瓷片電容基礎(chǔ)介紹

“ 本篇介紹瓷片電容，瓷片電容已經(jīng)成為主流、通用的電容，尤其是SMT片狀類型，由于成本低，顯得特別有吸引力。目前，世界上生產(chǎn)的電容器約有80％是貼片型陶瓷電容器。對于電子設(shè)備的小型化和輕量化起了很大作用?！?/p>

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瓷片電容的結(jié)構(gòu)和主要加工環(huán)節(jié)

如下面圖1. 的瓷片電容的結(jié)構(gòu)，內(nèi)電極導(dǎo)體一般為Ag或AgPd，陶瓷介質(zhì)一般為BaTiO3， 多層陶瓷結(jié)構(gòu)通過高溫?zé)Y(jié)而成。器件端頭鍍層（外電極）一般為燒結(jié)Ag/AgPd，然后制備一層Ni阻擋層(以阻擋內(nèi)部Ag/AgPd材料，防止其和外部Sn發(fā)生反應(yīng))，再在Ni層上制備Sn或SnPb層用以焊接。近年來，也出現(xiàn)了端頭使用Cu的MLCC產(chǎn)品。

圖1. 積層陶瓷電容的結(jié)構(gòu)圖

陶瓷電容的主要加工環(huán)節(jié)：

a） 備料成型：原料經(jīng)過煅燒、粉碎與混和后，達(dá)到一定的顆粒細(xì)度，原則上顆粒越細(xì)越好。然后根據(jù)電容器結(jié)構(gòu)形狀，進(jìn)行陶瓷介質(zhì)坯件成型；

b） 燒成：對瓷坯進(jìn)行高溫處理，是其成為具有高機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)良電氣性能的瓷體。燒成溫 度一般在1300℃以上。高溫保持時間過短，固相反應(yīng)不完全徹底，影響整個坯體結(jié)構(gòu)， 造成電性能惡化，是所謂“生燒”；高溫保持時間過長，使坯體起泡變形以及晶粒變大， 同樣惡化電性能，造成“過燒”；

c） 然后是電極制造，引線焊接，涂覆，包封；

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影響瓷片濾波效果的模型參數(shù)

瓷片電容的阻抗頻率特性呈現(xiàn)V形特性，其ESR非常小，另外它電容量特性與其介質(zhì)構(gòu)成有很 大關(guān)系。同樣，按照C、ESR和ESL三項(xiàng)參數(shù)來分析。

2.1 電容量

瓷片電容根據(jù)其采用的介質(zhì)和溫度表現(xiàn)可分為三種類型：第一類（NPO或COG），適用于低容量、穩(wěn)定性要求高的場合，其電性能最穩(wěn)定，基本上不隨溫度、電壓與時間的改變而改變；第二類 （X7R），其電介質(zhì)常數(shù)較大，相同體積的容量要比第一類要大20～70倍，但溫度從-55℃到125℃ 范圍變化時，容量變化一般在±10％，最大可達(dá)＋15％到-25％，其電性能較為穩(wěn)定，適用于隔直、 耦合、旁路與對容量穩(wěn)定性要求不太高的鑒頻電路；第三類（Z5U），其電介常數(shù)較高，常用與生產(chǎn)比容較大的、標(biāo)稱容量較高的大容量電容器產(chǎn)品，但其容量穩(wěn)定性較X7R差；其容量可以做到第 二類的5倍，然而容量、損耗對溫度、電壓等較為敏感，穩(wěn)定性很差，當(dāng)溫度從-25℃到85℃變化時， 容量變化為＋20％到-65％。

第一和第二類瓷片電容在低溫時，性能要比鋁電解電容要好。而第三類瓷片電容在所有溫度下特性都較差。第一類和第二類瓷片電容的低損耗因子DF以及高容量穩(wěn)定性特別適合AC和高頻應(yīng)用場合。一個很明顯的例子，用儀器測試不同介質(zhì)常數(shù)的電容，可以看到在不同AC電壓下，其電參數(shù)的變化：

圖2. 陶瓷電容的容量變化效應(yīng)

