電容的選擇
電容的選擇
通常，應(yīng)該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢？筆者認(rèn)為，應(yīng)基于以下幾點(diǎn)考慮：
1、靜電容量；
2、額定耐壓；
3、容值誤差；
4、直流偏壓下的電容變化量；
5、噪聲等級(jí)；
6、電容的類型；
7、電容的規(guī)格。
那么，是否有捷徑可尋呢？其實(shí)，電容作為器件的外圍元件，幾乎每個(gè)器件的Datasheet或者Solutions，都比較明確地指明了外圍元件的選擇參數(shù)，也就是說，據(jù)此可以獲得基本的器件選擇要求，然后再進(jìn)一步完善細(xì)化之。
其實(shí)選用電容時(shí)不僅僅是只看容量和封裝，具體要看產(chǎn)品所使用環(huán)境，特殊的電路必須用特殊的電容。
下面是chip capacitor根據(jù)電介質(zhì)的介電常數(shù)分類，介電常數(shù)直接影響電路的穩(wěn)定性。
NP0or CH（K < 150）：電氣性能最穩(wěn)定，基本上不隨溫度﹑電壓與時(shí)間的改變而改變，適用于對(duì)穩(wěn)定性要求高的高頻電路。鑒于K值較小，所以在
0402、0603、0805封裝下很難有大容量的電容。如0603一般最大的10nF以下。
X7R or YB（2000 < K < 4000）：電氣性能較穩(wěn)定,在溫度﹑電壓與時(shí)間改變時(shí)性能的變化并不顯著（?C < ±10%）。適用于隔直、偶合、旁路與對(duì)容量穩(wěn)定性要求不太高的全頻鑒電路。
Y5Vor YF（K > 15000）：容量穩(wěn)定性較X7R差（?C < +20%～-8
0%），容量﹑損耗對(duì)溫度、電壓等測(cè)試條件較敏感，但由于其K值較大，所以
MLCC的選型過程中：首先MLCC參數(shù)要滿足電路要求，其次就是參數(shù)與介質(zhì)是否能讓系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)；再次，來(lái)料MLCC是否存在不良品，可靠性如何；最后，價(jià)格是否有優(yōu)勢(shì)，供應(yīng)商配合是否及時(shí)。許多設(shè)計(jì)工程師不重視無(wú)源元件，以為僅靠理論計(jì)算出參數(shù)就行，其實(shí)，MLCC的選型是個(gè)復(fù)雜的過程，并不是簡(jiǎn)單的滿足參數(shù)就可以的。
選型要素
參數(shù)：電容值、容差、耐壓、使用溫度、尺寸
材質(zhì)
直流偏置效應(yīng)
失效
價(jià)格與供貨
不同介質(zhì)性能決定了MLCC不同的應(yīng)用
C0G電容器具有高溫度補(bǔ)償特性，適合作旁路電容和耦合電容
X7R電容器是溫度穩(wěn)定型陶瓷電容器，適合要求不高的工業(yè)應(yīng)用
Z5U電容器特點(diǎn)是小尺寸和低成本，尤其適合應(yīng)用于去耦電路
Y5V電容器溫度特性最差，但容量大，可取代低容鋁電解電容
MLCC常用的有C0G（NP0）、X7R、Z5U、Y5V等不同的介質(zhì)規(guī)格，不同的規(guī)格有不同的特點(diǎn)和用途。C0G、X7R、Z5U和Y5V的主要區(qū)別是它們的填充介質(zhì)不同。在相同的體積下由于填充介質(zhì)不同所組成的電容器的容量就不同，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，所以在使用電容器時(shí)應(yīng)根據(jù)電容器在電路中作用不同來(lái)選用不同的電容器。
C0G（NP0）電容器
C0G是一種最常用的具有溫度補(bǔ)償特性的MLCC。它的填充介質(zhì)是由銣、釤和一些其它稀有氧化物組成的。C0G電容量和介質(zhì)損耗最穩(wěn)定，使用溫度范圍也最寬，在溫度從-55℃到+125℃時(shí)容量變化為0±30ppm/℃，電容量隨頻率的變化小于±0.3ΔC。C0G電容的漂移或滯后小于±0.05%，相對(duì)大于±2%的薄膜電容來(lái)說是可以忽略不計(jì)的。其典型的容量相對(duì)使用壽命的變化小于±0.1%。
