MLCC(片狀多層陶瓷電容)選用
MLCC（片狀多層陶瓷電容）現(xiàn)在已經(jīng)成為了電子電路最常用的元件之一。MLCC表面看來(lái)，非常簡(jiǎn)單，可是，很多情況下，設(shè)計(jì)工程師或生產(chǎn)、工藝人員對(duì)MLCC的認(rèn)識(shí)卻有不足的地方。以下談?wù)凪LCC選擇及應(yīng)用上的一些問(wèn)題和注意事項(xiàng)。
MLCC雖然是比較簡(jiǎn)單的，但是，也是失效率相對(duì)較高的一種器件。失效率高，一方面是MLCC結(jié)構(gòu)固有的可靠性問(wèn)題，另外還有選型問(wèn)題以及應(yīng)用問(wèn)題。
由于電容算是“簡(jiǎn)單”的器件，所以有的設(shè)計(jì)工程師由于不夠重視，從而對(duì)MLCC的獨(dú)有特性不了解。在理想化的情況下，電容選型時(shí)，主要考慮容量及耐壓兩個(gè)參數(shù)就夠了。但是對(duì)于MLCC，僅僅考慮這兩個(gè)參數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
使用MLCC，不能不了解MLCC的不同材質(zhì)和這些材質(zhì)對(duì)應(yīng)的性能。MLCC的材質(zhì)有很多種，每種材質(zhì)都有自身的獨(dú)特性能特點(diǎn)。不了解這些，所選用的電容就很有可能滿足不了電路要求。舉例來(lái)說(shuō)，MLCC常見(jiàn)的有C0G(也稱NP0)材質(zhì)，X7R材質(zhì)，Y5V材質(zhì)。C0G的工作溫度范圍和溫度系數(shù)最好，在-55°C至+125°C的工作溫度范圍內(nèi)時(shí)溫度系數(shù)為0 ±30ppm/°C。X7R次之，在-55°C至+125°C的工作溫度范圍內(nèi)時(shí)容量變化為±15%。Y5V的工作溫度僅為-30°C至+85°C，在這個(gè)工作溫度范圍內(nèi)時(shí)其容量變化可達(dá)-22%至+82%。當(dāng)然，C0G、X7R、Y5V的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的，要求更高時(shí)必須選擇COG的。一般情況下，MLCC廠家都設(shè)計(jì)成使X7R、Y5V材質(zhì)的電容在常溫附近的容量最大，但是隨著溫度上升或下降，其容量都會(huì)下降。
僅僅了解上面知識(shí)的還不夠。由于C0G、X7R、Y5V的介質(zhì)的介電常數(shù)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。有的沒(méi)經(jīng)驗(yàn)的工程師，以為想要什么容量都有，選型時(shí)就會(huì)犯錯(cuò)誤，選了不存在的規(guī)格。比如想用0603/C0G/25V/3300pF的電容，但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF。其實(shí)只要仔細(xì)看了廠家的選型手冊(cè)，就不會(huì)犯這樣的錯(cuò)誤。另外，對(duì)于入門(mén)不久的設(shè)計(jì)工程師，對(duì)元件規(guī)格的數(shù)序（E12、E24等）沒(méi)概念，會(huì)給出0.5uF之類(lèi)的不存在的規(guī)格出來(lái)。即使是有經(jīng)驗(yàn)的工程師，對(duì)于規(guī)格的壓縮也沒(méi)概念。比如說(shuō)，在濾波電路上，原來(lái)有人用到了3.3uF的電容，他的電路也能用3.3uF的電容，但他有可能偏偏選了一個(gè)沒(méi)人用過(guò)的4.7uF或2.2uF的電容規(guī)格。不看廠家選型手冊(cè)選型的人，還會(huì)犯下面這種錯(cuò)誤，比如選了一個(gè)0603/X7R/470pF/16V的電容，而事實(shí)上一般廠家0603/X7R/470pF的電容只生產(chǎn)50V及其以上的電壓而不生產(chǎn)16V之類(lèi)的電壓了。
