陶瓷電容的結(jié)構(gòu)和主要加工環(huán)節(jié)

如下面圖的瓷片電容的結(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。

下面簡單介紹一下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;

陶瓷電容器的由來

1900年意大利L.隆巴迪發(fā)明陶瓷介質(zhì)電容器。30年代末人們發(fā)現(xiàn)在陶瓷中添加鈦酸鹽可使介電常數(shù)成倍增長,因而制造出較便宜的瓷介質(zhì)電容器。

1940年前后人們發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)在的陶瓷電容器的主要原材料BaTiO3(鈦酸鋇)具有絕緣性后，開始將陶瓷電容器使用于對既小型、精度要求又極高的軍事用電子設(shè)備當(dāng)中。而陶瓷疊片電容器于1960年左右作為商品開始開發(fā)。到了1970年，隨著混合IC、計(jì)算機(jī)、以及便攜電子設(shè)備的進(jìn)步也隨之迅速的發(fā)展起來，成為電子設(shè)備中不可缺少的零部件?，F(xiàn)在的陶瓷介質(zhì)電容器的全部數(shù)量約占電容器市場的70%左右。

陶瓷介質(zhì)電容器的絕緣體材料主要使用陶瓷，其基本構(gòu)造是將陶瓷和內(nèi)部電極交相重疊。陶瓷材料有幾個種類。自從考慮電子產(chǎn)品無害化特別是無鉛化后，高介電系數(shù)的PB(鉛)退出陶瓷電容器領(lǐng)域，現(xiàn)在主要使用TiO2(二氧化鈦)、 BaTiO3, CaZrO3(鋯酸鈣)等。和其它的電容器相比具有體積小、容量大、耐熱性好、適合批量生產(chǎn)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

由于原材料豐富，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，而且電容量范圍較寬(一般有幾個PF到上百μF)，損耗較小，電容量溫度系數(shù)可根據(jù)要求在很大范圍內(nèi)調(diào)整。

陶瓷電容器品種繁多，外形尺寸相差甚大從0402(約1×0.5mm)封裝的貼片電容器到大型的功率陶瓷電容器。按使用的介質(zhì)材料特性可分為Ⅰ型、Ⅱ型和半導(dǎo)體陶瓷電容器;按無功功率大小可分為低功率、高功率陶瓷電容器;按工作電壓可分為低壓和高壓陶瓷電容器;按結(jié)構(gòu)形狀可分為圓片形、管型、鼓形、瓶形、筒形、板形、疊片、獨(dú)石、塊狀、支柱式、穿心式等。

陶瓷電容器的分類

陶瓷電容器從介質(zhì)類型主要可以分為兩類，即Ⅰ類陶瓷電容器和Ⅱ類陶瓷電容器。

Ⅰ類陶瓷電容器(ClassⅠ ceramic capacitor)，過去稱高頻陶瓷電容器(High-freqency ceramic capacitor)，是指用介質(zhì)損耗小、絕緣電阻高、介電常數(shù)隨溫度呈線性變化的陶瓷介質(zhì)制造的電容器。它特別適用于諧振回路，以及其它要求損耗小和電容量穩(wěn)定的電路，或用于溫度補(bǔ)償。

Ⅱ類陶瓷電容器(Class Ⅱ ceramic capacitor)過去稱為為低頻陶瓷電容器(Low frequency cermic capacitor)，指用鐵電陶瓷作介質(zhì)的電容器，因此也稱鐵電陶瓷電容器。這類電容器的比電容大，電容量隨溫度呈非線性變化，損耗較大，常在電子設(shè)備中用于旁路、耦合或用于其它對損耗和電容量穩(wěn)定性要求不高的電路中。