C0G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。C0G電容器適合用于振蕩器、諧振器的旁路電容，以及高頻電路中的耦合電容。
X7R電容器
X7R電容器被稱為溫度穩(wěn)定型陶瓷電容器。X7R電容器溫度特性次于C0G，當(dāng)溫度在-55℃到+125℃時(shí)其容量變化為15%，需要注意的是此時(shí)電容器容量變化是非線性的。
X7R電容器的容量在不同的電壓和頻率條件下也是不同的，它隨時(shí)間的變化而變化，大約每10年變化1%ΔC，表現(xiàn)為10年變化了約5%。
X7R電容器主要應(yīng)用于要求不高的工業(yè)應(yīng)用，并且電壓變化時(shí)其容量變化在可以接受的范圍內(nèi)，X7R的主要特點(diǎn)是在相同的體積下電容量可以做的比較大。
Z5U電容器
Z5U電容器稱為“通用”陶瓷單片電容器。這里要注意的是Z5U使用溫度范圍在+10℃到+85℃之間，容量變化為+22%到-56%，介質(zhì)損耗最大為4%。Z5U電容器主要特點(diǎn)是它的小尺寸和低成本。對(duì)于上述兩種MLCC來(lái)說在相同的體積下，Z5U電容器有最大的電容量，但它的電容量受環(huán)境和工作條件影響較大，它的老化率也是最大，可達(dá)每10年下降5%。
盡管它的容量不穩(wěn)定，由于它具有小體積、等效串聯(lián)電感（ESL）和等效串聯(lián)電阻（ESR）低、良好的頻率響應(yīng)等特點(diǎn)，使其具有廣泛的應(yīng)用范圍，尤其是在去耦電路中的應(yīng)用。
Y5V電容器
Y5V電容器是一種有一定溫度限制的通用電容器，Y5V介質(zhì)損耗最大為5%。Y5V材質(zhì)的電容，溫度特性不強(qiáng)，溫度變化會(huì)造成容值大幅變化，在-30℃到85℃范圍內(nèi)其容量變化可達(dá)+22%到-82%，Y5V會(huì)逐漸被溫度特性好的X7R、X5R所取代。
各種不同材質(zhì)的比較
從C0G到Y(jié)5V，溫度特性、可靠性依次遞減，成本也依次減低
C0G、X7R、Z5U、Y5V的溫度特性、可靠性依次遞減，成本也是依次減低的。在選型時(shí)，如果對(duì)工作溫度和溫度系數(shù)要求很低，可以考慮用Y5V的，但是一般情況下要用X7R，要求更高時(shí)必須選擇C0G的。一般情況下，MLCC都設(shè)計(jì)成使X7R、Y5V材質(zhì)的電容在常溫附近的容量最大，容量相對(duì)溫度的變化軌跡是開口向下的拋物線，隨著溫度上升或下降，其容量都會(huì)下降。
并且C0G、X7R、Z5U、Y5V介質(zhì)的介電常數(shù)也是依次減少的，所以，同樣的尺寸和耐壓下，能夠做出來(lái)的最大容量也是依次減少的。實(shí)際應(yīng)用中很多公司的開發(fā)設(shè)計(jì)工程師按理論計(jì)算，而不了解MLCC廠家的實(shí)際生產(chǎn)狀況，常常列出一些很少生產(chǎn)甚至不存在的規(guī)格，這樣不但造成采購(gòu)成本上升而且影響交期。比如想用0603/C0G/25V/3300pF的電容，但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF。
MLCC替代電解電容
Z5U、Y5V MLCC可取代低容量鋁、鉭電解電容器
取代電解電容要注意MLCC溫度特性是否合適
英制與公制不能混用
與鋁電解電容，鉭電容相比，MLCC具有無(wú)極、ESR特性值小、高頻特性好等優(yōu)勢(shì)，而且MLCC正在朝小體積、大容量化發(fā)展，如Y5V可以做到較高的容量，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低容量鋁、鉭電解電容器的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但是也要注意這些電容的尺寸比較大，容易產(chǎn)生裂紋。另外，Y5V的MLCC最高溫度只有85度，取代電解電容時(shí)要注意溫度是否合適。