另外注意片狀電容的封裝有兩種表示方法，一種是英制表示法，一種是公制表示法。美國(guó)的廠家用英制的，日本廠家基本上都用公制的，而國(guó)產(chǎn)的廠家有用英制的也有用公制的。一個(gè)公司所用到的電容封裝，只能統(tǒng)一用一種制式來(lái)表示，不能這個(gè)工程師用英制那個(gè)工程師用公制。否則會(huì)搞混亂。極端的情況下，還會(huì)弄錯(cuò)。比如說(shuō)，英制的有0603的封裝，公制的也有0603的封裝，但是兩者實(shí)際上是完全不同的尺寸的。英制的0603封裝對(duì)應(yīng)公制的是1608，而公制的0603封裝對(duì)應(yīng)英制的卻是0201！其實(shí)英制封裝的數(shù)字大約乘以2.5（前2位后2位分開(kāi)乘）就成為了公制封裝規(guī)格。現(xiàn)在流行的是用英制的封裝表達(dá)法。比如我們常說(shuō)的0402封裝就是英制的表達(dá)法，其對(duì)應(yīng)的公制封裝為1005（1.0*0.5mm）。
另外，設(shè)計(jì)工程師除了要了解MLCC的溫度性能外，還應(yīng)該了解更多的性能。比如Y5V介質(zhì)的電容，雖然容量很大，但是，這種鐵電陶瓷有一個(gè)缺點(diǎn)，在就是其靜態(tài)容量隨其直流偏置工作電壓的增大而減少，最大甚至?xí)陆?0%。比如一個(gè)Y5V/50V/10uF的電容，在50V的直流電壓下，其容量可能只有3uF！當(dāng)然，不同的廠家的特性有差異，有的下降可能沒(méi)這么嚴(yán)重。如果你一定要用Y5V的電容，除了要知道其容量隨溫度的變化曲線圖外，還必須向廠家索取其容量隨直流偏置電壓變化的曲線圖（甚至是要容量溫度直流偏置綜合圖）。使用Y5V電容要有足夠的電壓降額。X7R的容量隨其直流偏置工作電壓的增大也減少，不過(guò)沒(méi)有Y5V的那么明顯。同時(shí)，MLCC尺寸越小，這種效應(yīng)就越明顯。
不同的材質(zhì)的頻率特性也不同。設(shè)計(jì)師必須了解不同材質(zhì)的不同頻率特性。比如C0G（又稱高頻熱補(bǔ)償型介質(zhì)）的高頻特性好，X7R的次之，Y5V的差。在做平滑（電源濾波）用途時(shí)，要求容量盡量大，所以可用Y5V電容，也就是說(shuō)，Y5V電容可以取代電解電容。在做旁路用途時(shí)，比如IC的VCC引腳旁的旁路電容，至少要選用X7R電容。而振蕩電路則必須用C0G電容。由于Y5V的性能較差，我一般都是不推薦使用的，要求設(shè)計(jì)工程師盡量考慮用X7R電容（或X5R電容）。如果對(duì)容量體積比要求高的場(chǎng)合，則考慮用鉭電容而盡量避免用Y5V電容。當(dāng)然，如果你們公司要求不高，還是可以考慮Y5V電容，但是要特別小心。
一般說(shuō)MLCC的ESL(等效串聯(lián)電感)、ESR(等效串聯(lián)電阻)小，是相對(duì)于電解電容（包括鉭電解電容）而言的。事實(shí)上，高頻時(shí)，MLCC的ESL、ESR不可以忽略。一般C0G電容的諧振點(diǎn)能達(dá)上百M(fèi)Hz,一般X7R電容的諧振點(diǎn)能達(dá)幾十MHz,而Y5V電容的諧振點(diǎn)僅僅是數(shù)MHz甚至不到1MHz。諧振點(diǎn)意味著，超過(guò)了這個(gè)頻率，電容已經(jīng)不是電容特性了，而是電感特性了。如果想使MLCC用于更高頻率，比如微波，那么，就必須用專(zhuān)門(mén)的微波材料和工藝制造的MLCC。微波電容要求ESL、ESR必須更小。
MLCC一直在小型化的方向進(jìn)展，F(xiàn)在0402的封裝已經(jīng)是主流產(chǎn)品。但是小型化可能帶來(lái)其它的一些危害。事實(shí)上，不是所有的電子產(chǎn)品都是那么在意和歡迎小型化MLCC的。在意小型化的電子產(chǎn)品，比如手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品等等，這些產(chǎn)品成為MLCC小型化的主要推動(dòng)力。對(duì)于MLCC廠家來(lái)說(shuō)，小型化MLCC占有主要的出貨量。但是從整個(gè)電子業(yè)界來(lái)說(shuō)，還有很多電子設(shè)備，對(duì)小型化不是那么在乎，性能和可靠性才是關(guān)鍵考慮因素，MLCC小型化帶來(lái)了可靠性的隱患。比如通信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、工控設(shè)備、電源等。這些電子設(shè)備空間夠大，對(duì)MLCC小型化不是很感興趣；而且，這些電子設(shè)備不像個(gè)人消費(fèi)品那樣追趕時(shí)髦且更新?lián)Q代快，而是更在乎長(zhǎng)久使用的可靠性，所以對(duì)于元件的余量要求更高（為了保證可靠性，余量要大，所以尺寸更大的MLCC才滿足要求。