Ⅰ類陶瓷電容器

按美國電工協(xié)會(EIA)標(biāo)準(zhǔn)為C0G(是數(shù)字0，不是字母O，有些文獻(xiàn)筆誤為COG)或NP0(是數(shù)字0，不是字母O，有些文獻(xiàn)筆誤為NPO)以及我國標(biāo)準(zhǔn)的CC系列等型號的陶瓷介質(zhì)(溫度系數(shù)為0±30PPM/℃)，這種介質(zhì)極其穩(wěn)定，溫度系數(shù)極低，而且不會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，損耗因數(shù)不受電壓、頻率、溫度和時間的影響，介電系數(shù)可以達(dá)到400，介電強(qiáng)度相對高。這種介質(zhì)非常適用于高頻(特別是工業(yè)高頻感應(yīng)加熱的高頻功率振蕩、高頻無線發(fā)射等應(yīng)用的高頻功率電容器)、超高頻和對電容量、穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求定時、振蕩電路的工作環(huán)境，這種介質(zhì)電容器唯一的缺點(diǎn)是電容量不能做得很大(由于介電系數(shù)相對小)，通常1206 表面貼裝C0G介質(zhì)電容器的電容量從0.5PF~0.01μF。

Ⅱ類陶瓷電容器

Ⅱ類的穩(wěn)定級陶瓷介質(zhì)材料如美國電工協(xié)會(EIA)標(biāo)準(zhǔn)的X7R、X5R以及我國標(biāo)準(zhǔn)的CT系列等型號的陶瓷介質(zhì)(溫度系數(shù)為±15.0%)，這種介質(zhì)的介電系數(shù)隨溫度變化較大，不適用于定時、振蕩等對溫度系數(shù)要求高的場合，但由于其介電系數(shù)可以做得很大(可以達(dá)到1200)，因而電容量可以做得比較大，適用于對工作環(huán)境溫度要求較高(X7R：-55~+125℃)的耦合、旁路和濾波。通常1206的SMD封裝的電容量可以達(dá)到10μF或在再高一些;

II類的可用級陶瓷介質(zhì)材料如美國電工協(xié)會(EIA)標(biāo)準(zhǔn)的Z5U、Y5V以及我國標(biāo)準(zhǔn)的CT系列的低檔產(chǎn)品型號等陶瓷介質(zhì)(溫度系數(shù)為Z5U的+22%，-56%和Y5V的+22%，-82%)，這種介質(zhì)的介電系數(shù)隨溫度變化較大，不適用于定時、振蕩等對溫度系數(shù)要求高的場合，但由于其介電系數(shù)可以做得很大(可以達(dá)到100012000)，因而電容量可以做得比更大，適用于一般工作環(huán)境溫度要求(-25+85℃)的耦合、旁路和濾波。通常1206表面貼裝Z5U、Y5V介質(zhì)電容器量甚至可以達(dá)到100μF，在某種意義上是取代鉭電解電容器的有力競爭對手。

C0G代表的溫度系數(shù)究竟是多少?

C 表示電容溫度系數(shù)的有效數(shù)字為 0 ppm/℃

0 表示有效數(shù)字的倍乘因數(shù)為 -1(即10的0次方)

G 表示隨溫度變化的容差為 ±30ppm

NPO和C0G是同一種電容嗎?

NPO是美國軍用標(biāo)準(zhǔn)(MIL)中的說法，其實(shí)應(yīng)該是NP0(零)，但一般大家習(xí)慣寫成NPO(歐)。這是Negative-Positive-Zero的簡寫，用來表示的溫度特性。說明NPO的電容溫度特性很好，不隨正負(fù)溫度變化而出現(xiàn)容值漂移。

從前面我們已經(jīng)知道，C0G是I類陶瓷中溫度穩(wěn)定性最好的一種，溫度特性近似為0，滿足“負(fù)-正-零”的含義。所以C0G其實(shí)和NPO是一樣的，只不過是兩個標(biāo)準(zhǔn)的兩種表示方法(當(dāng)然，容值更小、精度略差一點(diǎn)的C0K、C0J等也是NPO電容)。類似的，U2J對應(yīng)于MIL標(biāo)準(zhǔn)中的組別代碼為N750。