MLCC的尺寸是用一組數(shù)字來(lái)表示，例如0402、0603。表示方法有兩種，一種是英制表示法，一種是公制表示法。美國(guó)的廠家用英制，日本廠家基本上都用公制的，而國(guó)內(nèi)廠家有用英制表示的也有用公制表示的，所以要特別注意規(guī)格表中標(biāo)號(hào)對(duì)照尺寸的單位是英寸還是毫米。
國(guó)內(nèi)工程師一般習(xí)慣使用英制表示，但是也要注意工程師與采購(gòu)之間要統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，要用公制都用公制，用英制都用英制，避免發(fā)生誤會(huì)，例如說到0603，英制和公制表示里都有0603，但實(shí)際尺寸差別很大。
MLCC的直流偏置效應(yīng)
直流偏置效應(yīng)會(huì)引起電容值改變
小尺寸電容取代大尺寸電容不簡(jiǎn)單
記住向供應(yīng)商索要系統(tǒng)最常用電壓的綜合曲線
在選擇MLCC時(shí)還必須考慮到它的直流偏置效應(yīng)。電容選擇不正確可能對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重破壞。直流偏置效應(yīng)通常出現(xiàn)在鐵電電介質(zhì)(2類)電容中，如X5R、X7R、及Y5V類電容。
設(shè)計(jì)人員在考慮無(wú)源器件時(shí)，他們會(huì)想到考量電容的容差，這在理論上是對(duì)的，陶瓷電容的容差是在1 kHz頻率、1V rms或0.5V rms電壓下規(guī)定/測(cè)試的，但實(shí)際應(yīng)用的條件差異非常大。在較低的rms電壓下，電容額定值要小得多。在某一特定頻率下，在一個(gè)陶瓷電容上加直流偏置電壓會(huì)改變這些元件的特性，故有“有源的無(wú)源器件(active passives)”之稱。例如，一個(gè)10μF，0603，6.3V的電容在-30°C下直流偏置1.8V時(shí)測(cè)量值可能只有4μF。
陶瓷電容的基本計(jì)算公式如下：C=K×[(S×n)/t]
這里，C=電容量，K=介電常數(shù)，n=介電層層數(shù)，S=電極面積，t=介電層厚度
影響直流偏置的因子有介電常數(shù)、介電層厚度、額定電壓的比例因子，以及材料的晶粒度。
電容上的電場(chǎng)使內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“極化”，引起K常數(shù)的暫時(shí)改變，不幸的是，是變小。電容的外殼尺寸越小，由直流偏置引起的電容量降量百分比就越大。若外殼尺寸一定，則直流偏置電壓越大，電容量降量百分比也越大。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為節(jié)省空間用0603電容代替0805電容時(shí)，必須相當(dāng)謹(jǐn)慎。
因此，請(qǐng)記住應(yīng)該向廠商索取在應(yīng)用的預(yù)定直流偏置電壓下的電容值曲線。電容器生產(chǎn)商往往喜歡出示單獨(dú)的曲線，如電容量隨溫度的變化曲線，另一條是電容量隨直流偏置的變化曲線。不過，他們不會(huì)同時(shí)給出兩條，但實(shí)際應(yīng)用恰恰需要兩條。應(yīng)該記住向生產(chǎn)廠商索要系統(tǒng)最常用電壓的綜合曲線。
檢測(cè)時(shí)容量不正常
MLCC的長(zhǎng)時(shí)間放置會(huì)導(dǎo)致特性值的降低
檢測(cè)方法不當(dāng)也會(huì)引起容量偏差
對(duì)于剛?cè)胄械牟少?gòu)或者選型工程師來(lái)說，可能會(huì)經(jīng)常遇到檢測(cè)時(shí)容量偏差的問題，要么是不良品，要么是因?yàn)镸LCC的長(zhǎng)時(shí)間放置導(dǎo)致特性值的降低，可以使用燒結(jié)的方法恢復(fù)特性值。搬運(yùn)與儲(chǔ)存時(shí)要注意防潮，Y5V與X7R產(chǎn)品存放時(shí)間太長(zhǎng)，容量變化較大。