另外，更大的尺寸使得MLCC廠家在提高電容的可靠性上更有發(fā)揮的空間）。這點(diǎn)恰好與MLCC廠家追求小型化的方向不一致。這是個(gè)矛盾。這些高可靠性要求的電子設(shè)備的特點(diǎn)是量不是很大，但是價(jià)格昂貴（個(gè)別種類(lèi)電源除外），可靠性要求也高。如果是知名的電子設(shè)備廠，日子會(huì)好過(guò)一點(diǎn)，因?yàn)镸LCC廠會(huì)為他們保存一些大尺寸的規(guī)格的MLCC生產(chǎn)。如果不是知名的電子設(shè)備廠，也不用那么悲觀，畢竟，還有少數(shù)MLCC廠定位不同，依然會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)大尺寸的電容。所以，作為這種電子設(shè)備的廠家，要善于尋找定位于高性能高可靠的較大尺寸的MLCC廠家。但是有一個(gè)注意事項(xiàng)是，所選用的規(guī)格不可以是獨(dú)家才有的規(guī)格，至少是有兩家滿足自己公司要求的MLCC廠家在生產(chǎn)這種規(guī)格。另外，對(duì)于小型化不影響性能和可靠性要求時(shí)，還是優(yōu)先考慮小型化的MLCC。
購(gòu)買(mǎi)商品的一般決策邏輯是：能不能用，好不好用，耐不耐用，價(jià)格。其實(shí)這個(gè)邏輯也可以套用到MLCC的選型過(guò)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(guò)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(shuō)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(shuō)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(kāi)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(kāi)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(shuō)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(lèi))電容中，如X5R、X7R、及Y5V類(lèi)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0.5Vrms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(guò)，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(shuō)，可能會(huì)經(jīng)常遇到檢測(cè)時(shí)容量偏差的問(wèn)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(wèn)題
- MLCC在生產(chǎn)中可能出現(xiàn)空洞、裂紋、分層
- 組裝過(guò)程中會(huì)引起哪些失效？
- 哪些過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(wèn)題
常見(jiàn)應(yīng)力源有：工藝過(guò)程中電路板操作；流轉(zhuǎn)過(guò)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(lèi)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(lèi)缺陷也是實(shí)際發(fā)生最多的一種類(lèi)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(wèn)題。裂紋通？梢允褂肐CT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(kāi)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(méi)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(guò)后的冷卻過(guò)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(wèn)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(guò)組裝良品率的積累和分析，可以得到優(yōu)化的溫度曲線。
