???????????????????????? MLCC陶瓷電容詳解

目錄

MLCC陶瓷電容詳解... 1

MLCC陶瓷電容詳解... 2

1、前言... 2

2、電容的定義... 2

2.1 電容的本質(zhì)... 2

2.2 電容量的大小... 2

3、MLCC陶瓷電容物理結(jié)構(gòu)... 2

4、陶瓷電容的基本參數(shù)... 3

4.1 電容的單位... 3

4.2 電容容量... 3

4.3 額定電壓... 4

4.4 電容類型... 4

4.5 電容品牌... 4

5、陶瓷電容的特點(diǎn)... 4

5.1 電容實際電路模型... 4

5.2 阻抗-頻率特性... 5

5.3 諧振頻率... 6

5.4 等效串聯(lián)電阻ESR. 6

5.5 精度大小... 7

5.6溫度特性... 8

5.7直流偏壓特性... 8

5.8 漏電流和絕緣電阻... 9

6、常見問題... 10

6.1 機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致電容失效... 10

6.2 嘯叫... 12

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MLCC陶瓷電容詳解

1、前言

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，沒有之一，因此硬件工程師必須熟練的掌握其特性。

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

2、電容的定義

2.1 電容的本質(zhì)

兩個相互靠近的導(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)電容器的兩個極板之間加上電壓時，電容器就會儲存電荷。

2.2 電容量的大小

電容器的電容量在數(shù)值上等于一個導(dǎo)電極板上的電荷量與兩個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：

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εr ：兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)

S：兩極板間的正對面積

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。

3、MLCC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。是由印好電極（內(nèi)電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯位的方式疊合起來，經(jīng)過一次性高溫?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)部電極通過一層層疊起來，來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。

4、陶瓷電容的基本參數(shù)

4.1 電容的單位

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?

4.2 電容容量

常用陶瓷電容容量范圍：0.5pF~100uF。

實際生產(chǎn)的電容的陶瓷容量值也是離散的，常用電容容量如下表：

pF級	0.5pF、1pF、2 pF、3 pF、4 pF、5 pF、6 pF、7 pF、8 pF、9 pF、10 pF、11 pF、12 pF、13 pF、15 pF、16 pF、17 pF、18 pF、19 pF、20 pF、21 pF、22 pF、23 pF、24 pF、27 pF、30 pF、33 pF、36 pF、39 pF、43 pF、47 pF、51 pF、56 pF、62 pF、68 pF、75 pF、82 pF、91 pF、100 pF、120 pF、150 pF、180 pF、220 pF、270 pF、330 pF、390 pF、470 pF、560 pF、680 pF、820 pF、910 pF
nF級	1nF、1.2nF、1.5nF、1.8nF、2.2nF、2.7nF、3.3nF、3.9nF、4.7nF、5.6nF、6.8nF、8.2nF、10nF、12nF、15nF、18nF、22nF、27nF、33nF、39nF、47nF、56nF、68nF、82nF、100nF、120nF、220nF、330nF、470nF、680nF
uF級	1uF、2.2 uF、4.7 uF、10 uF、22 uF、47 uF、100 uF

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，容量也會不同。

選購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、成本低，一般都不會頂格選電容。

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，價格是否低廉。

4.3 額定電壓

陶瓷電容常見的額定電壓有：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，一般尺寸會更大。

電容器的外加電壓不得超過規(guī)范中規(guī)定的額定電壓，實際在電路設(shè)計中，一般選用電容時，都會讓額定電壓留有大概70%的裕量。

4.4 電容類型

同介質(zhì)種類由于它的主要極化類型不一樣，其對電場變化的響應(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

類型	高介電常數(shù)型（Ⅱ類）	溫度補(bǔ)償型（Ⅰ類）
型號	X7R、X5R、Y5V、Z5U	CH、C0G（NP0）
主要原料	強(qiáng)介電材料鈦酸鋇	一般介電材料氧化鈦（TiO2）； 鋯酸鈣（CaZrO3）
介電常數(shù)	1000~20000	20~300左右
容量	容量大	容量較小
特征	?相對介電常數(shù)會隨著溫度、電壓的變化而變化，導(dǎo)致容量也會發(fā)生變化。 ?靜電容量會隨著時間而變化。	?相對介電常數(shù)不會隨著溫度、電壓的變化而變化，容量基本穩(wěn)定。即使處于高溫、高電力、高頻率的環(huán)境中tane（電容損耗）也很小，穩(wěn)定性極佳。 ?具有較高的Q值（1000~8000）。

4.5 電容品牌

國外：村田muRata、松下PANASONIC、三星SAMSUNG、太誘TAIYO YUDEN、TDK、威世VISHAY、國巨YAGEO等等。

國內(nèi)：風(fēng)華FH、宇陽科技EYANG、信昌電陶PSA、三環(huán)CCTC等等。

5、陶瓷電容的特點(diǎn)

5.1 電容實際電路模型

電容作為基本元器件之一，實際生產(chǎn)的電容都不是理想的，會有寄生電感，等效串聯(lián)電阻存在，同時因為電容兩極板間的介質(zhì)不是絕對絕緣的，因此存在數(shù)值較大的絕緣電阻。

所以，實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：

實際陶瓷電容的絕緣電阻時非常大的，是兆歐姆級別的，所以R遠(yuǎn)大于1jwC，所以簡化公式為：

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其中1/jwC為容抗，jwL為感抗，Resr為等效串聯(lián)電阻。很容易看出，在頻率比較低（w比較小）的時候，容抗遠(yuǎn)大于感抗，電容主要成容性，在頻率比較高的時候，電容主要呈感性。