MLCC測(cè)試容量時(shí)，檢測(cè)方法要正確，容量會(huì)因檢測(cè)設(shè)備的不同而有偏差。
MLCC的失效問題
MLCC在生產(chǎn)中可能出現(xiàn)空洞、裂紋、分層
組裝過程中會(huì)引起哪些失效？
哪些過程會(huì)引起失效？
有的裂紋很難檢測(cè)出來(lái)
MLCC內(nèi)在可靠性十分優(yōu)良，可以長(zhǎng)時(shí)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(huì)對(duì)其可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。例如，MLCC在生產(chǎn)時(shí)可能出現(xiàn)介質(zhì)空洞、燒結(jié)紋裂、分層等缺陷。分層和空洞、裂紋為重要的MLCC內(nèi)在缺陷，這點(diǎn)可以通過篩選優(yōu)秀的供應(yīng)商，并對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行定期抽樣檢測(cè)等來(lái)保證。
另一種就是組裝時(shí)引入的缺陷，缺陷主要來(lái)自機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。MLCC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。所以PCB板的彎曲也容易引起MLCC開裂。由于MLCC是長(zhǎng)方體，焊端在短邊，PCB發(fā)生形變時(shí)，長(zhǎng)邊承受應(yīng)力大于短邊，容易發(fā)生裂紋。所以，排板時(shí)要考慮PCB板的變形方向與MLCC的安裝方向。在PCB可能產(chǎn)生較大形變的地方都盡量不要放置電容，比如PCB定位鉚接、單板測(cè)試時(shí)測(cè)試點(diǎn)機(jī)械接觸等位置都容易產(chǎn)生形變。
厚的PCB板彎曲小于薄的PCB板，所以使用薄PCB板時(shí)更要注意形變問題
常見應(yīng)力源有：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；通孔元器件的插入；電路測(cè)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。
同樣材質(zhì)、尺寸和耐壓下的MLCC，容量越高，介質(zhì)層數(shù)就越多，每層也越薄，并且相同材質(zhì)、容量和耐壓時(shí)，尺寸小的電容每層介質(zhì)更薄，越容易斷裂。裂紋的危害是漏電，嚴(yán)重時(shí)引起內(nèi)部層間錯(cuò)位短路等安全問題。裂紋通常可以使用ICT設(shè)備完成檢測(cè)，有的裂紋比較隱蔽，無(wú)法保證100%的檢測(cè)效果。
溫度沖擊裂紋主要由于器件在焊接特別是波峰焊時(shí)承受溫度沖擊所致。焊接時(shí)MLCC受熱不均，容易從焊端開始產(chǎn)生裂紋，大尺寸MLCC尤其如此。這是因?yàn)榇蟪叽绲碾娙輰?dǎo)熱沒有小尺寸的好，造成電容受熱不均，膨脹幅度不同，從而產(chǎn)生破壞性應(yīng)力。
另外，在MLCC焊接過后的冷卻過程中，MLCC和PCB的膨脹系數(shù)不同，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致裂紋。相對(duì)于回流焊，波峰焊時(shí)這種失效會(huì)大大增加。要避免這個(gè)問題，回流焊、波峰焊時(shí)需要有良好的焊接溫度曲線，一般器件工藝商都會(huì)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。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-09-05