層陶瓷電容器MLCC是英文字母Multi-Layer Ceramic Capacitor的首寫(xiě)字母。在英文表達(dá)中又有ChipMonolithic Ceramic Capacitor。兩種表達(dá)都是以此類(lèi)電容器外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行，也就是內(nèi)部多層、整體獨(dú)石(單獨(dú)細(xì)小的石頭)的結(jié)構(gòu)，獨(dú)石電容包括多層陶瓷電容器、圓片陶瓷電容器等，由于元件小型化、貼片化的飛速發(fā)展，常規(guī)圓片陶瓷電容器逐步被多層陶瓷電容器取代，人們把多層陶瓷電容器簡(jiǎn)稱為獨(dú)石電容或貼片電容。
選擇要點(diǎn)
(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(jí)±5%，K級(jí)±10%，M級(jí)±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(jí)。
常用的電容器其精度等級(jí)和電阻器的表示方法相同。用字母表示：D級(jí)—±0.5%；F級(jí)—±1%；G級(jí)—±2%；J級(jí)—±5%；K級(jí)—±10%；M級(jí)—±20%。
(2)額定工作電壓：電容器在電路中能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠工作，所承受的最大直流電壓，又稱耐壓。對(duì)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(duì)變化值。溫度系數(shù)越小越好。
(4)絕緣電阻：用來(lái)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(duì)而言，絕緣電阻越大越好，漏電也小。
(5)損耗：在電場(chǎng)的作用下，電容器在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)熱而消耗的能量。這些損耗主要來(lái)自介質(zhì)損耗和金屬損耗，通常用損耗角正切值來(lái)表示。
(6)頻率特性：電容器的電參數(shù)隨電場(chǎng)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(shí)比低頻時(shí)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(shí)，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(huì)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。
不同材質(zhì)電容器，最高使用頻率不同。COG(NPO)材質(zhì)特性溫度頻率穩(wěn)定性最好，X7R次之，Y5V(Z5U)最差。
如何理解電容器的靜電容量
A.電容量
電容器的基本特性是能夠儲(chǔ)存電荷(Q)，而Q值與電容量(C)和外加電壓(V)成正比。
Q = CV
因此充電電流被定義為：
= dQ/dt = CdV/dt
當(dāng)外加在電容器上的電壓為1伏特，充電電流為1安培，充電時(shí)間為1秒時(shí)，我們將電容量定義為1法拉。
C = Q/V =庫(kù)侖/伏特=法拉
由于法拉是一個(gè)很大的測(cè)量單位，在實(shí)際使用中很難達(dá)到，因此通常采用的是法拉的分?jǐn)?shù)，即：
皮法(pF) = 10-12F
納法(nF) = 10-9F
微法(mF)= 10-6F
B.電容量影響因素
對(duì)于任何給定的電壓，單層電容器的電容量正比于器件的幾何尺寸和介電常數(shù)：
C = KA/f(t)
K =介電常數(shù)
A =電極面積
t =介質(zhì)層厚度
f =換算因子
在英制單位體系中，f = 4.452，尺寸A和t的單位用英寸，電容量用皮法表示。單層電容器為例，電極面積1.0×1.0"，介質(zhì)層厚度0.56"，介電常數(shù)2500，C = 2500(1.0)(1.0)/4.452(0.56)= 10027pF
