MLCC电气特性与选型指导.docx
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MLCC电气特性与选型指导
众所周知,MLCC-英文全称multi-layerceramiccapacitor,就是我们常说的片式多层陶瓷电容器,其以工作温度范围宽,耐高压,微小型化,片式化适合自动化贴装等优点,广泛应用于工业,医疗,通信,航空航天,军工等领域,在电子产品日益小型化及多功能化的趋势下,MLCC成为电容器产业的主流产品。
目前全球主要MLCC厂家主要分布于日本,欧美,韩国和台湾,其中日本企业包括村田,TDK,太阳诱电和日本京瓷等。
欧美主要由SyferNovacapjohson等,韩国三星、台湾国巨及华新科技近年来不断扩大生产规模,也是全球主要的 MLCC生产商。
而国内的厂家则主要有风华高科,深圳宇阳,潮州三环等。
日本,韩国等地的部分MLCC厂家也在国内成立了独资或合资企业如,厦门- TDK 、天津-三星、上海-京瓷、苏州-国巨、Syfer、无锡-村田等。
鉴于MLCC应用领域越来越广泛,生产厂家及产品系列的越发多样性.其可靠性,选型及应用的问题受到设计工程师及生产工艺人员的重视,因此对MLCC电气特性和生产工艺的深刻认识,是正确选用MLCC的必要条件.
多层陶瓷电容器的基本结构如图所示,电容量由公式C=NKA/T计算出(N为层数,K为介电常数,A为正对面积,T是两极板间距),从理论上来讲电极层数越多,介质常数和相对电极覆盖面积越大,电极间距越小,所制作出的电容容量则越大,然而,MLCC的工艺限制及介质的非理想特性决定了电容在容量,体积,耐压强度间的相互制约关系.这里稍微简单介绍下电容量的国际标称法,尽管各个厂家所生产的电容型号不一,但是在容量的表示方法上越来越多厂商使用国际标称法,即用三位数来表示电容量,前两位
前二位数为有效值,第三位数为“0”的个数单位为pF,如1μF=1000nF=1000000pF简化表示为105而小于10pF容值表示在在整数后加“R或P”如:
4.7pF=4R7或4p7.
陶瓷介质作为MLCC组成部分之一,对电容的相关参数有着重要影响,国际上一般以陶瓷介质的温度系数作为主要分类依据.1类陶瓷,EIA称之为C0G或NP0.工作温度范围-55~+125℃,容量变化不超过±30ppm/℃.电容温度变化时,容值很稳定.二类陶瓷则包括了我们常见的X7R,Z5U,Y5V,这些标称的依据是根据右图的表格所制定的,如X7R表示温度下限为-55℃;上限温度为+125℃,在工作温度范围内,容量最大变化为+-15%.右下图显示了不同介质的温度特性曲线。
介电常数就是我们常说的K值,决定电容极板间有介质储存的静电能数量之比,K值越高,容量就越大,然而相应的其稳定性能、可靠性能和耐用性便越差。
现代多层陶瓷电容常用介质的介电常数分布:
C0G或NP0(超稳定)K值10到100
X7R(稳定)K值2000到4000
Y5V或Z5U(一般用途)K值5000-25000.那么显而易见,同样的尺寸和耐压下,这三种介质材料中Y5U能够做到最大的容值,其次是X7R,C0G最小
介质强度(抗电强度)
介质所能承受的电压值,主要由介质组成成分和电极间距离决定。
陶瓷电容中电压梯度过高将导致介质失去绝缘性质,引起电容失效。
当外电场强度达到某一临界值时,材料晶体点阵中的电子克服束缚产生出足夠多的自由电子相互碰撞导致雪崩效应,进而击穿介质,使其失效。
除此之外,介质失效还有另一种模式,高压负荷下产生的热量会使介质材料的电阻率降低到某一程度,如果在这个程度上延续足夠长的时间,将会在介质最薄弱的部位上产生漏电流.