2.2 ESR值

在片式多層元器件類型中，ESR（Res）主要由介質(zhì)層電阻、內(nèi)電極層電阻、各接觸面電阻和端電極電阻等四個方面組成；其中各接觸面電阻包括端電極與內(nèi)電極的接觸，不同的端電極電鍍層間 的接觸等；Res對頻率是較為敏感的，并隨頻率的增加而增加，因?yàn)椋?/p>

1．接觸電阻－電極間接觸形成的間隙式裂縫是容性阻抗(Z=1/(2pif*C)),從而導(dǎo)致Res在剛開始 時隨頻率的增加而下降。

2．趨膚效應(yīng)－內(nèi)電極和端電極由于趨膚效應(yīng)，阻抗隨頻率的增加而增加，最終將抵消接觸電 阻所產(chǎn)生ESR下降的影響。

3．電介質(zhì)極化－隨電介質(zhì)中的極化定向，大量的能量被儲備，從而呈現(xiàn)阻抗隨頻率增大而增大.

圖3. 陶瓷電容的ESR組成

a） ESR各組成電阻

i 內(nèi)電極層自身電阻：

內(nèi)電極層可以認(rèn)為是一個給定厚度、長寬參數(shù)的金屬平面薄板，因此其自身電阻取決與L/W的 比例，但由于是通過涂抹工藝（絲網(wǎng)疊?。┲瞥?，它有著不太規(guī)則的厚度及一些空洞區(qū)域等缺陷， 這些空洞區(qū)域在低頻時呈現(xiàn)的高阻特性，而當(dāng)頻率增大，在中間夾雜介質(zhì)的分流作用下（容抗）， 減小了整個器件的阻抗。但隨著頻率進(jìn)一步增加，到較高頻時，出現(xiàn)趨膚效應(yīng)，導(dǎo)致呈現(xiàn)的阻抗增加。

ii 接觸電阻：

從微觀角度看，任何光滑的表面都是凹凸不平的，因此，兩個接點(diǎn)接觸時，不可能是整個接觸面接觸，而是有限點(diǎn)的接觸，差異取決于表面光滑程度和接觸壓力的大小。真正的接觸電阻包括：集中電阻——電流通過接觸面，由于接觸面縮小而導(dǎo)致電流線收縮所顯示的電阻，通常稱為集中電阻；界面電阻——由于接觸表面所形成膜層而構(gòu)成的膜層電阻或稱界面電阻。同樣的，內(nèi)電極一端與端電極的接觸面并不是很完美，這個電極接觸端面不規(guī)則，則其相應(yīng)接觸電 阻也會由于接觸點(diǎn)的電流集中及相應(yīng)熱區(qū)效應(yīng)而不同。工藝上應(yīng)盡量避免該接觸面的不規(guī)則，不然將會降低長期使用的功率承載能力。事實(shí)上，雖然接觸表面面一些地方有兩金屬的合金生成，但大 多數(shù)仍舊是“物理”的接觸，某些中間的膜層為玻璃粉，可以認(rèn)為這些接點(diǎn)是一個具有阻性和容性 的元素，因此在低頻時，阻值較大；在高頻時，又會呈現(xiàn)較低的阻抗。由于，接觸電阻直接受內(nèi)電 極層的L/W比例影響，往往把內(nèi)電極層電阻和接觸電阻看成一體。

iii 介質(zhì)層電阻：

在電場中，介質(zhì)分子極化過程中要損耗一些能量。它的大小主要受介質(zhì)常數(shù)K和環(huán)境溫度的影響。

圖4. 陶瓷電容的介質(zhì)層電阻

iv 端電極自身電阻：

影響很小，一般可以省略不考慮。

b） ESR與各參數(shù)間的關(guān)系

i 與容量：

在給定介質(zhì)和厚度情況下，剩下跟隨容量變化的可變量為電極平面數(shù)目?？梢越普J(rèn)為，電容為許多小電容并聯(lián)，因此，其ESR隨著容量的增加，并聯(lián)數(shù)目增多而減少。

