，如47uF-6.3V-X5R的電容，在6.3V電壓處，電容量只有其標(biāo)稱值的15%左右，而100nF-6.3V-X5R的電容容值為其標(biāo)稱值的，如下圖。

那么，DC偏壓特性的原理是怎樣的呢？

陶瓷電容器中的高誘電率系列電容器，現(xiàn)在主要使用以BaTiO3 (鈦酸鋇) 作為主要成分的電介質(zhì)。

BaTiO3具有如下圖所示的鈣鈦礦（perovskite）形的晶體結(jié)構(gòu)，在居里溫度以上時(shí)，為立方晶體（cubic），Ba2+離子位于頂點(diǎn)，O2-離子位于表面中心，Ti4+離子位于立方體中心的位置。

上圖是在居里溫度（約125℃）以上時(shí)的立方晶體（cubic）的晶體結(jié)構(gòu)，在此溫度以下的常溫領(lǐng)域，向一個(gè)軸（Ｃ軸）延長(zhǎng)，其他軸略微縮短的正方體（tetragonal）晶體結(jié)構(gòu)。

此時(shí)，作為T(mén)i4+離子在結(jié)晶單位的延長(zhǎng)方向上發(fā)生了偏移的結(jié)果，產(chǎn)生極化，不過(guò)，這個(gè)極化即使在沒(méi)有外部電場(chǎng)或電壓的情況下也會(huì)產(chǎn)生，因此，稱為自發(fā)極化（spontaneous polarization）。 像這樣，具有自發(fā)極化，而且可以根據(jù)外部電場(chǎng)轉(zhuǎn)變自發(fā)極化的朝向的特性，被稱為強(qiáng)誘電型（ferro electricity）。

與單位體積內(nèi)的自發(fā)極化的相轉(zhuǎn)變相同的是電容率，可視為靜電容量進(jìn)行觀測(cè)。

當(dāng)沒(méi)有外加直流電壓時(shí)，自發(fā)極化為隨機(jī)取向狀態(tài)，但當(dāng)從外部施加直流電壓時(shí)，由于電介質(zhì)中的自發(fā)極化受到電場(chǎng)方向的束縛，因此不易發(fā)生自發(fā)極化時(shí)的自由相轉(zhuǎn)變。 其結(jié)果導(dǎo)致，得到的靜電容量較施加偏壓前低。

這就是當(dāng)施加了直流電壓后，靜電容量降低的原理。

此外，對(duì)于溫度補(bǔ)償用電容器 (CH、C0G特性等) ，以常誘電性陶瓷作為主要原料，靜電容量不因直流電壓特性而發(fā)生變化。

5.8 漏電流和絕緣電阻

陶瓷電容絕緣電阻比較大，漏電流小。

絕緣電阻主要與容量有關(guān)，容量越大，漏電流越大，下面列出村田的幾種普通電容的絕緣電阻表格，可供參考。

5常見(jiàn)問(wèn)題

5.1 機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致電容失效

陶瓷電容最坑的失效就是短路了，一旦陶瓷電容短路，產(chǎn)品無(wú)法正常使用，危害非常大，那么造成短路失效的原因是什么呢？

答案是機(jī)械應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生裂紋，從而是電容容量變小或者是短路。

為什么會(huì)產(chǎn)生扭曲裂紋呢？ 這是由于貼片是焊接在電路板上的。 對(duì)電路板施加過(guò)大的機(jī)械力、使得電路板彎曲或老化，從而產(chǎn)生了扭曲裂紋。

扭曲裂紋從下面的外部電極的一端延伸到上面的外部電極的話，容量就會(huì)下降，使得電路呈現(xiàn)出開(kāi)路狀態(tài)（開(kāi)放）。 因此，即使裂紋不是十分嚴(yán)重，如果到達(dá)貼片內(nèi)部電極，焊劑中的有機(jī)酸和濕氣會(huì)通過(guò)裂紋的縫隙侵入，導(dǎo)致絕緣電阻性能降低。 另外，電壓負(fù)荷會(huì)變高，電流的流量過(guò)大時(shí)，最糟糕的情況會(huì)導(dǎo)致短路。

一旦出現(xiàn)了扭曲裂紋，是很難從外面將其去除的，因此為了防止裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)控制不要施加過(guò)大的機(jī)械力。

一般電容封裝越大，越容易產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力失效。

5.1.2 機(jī)械應(yīng)力行為

那么，常見(jiàn)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的行為有哪些呢？

①貼片原因：貼片機(jī)拾取電容力度過(guò)大，施力點(diǎn)不在中心，電容不平都可能碰壞電容。

②過(guò)量焊錫：當(dāng)溫度變化時(shí)，過(guò)度的焊錫在貼片電容器上面產(chǎn)生很高的張力，從而是電容器斷裂，焊錫不足時(shí)又會(huì)使電容器從PCB上剝離。

③PCB彎曲：焊接到PCB板上后，PCB彎曲，拉動(dòng)瓷片電容，過(guò)應(yīng)力后損壞。

④跌落、碰撞：PCB/成品跌落導(dǎo)致振動(dòng)或變形，使電容受到機(jī)械應(yīng)力。

⑤手工焊接：突然加熱或冷卻導(dǎo)致張力比較大（解決辦法是先預(yù)熱）

5.1.3 PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

電容放置方向平行于PCB彎曲方向，放置位置遠(yuǎn)離PCB大形變位置。 避免電容在長(zhǎng)邊受力，如下圖，右邊的電容擺放就就左邊要好。

下圖PCB拼板，受力大小是：A>B、A>B、A>C、A>D

電容也需要遠(yuǎn)離螺絲孔、減小應(yīng)力。

5.2 嘯叫

一般溫度特性為X5R/B，X7R/R的高介電常數(shù)陶瓷電容器中，電介質(zhì)材料使用強(qiáng)介電性的鈦酸鋇系的陶瓷，具有壓電效應(yīng)。

在施加交流電壓時(shí)，獨(dú)石陶瓷電容器貼片會(huì)發(fā)生疊層方向伸縮。 因此電路板也會(huì)平行方向伸縮，而因電路板的振動(dòng)而產(chǎn)生了噪聲。 貼片及電路板的振幅僅為1pm～1nm左右，但發(fā)出的聲響卻十分大。

其實(shí)幾乎無(wú)法聽(tīng)到電容器本身發(fā)出的噪聲，但將其安裝于電路板后振動(dòng)會(huì)隨之增強(qiáng)，振幅的周期也達(dá)到了人耳能夠聽(tīng)到的頻率帶(20Hz～20kHz)，所以聲音可通過(guò)人耳進(jìn)行識(shí)別。 例如可聽(tīng)到"ji----"、"ki----""pi----"等聲響。

陶瓷電容器的"嘯叫"現(xiàn)象，其振動(dòng)變化僅為1pm～1nm左右，為壓電應(yīng)用產(chǎn)品的1/10至幾十分之一，非常之小，因此我們可以判斷這種現(xiàn)象對(duì)獨(dú)石陶瓷電容器本身及周圍元器件產(chǎn)生的影響，不存在可靠性問(wèn)題。