一般来说,同比材料K值越低,介质强度越高,工作温度,湿度和气压以及电容端头之间距等环境条件影响介质电压击穿特性.介质强度随温度提高而下降。
材料的制作工艺好坏对介质强度也有重要影响。
介质损耗介质材料都有自己的损耗,绝缘材料在电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效应,在其内部引起的能量损耗,即电容全部能量中变成热量在电容内消耗的部分,这一损耗效果使电容发热,在极端情况下发生热击穿。
在频率比较低的情况下,介质吸收所产生的损耗很低,然而当频率很高时,介质损耗将随频率升高而急剧上升,在高频电路使用中,介质损耗则成为设计师不得不考虑的一个重要因素。
绝缘电阻(IR):
绝缘电阻表征的是介质材料在直流偏压梯度下抵抗漏电流的能力。
陶瓷电容器的绝缘电阻取决于介质材料配方、工艺过程(烧结)和测量时的温度。
介质的绝缘电阻随温度的提高而下降,在常温(20℃)和在高温(125℃)测得到绝缘电阻数据比下降了一半。
那么在高温工作环境下,设计师就必须注意电容的抗漏电流能力是否依然达标。
电容量老化是陶瓷电容2类瓷随时间变化容量逐渐减小的一种现象。
它在所有以铁电系材料做介质的电容中均有发生,是一种自然不可避免的现象。
发生的原因是此类材料的内部晶体结构随时间和温度产生变化。
介电常数越高老化率就越高,二类陶瓷X7R一般老化率在1~3%,而Z5U和Y5V的老化率则更大。
老化是一种可逆的现象,当对老化的材料加以高于居里温度的高温,材料的分子结构将会回到原始状态,损耗的容量将得到恢复,而材料将由此开始新的老化循环
电极材料是陶瓷电容器又一重要的组成部分,传统的MLCC内电极材料为银和钯,其市场价格很高,成本占整个MLCC的50%以上,在MLCC毛利率不断下滑的情况下,各厂商纷纷致力于开发BME(贱金属电极)制程技术,力求以铜、镍等贱金属来取代银钯,BME制程技术将成为未来全球MLCC厂商提升市场竞争力的关键。
而贱金属镍电极以高介电常数,容量大,体积小,低电压,绝缘电阻低,成本低的优势越来越受到MLCC生产商的青睐。
然而由于镍电极工艺起步晚,其寿命和可靠性不及传统的银钯电极,主要原因在于片式多层瓷介电容器多采用BaTiO3系列陶瓷作介质,此系列陶瓷材料一般都在900℃~1300℃左右烧结而成,在这个烧结温度中,贵金属的PME电容不会被氧化。
使用普通金属的BME电容,像金属镍,则会在较高烧结温度时发生氧化从而失去作为内电极的功能。
端头材料也是影响电容电气表现的重要因素,一般的多层陶瓷电容端头电极由三层组成,从里至外分别为银-镍-锡,符合ROSH要求,应用于一般场合,然而有时需要添加不同的材料以满足实际的电路工作环境要求.如航天产品端头电极材料需要添加元素铅,以提高产品的可靠性.下表是不同端头材料及其所应用的不同场合.
MLCC在生产时可能出现介质空洞、烧结纹裂、分层等缺陷。
分层和空洞、裂纹为重要的MLCC内在缺陷,因此其生产工艺很大程度上决定了产品的可靠性,
传统的干法工艺源于二战期间的流延工艺技术,对陶瓷介质进行轧膜成型,印刷叠层,制造瓷介电容器,而湿法工艺是将陶瓷介质、金属内电极在浆料状态下交替印刷,其中陶瓷介质浆料经多次印刷形成介质保护层,达到设计尺寸后,再依次印刷金属内电极和介质层,如此反复印叠数百次,陶瓷介质膜与金属内电极膜结合成良好的独石结构。
比之传统干法工艺,湿法工艺中的介质层需要印刷数次至几十次,经过多次印叠,可以使每次印刷过程中介质膜层的微小缺陷得到弥补,提高陶瓷介质层的工艺质量。
同时湿法印刷工艺所用介质浆料中的粘合剂及树脂含量大大低于MLCC流延工艺,烧结后的陶瓷体内有机物残留量低,陶瓷介质层和内电极层的结合强度高、缺陷少,
其制作的板式阵列电容器的突出优势表现为绝缘电阻高。
在湿法工艺中,瓷膜层二次以上印刷,具有互补性,可消除膜层缺陷。
同时瓷膜和内电极交替印刷可使独石结构浑然一体,不易分层;对此工艺下生产的电容器做磨片截面观察,可发现不存在分层空洞等缺陷。
同时瓷介层薄,层数可增多,生产比容大的电容器。
采用湿法工艺,对相同尺寸、电极层数独石电容器作比较,电容量一般可提高20%。
较少的生产流程,较少的人为操作。
良好的叠层精度控制,容量更加集中,对热冲击有较好的阻抗等,也是湿法工艺所制作出的多层陶瓷电容的优点.