圖5. 陶瓷電容的容量和ESR的關(guān)系

ii 與頻率：

隨著頻率增加，介質(zhì)層電阻減小（頻率變化影響介質(zhì)的參數(shù)，提高其絕緣性能和效率），在一 定頻率（1MHz）后，介質(zhì)層電阻減小到對整體ESR的影響很小，而可以忽略。另外，接觸面所呈現(xiàn)的小電容在高頻下，容抗減小，更是減小了ESR，但這些到了一定高頻（30MHz）后，隨著電極層的趨膚效應(yīng)出現(xiàn)，ESR開始增大。在器件在或接近自諧振點(diǎn)時，其ESR達(dá)到最小值。

iii 與溫度：

陶瓷電容的ESR與溫度呈線性反比例關(guān)系，但比例系數(shù)與介質(zhì)有關(guān)，如下面圖，X7R為5， 而NPO為1.5。溫度主要影響了介質(zhì)層分子極化的初始勢能，從而影響了介質(zhì)層電阻；另外，電極及端極的膨脹壓縮導(dǎo)致接觸面壓力增加，更是影響了整體的ESR。

圖6. ESR與溫度關(guān)系

iv 與尺寸：

長寬比，越短越寬，則內(nèi)電極自身電阻越小，而且越寬接觸面積越大，則相應(yīng)接觸電阻也會減小。

2.3 ESL值

貼片陶瓷電容的ESL與貼片固體鉭電容類似，同為SMD器件，具有比較小的ESL，但由于內(nèi)部引線結(jié)構(gòu)，瓷片的ESL又要比鉭電容小很多，可用近似公式：ESL=394.727* (1.052^L)* (1.317 ^L/W )來進(jìn)行推算，比如1206封裝，則L＝12，W＝6。ESL雖然與容量有關(guān)系，但相對而言，這個變化量很 小，基本可以認(rèn)為不變。

圖7. X7R電容的阻抗特性

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使用中的可靠性需要關(guān)注的地方

3.1 可靠應(yīng)用關(guān)注點(diǎn)

多層陶瓷電容器由于其介質(zhì)和結(jié)構(gòu)關(guān)系，主要關(guān)注機(jī)械應(yīng)力以及在施加溫度、電壓變化下參數(shù)變化問題。它本身的內(nèi)在可靠性十分優(yōu)良，可以長時間穩(wěn)定使用。但如果器件本身存在缺陷或在組 裝過程中引入缺陷，則會對其可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3.2 失效的原因

多層陶瓷電容的失效原因分為外部因素和內(nèi)在因素。

a） 內(nèi)在因素：

1.陶瓷介質(zhì)內(nèi)空洞 (Voids)

導(dǎo)致空洞產(chǎn)生的主要因素為陶瓷粉料內(nèi)的有機(jī)或無機(jī)污染，燒結(jié)過程控制不當(dāng)?shù)?。空洞的產(chǎn)生極易導(dǎo)致漏電，而漏電又導(dǎo)致器件內(nèi)部局部發(fā)熱，進(jìn)一步降低陶瓷介質(zhì)的絕緣性能從而導(dǎo)致漏電增加。該過程循環(huán)發(fā)生，不斷惡化，嚴(yán)重時導(dǎo)致多層陶瓷電容器開裂、爆炸，甚至燃燒等嚴(yán)重后果。

2.燒結(jié)裂紋 (Firing Crack)

燒結(jié)裂紋常起源于一端電極，沿垂直方向擴(kuò)展。主要原因與燒結(jié)過程中的冷卻速度有關(guān)，裂紋 和危害與空洞相仿。

3.分層 (Delamination)

多層陶瓷電容器（MLCC）的燒結(jié)為多層材料堆疊共燒。燒結(jié)溫度可以高達(dá)1000℃以上。層間 結(jié)合力不強(qiáng)，燒結(jié)過程中內(nèi)部污染物揮發(fā)，燒結(jié)工藝控制不當(dāng)都可能導(dǎo)致分層的發(fā)生。分層和空洞、 裂紋的危害相仿，為重要的多層陶瓷電容器內(nèi)在缺陷。

b） 外部因素：

1.溫度沖擊裂紋(Thermal Crack)

主要由于器件在焊接特別是波峰焊時承受溫度沖擊所致，不當(dāng)返修也是導(dǎo)致溫度沖擊裂紋的重 要原因。

2.機(jī)械應(yīng)力裂紋(Flex Crack)