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

某村田10uF電容的阻抗頻率曲線如下圖：

注意，這個坐標(biāo)系是對數(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：

村田普通電容諧振頻率
型號參數(shù)	容值	諧振頻率
50V_CH_0603	10pF	1.9GHz
50V_C0G_0603	100pF	700MHz
50V_X7R_0603	1nF	210MHz
50V_X7R_0603	10nF	70MHz
16V_X7R_0603	100nF	25Mhz
16V_X7R_0603	1uF	9MHz
16V_X5R_0603	10uF	2MHz
6.3V_X5R_0805	47uF	850KHz

阻抗R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的時候，ESR是3Ω，在700Khz的時候達(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，特別用在開關(guān)電源的時候，需要用來計算紋波的大小。那么各中電容型號的ESR是多少呢？

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下圖為村田普通電容的ESR表。

村田普通電容ESR
型號參數(shù)	容量	最小ESR值
50V_CH_0603	10pF	200mΩ
50V_C0G_0603	100pF	130mΩ
50V_X7R_0603	1nF	380mΩ
50V_X7R_0603	10nF	60mΩ
16V_X7R_0603	100nF	20mΩ
16V_X7R_0603	1uF	8mΩ
16V_X5R_0603	10uF	3mΩ
6.3V_X5R_0805	47uF	1.8mΩ

ESR-頻率曲線如下圖：

5.5 精度大小

相對于電阻的精度來說，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生產(chǎn)2~4種精度的檔次共選擇。

電容類型	精度檔次
NP0（C0G）(0.5pF~4.9pF)	B(±0.1pF); C(±0.25pF)
NP0（C0G）(5.0pF~9.9pF)	D(±0.5pF)
NP0（C0G）(≥10pF)	F(±1%), G(±2%), J(±5%),K(±10%)
X7R	J(±5.0%)；K(±10%)；M(±20%)；
X5R	J(±5.0%)；K(±10%)；M(±20%)；
Y5V	M(±20%)；Z(-20%,+80%)

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

溫度特性對照表
電容型號	工作溫度范圍	容量隨溫度變化值
C0G(NP0)	-55~125℃	0±30ppm/℃
X7R	-55~125℃	±15%
X6S	-55~105℃	±22%
X5R	-55~85℃	±15%
Y5U	-30~85℃	+22%/-56%
Y5V	-30~85℃	+22%/-82%
Z5U	10~85℃	+22%/-56%
Z5V	10~85℃	+22%/-82%

在設(shè)計電路的時候，需要考慮不同電容的溫度系數(shù)，按照使用場景選擇符合要求的電容。在一些對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特性是其直流偏壓特性。

對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，其靜電容量有時會不同于標(biāo)稱值，因此應(yīng)特別注意。

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

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，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，向一個軸（Ｃ軸）延長，其他軸略微縮短的正方體（tetragonal）晶體結(jié)構(gòu)。

此時，作為Ti4+離子在結(jié)晶單位的延長方向上發(fā)生了偏移的結(jié)果，產(chǎn)生極化，不過，這個極化即使在沒有外部電場或電壓的情況下也會產(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。

當(dāng)沒有外加直流電壓時，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，由于電介質(zhì)中的自發(fā)極化受到電場方向的束縛，因此不易發(fā)生自發(fā)極化時的自由相轉(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。

電容型號	絕緣電阻	額定電壓下漏電流
10pF_CH_0603_50V	≥10000MΩ	≤0.005uA
100pF_C0G_0603_50V	≥10000MΩ	≤0.005uA
1nF_X7R_0603_50V	≥10000MΩ	≤0.005uA
10nF_X7R_0603_50V	≥10000MΩ	≤0.005uA
100nF_X7R_0603_50V	≥500MΩ	≤0.1uA
1uF_X7R_0603_25V	≥50MΩ	≤0.5uA
10uF_X5R_0603_10V	≥5MΩ	≤2uA
47uF_X5R_0805_6.3V	≥1.06MΩ	≤5.94uA

盡管陶瓷電容的漏電流不大，但是大電容的電容量也達(dá)到了微安級別，如果是做超低功耗的產(chǎn)品的話，也需要好好選擇一些絕緣電阻大的電容。

6、常見問題

6.1 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)力會產(chǎn)生裂紋，從而是電容容量變小或者是短路。

為什么會產(chǎn)生扭曲裂紋呢？這是由于貼片是焊接在電路板上的。對電路板施加過大的機(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，容量就會下降，使得電路呈現(xiàn)出開路狀態(tài)（開放）。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)酸和濕氣會通過裂紋的縫隙侵入，導(dǎo)致絕緣電阻性能降低。另外，電壓負(fù)荷會變高，電流的流量過大時，最糟糕的情況會導(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。

6.1.2 機(jī)械應(yīng)力行為

那么，常見會出現(xiàn)應(yīng)力的行為有哪些呢？

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

②過量焊錫：當(dāng)溫度變化時，過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，焊錫不足時又會使電容器從PCB上剝離。

③PCB彎曲：焊接到PCB板上后，PCB彎曲，拉動瓷片電容，過應(yīng)力后損壞。

④跌落、碰撞：PCB/成品跌落導(dǎo)致振動或變形，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）

6.1.3 PCB設(shè)計注意事項

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。

6.2 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，獨(dú)石陶瓷電容器貼片會發(fā)生疊層方向伸縮。因此電路板也會平行方向伸縮，而因電路板的振動而產(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。

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

陶瓷電容器的"嘯叫"現(xiàn)象，其振動變化僅為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，不存在可靠性問題。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的MLCC陶瓷电容详解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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