初步了解了多层陶瓷电容的结构和基本电气特性后,让我们一起来关注如何为集成电路选择高可靠性,高适用性的电容.首先,尺寸是电路设计师不得不考虑的一项因素,尺寸大小关乎产品的微型化也与产品的可靠性相关。
MLCC一直在小型化的方向进展。
然而事实上,不是所有的电子产品都是那么在意和欢迎小型化MLCC的。
在意小型化的电子产品,比如手机、数码产品等等,这些产品成为MLCC小型化的主要推动力。
但是从整个电子业界来说,还有很多电子设备,性能和可靠性才是关键考虑因素,比如通信设备、医疗设备、工控设备、电源等。
这些电子设备空间够大,对MLCC小型化不敏感,而是更在乎长久使用的可靠性。
更大的尺寸使得MLCC厂家在提高电容的可靠性上更有发挥的空间,因此准确认识产品的定位,选定符合你品质要求的厂家和选型手册.
正如前面所介绍的MLCC基本原理,介质材料与电容一些电气特性关系密切.二类陶瓷能够满足相对大的容值要求,但这种铁电陶瓷有一个缺点就是其静态容量随其直流偏置工作电压增大而减少,X7R的容量随其直流偏置工作电压增大减少20%,而Y5V最大甚至会下降80%.因此使用这类电容要有足够的电压降额.
在频率特性上,C0G的高频特性好,X7R次之,Y5V的差.在做平滑(电源滤波)用途时,要求容量尽量大,所以可用Y5V电容,在做旁路用途时,比如IC的VCC引脚旁的旁路电容,至少要选用X7R电容。
而振荡电路则必须用C0G电容。
而如果电路对温度也有较高的要求如时间常数和谐振回路,那么同样也要选择稳定介质.
额定电压也是选型时所需关注的一个要点,它是能保证电容器能长久工作的基本条件,一般,施加在电容器两端的直流电压与交流峰值电压之和不应超过额定电压。
实际应用中,在有瞬间大充放电流的电路中额定电压须降额30%使用,一般场合的电路可降额60%使用。
介质强度是决定一个电容是否可靠的重要指标,它是在常温下,电容能否承受施加5秒电压的指标参数,一般标示为额定电压的倍数.介质能安全承受的电压值,主要由介质组成成分和电极间距离决定.
其他诸如容量精度,产品工艺,端头材料(即外电极),内电极的选择,优秀供应商的筛选也是需要设计师考虑的.
柔性端头系列:
FlexiCap柔性端头使用了一种镀银环氧聚合物材料,并在180ºC的条件下进行烘焙固化。
与传统的烧结端头比较,通过烘焙固化,元件在生产、测试和检验过程中能保持高度的一致性。
传统的端头材料是在800ºC的条件下烧结在陶瓷元件上,这样会导致端头与元件体的结合不够紧密,而FlexiCap端头材料采用柔软的镀银环氧聚合物材料,可以有效吸收PCB板和元器件间的机械压力。
一个典型的原件失效案例,当元件安装在PCB板上时如果温度快速变化,由于材料热膨胀系数的不同,会对元件产生挤压而导致破裂失效。
典型的烧结端头元件在温度循环测试达到一千次时就会失效。
(压电效应)
两种端头在IEC60384-1:
2001弯板测试当弯曲度大于3.5mm时普通端头电容已经失效,而柔性端头可承受的弯曲度是普通端头的三倍以上!
但这却几乎不影响柔性端头MLCC其他的电气特性.以1812100nF为例,烧结端头和柔性端头在容值,损耗,谐振频率和电感量差异几乎可以忽略不计.
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