NPO 電容器隨封裝形式不同其電容量和介質(zhì)損耗隨頻率變化的特性也不同，大封裝尺寸的要比小封裝尺寸的頻率特性好。

以X7R為例。

X 代表電容最低可工作在 -55℃

7 代表電容最高可工作在 +125℃

R 代表容值隨溫度的變化為 ±15%

同樣的，Y5V正常工作溫度范圍在-30℃～+85℃, 對應(yīng)的電容容量變化為+22～-82%;而Z5U 正常工作溫度范圍在+10℃～+85℃，對應(yīng)的電容容量變化為+22～-56%。

MLCC與其它種類電容器對比

電容的種類有很多，可以從原理上分為：無極性可變電容、無極性固定電容、有極性電容等，從材料上分主要有：CBB電容(聚乙烯)，滌綸電容、瓷片電容、云母電容、獨(dú)石電容(即貼片電容或MLCC)、電解電容、鉭電容等。下表是各種電容的優(yōu)缺點(diǎn)

MLCC的性能

A.常規(guī)電性能

(1) 容量與誤差：實(shí)際電容量和標(biāo)稱電容量允許的最大偏差范圍。一般使用的容量誤差有：J級±5%，K級±10%，M級±20%。精密電容器的允許誤差較小，而電解電容器的誤差較大，它們采用不同的誤差等級。常用的電容器其精度等級和電阻器的表示方法相同。用字母表示：D級—±0.5%;F級—±1%;G級—±2%;J級—±5%;K級—±10%;M級—±20%。

(2) 額定工作電壓：電容器在電路中能夠長期穩(wěn)定、可靠工作，所承受的最大直流電壓，又稱耐壓。對于結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、容量相同的器件，耐壓越高，體積越大。

(3) 溫度系數(shù)：在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃，電容量的相對變化值。溫度系數(shù)越小越好。

(4) 絕緣電阻(IR)：用來表明漏電大小的。一般小容量的電容，絕緣電阻很大，在幾百兆歐姆或幾千兆歐姆。電解電容的絕緣電阻一般較小。相對而言，絕緣電阻越大越好，漏電也小。一般C0G類>1000ΩF, X7R和Y5V類 >500ΩF

(5) 損耗(DF)：在電場的作用下，電容器在單位時間內(nèi)發(fā)熱而消耗的能量。這些損耗主要來自介質(zhì)損耗和金屬損耗。通常用損耗角正切值來表示。損耗最為標(biāo)準(zhǔn)的寫法：使用百分率寫法 例如：COG 要求〈0.015%;X7R〈2.5%;Y5V〈3.5% 一般地 COG類 <1010-4 ; X7R類 <25010-4;Y5V類 <500*10-4。

(6) 頻率特性：電容器的電參數(shù)隨電場頻率而變化的性質(zhì)。在高頻條件下工作的電容器，由于介電常數(shù)在高頻時比低頻時小，電容量也相應(yīng)減小。損耗也隨頻率的升高而增加。另外，在高頻工作時，電容器的分布參數(shù)，如極片電阻、引線和極片間的電阻、極片的自身電感、引線電感等，都會影響電容器的性能。所有這些，使得電容器的使用頻率受到限制。

不同品種的電容器，最高使用頻率不同。小型云母電容器在250MHZ以內(nèi);圓片型瓷介電容器為300MHZ;圓管型瓷介電容器為200MHZ;圓盤型瓷介可達(dá)3000MHZ;小型紙介電容器為80MHZ;中型紙介電容器只有8MHZ。

B. 幾個值得關(guān)注的參數(shù)

TCC：溫度容量特性，注意同為X7R產(chǎn)品其常溫附近的容量穩(wěn)定性不一樣。

ESR：等效串聯(lián)電阻

ESL：等效串聯(lián)電感

Q值：是DF、ESR、ESL的綜合，在高頻電路中加倍關(guān)注。

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。

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：

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。

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)??？斩吹漠a(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。

審核編輯：湯梓紅