多層陶瓷電容器的特點(diǎn)是能夠承受較大的壓應(yīng)力，但抵抗彎曲能力比較差。器件組裝過程中任 何可能產(chǎn)生彎曲變形的操作都可能導(dǎo)致器件開裂。常見應(yīng)力源有：貼片對中，工藝過程中電路板操 作；流轉(zhuǎn)過程中的人、設(shè)備、重力等因素；通孔元器件插入；電路測試、單板分割；電路板安裝；電路板定位鉚接；螺絲安裝等。該類裂紋一般起源于器件上下金屬化端，沿45℃角向器件內(nèi)部擴(kuò)展。該類缺陷也是實(shí)際發(fā)生最多的一種類型缺陷。

3.3 多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制

多層陶瓷電容器的特點(diǎn)是在沒有內(nèi)在缺陷并且組裝過程也未引入其它缺陷的前提下，可靠性優(yōu) 越。但是如果存在缺陷，則無論是內(nèi)在的還是外在的都可能對器件可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。同時組裝 后的陶瓷電容器潛在缺陷很難通過無損、在線檢測等發(fā)現(xiàn)，因而多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制主要必 須通過預(yù)防性措施解決。常見預(yù)防措施包括：

1.對供應(yīng)商進(jìn)行認(rèn)真選擇、對其產(chǎn)品進(jìn)行定期抽樣檢測等。

2.對組裝工藝中所有可能導(dǎo)致熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的操作進(jìn)行認(rèn)真的分析及有效的控制。

考慮到多層陶瓷電容器的特點(diǎn)，對器件進(jìn)行的檢測可以主要包括：

1.結(jié)構(gòu)分析: 即采用金相剖面手段抽檢樣品?？梢詫ζ骷a(chǎn)生的制造水平，內(nèi)在缺陷等有一全 面了解。

2.掃描超聲分析 : 可以十分有效地探測空洞、分層、水平裂紋等缺陷耐溫度試驗(yàn)考察高溫及溫 度沖擊可能帶來的器件開裂、Ag/Pd層外露等缺陷。彎曲試驗(yàn): 按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將器件組裝在規(guī)定的印 刷電路板上，進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，以考察器件抗彎曲能力。當(dāng)然陶瓷電容器還有很多其它檢測指標(biāo)，可 根據(jù)具體情況增加或減少檢查項(xiàng)目，以達(dá)到用最低的成本達(dá)到最有效的控制。

組裝工藝中主要考察及控制項(xiàng)目：

1.回流或波峰焊溫度曲線，一般器件工藝商都會提供相關(guān)的建議曲線。通過組裝良品率的積累 和分析，可以得到優(yōu)化的溫度曲線。

2.在組裝工藝中印刷線路板操作和流轉(zhuǎn)過程中特別是手工插件、鉚釘連接、手工切割等工藝需 要特別加以注意。必要時甚至需要對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行修改，以最大限度地使多層陶瓷電容器避開在工 藝過程中可能產(chǎn)生較大機(jī)械應(yīng)力的區(qū)域。

3.檢查組裝過程中的電檢測 ICT工藝，必須注意盡量減小測試點(diǎn)機(jī)械接觸所帶來的機(jī)械應(yīng)力。

4.返修工藝中溫度曲線的設(shè)置。如使用烙鐵返修，則焊頭接觸焊點(diǎn)的位置、時間等都必須加以 規(guī)范。

多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制為一系統(tǒng)工程，首先必須對實(shí)際生產(chǎn)中的失效樣品進(jìn)行分析以確定 失效的根本原因，在此基礎(chǔ)上逐步提出改進(jìn)措施并最終達(dá)到最優(yōu)化的控制。

3.4 總結(jié)

1）陶瓷電容由于其介質(zhì)和構(gòu)造問題，ESR、ESL參數(shù)都很小，這使得它在高頻濾波場合有廣泛 應(yīng)用，一般其應(yīng)用頻率為1MHz到1GHz，高于GHz的濾波是通過PCB板間電容來實(shí)現(xiàn)的。

2）陶瓷電容主要受機(jī)械應(yīng)力影響。