如果采用公制體系，換算因子f = 11.31，尺寸單位改為cm，C = 2500(2.54)(2.54)/11.31(0.1422)= 10028pF
正如前面討論的電容量與幾何尺寸關(guān)系，增大電極面積和減小介質(zhì)層厚度均可獲得更大的電容量。然而，對(duì)于單層電容器來(lái)說(shuō)，無(wú)休止地增大電極面積或減小介質(zhì)層厚度是不切實(shí)際的。因此，平行列陣迭片電容器的概念被提出，用以制造具有更大比體積電容的完整器件。
在這種“多層”結(jié)構(gòu)中，由于多層電極的平行排列以及在相對(duì)電極間的介質(zhì)層非常薄，電極面積A得以大大增加，因此電容量C會(huì)隨著因子N(介質(zhì)層數(shù))的增加和介質(zhì)層厚度t’的減小而增大。這里A’指的是交迭電極的重合面積。
C = KA’N/4.452(t’)
以前在1.0×1.0×0.56″的單片電容器上所獲得的容量，現(xiàn)在如果采用相同的介質(zhì)材料，以厚度為0.001″的30層介質(zhì)相迭加成尺寸僅為0.050×0.040×0.040″的多層元件即可獲得(這里重合電極面積A’為0.030×0.020")。
C = 2500(0.030)(0.020)30/4.452(0.01)= 10107 pF
上面的實(shí)例表明在多層結(jié)構(gòu)電容器尺寸相對(duì)于單層電容器小700倍的情況下仍能提供相同的電容量。因此通過(guò)優(yōu)化幾何尺寸，選擇有很高介電常數(shù)和良好電性能(能在形成薄層結(jié)構(gòu)后保持良好的絕緣電阻和介質(zhì)強(qiáng)度)的介質(zhì)材料即可設(shè)計(jì)和制造出具有最大電容量體積系數(shù)的元件。
有的公司在MLCC的應(yīng)用上也會(huì)有一些誤區(qū)。有人以為MLCC是很簡(jiǎn)單的元件，所以工藝要求不高。其實(shí)，MLCC是很脆弱的元件，應(yīng)用時(shí)一定要注意。
MLCC廠家在生產(chǎn)過(guò)程中，如果工藝不好，就有可能會(huì)有隱患。比如介質(zhì)空洞、燒結(jié)紋裂、分層等都會(huì)帶來(lái)隱患。這點(diǎn)只能通過(guò)篩選優(yōu)秀的供應(yīng)商來(lái)保證（后面還會(huì)談到供應(yīng)商選擇問(wèn)題）。
另外就是陶瓷本身的熱脆性和機(jī)械應(yīng)力脆性的故有可靠性，導(dǎo)致電子設(shè)備廠在使用MLCC時(shí)，使用不當(dāng)也容易失效。
MLCC現(xiàn)在做到幾百層甚至上千層了，每層是微米級(jí)的厚度。所以稍微有點(diǎn)形變就容易使其產(chǎn)生裂紋。另外同樣材質(zhì)、尺寸和耐壓下的MLCC，容量越高，層數(shù)就越多，每層也越薄，于是越容易斷裂。另外一個(gè)方面是，相同材質(zhì)、容量和耐壓時(shí)，尺寸小的電容要求每層介質(zhì)更薄，導(dǎo)致更容易斷裂。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(wèn)題。而且裂紋有一個(gè)很麻煩的問(wèn)題是，有時(shí)比較隱蔽，在電子設(shè)備出廠檢驗(yàn)時(shí)可能發(fā)現(xiàn)不了，到了客戶端才正式暴露出來(lái)。所以防止MLCC產(chǎn)生裂紋意義重大。
MLCC受到溫度沖擊時(shí)，容易從焊端開(kāi)始產(chǎn)生裂紋。在這點(diǎn)上，小尺寸電容比大尺寸電容相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)好一點(diǎn)，其原理就是大尺寸的電容導(dǎo)熱沒(méi)這么快到達(dá)整個(gè)電容，于是電容本體的不同點(diǎn)的溫差大，所以膨脹大小不同，從而產(chǎn)生應(yīng)力。這個(gè)道理和倒入開(kāi)水時(shí)厚的玻璃杯比薄玻璃杯更容易破裂一樣。另外，在MLCC焊接過(guò)后的冷卻過(guò)程中，MLCC和PCB的膨脹系數(shù)不同，于是產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋。要避免這個(gè)問(wèn)題，回流焊時(shí)需要有良好的焊接溫度曲線。如果不用回流焊而用波峰焊，那么這種失效會(huì)大大增加。MLCC更是要避免用烙鐵手工焊接的工藝。然而事情總是沒(méi)有那么理想。烙鐵手工焊接有時(shí)也不可避免。比如說(shuō)，對(duì)于PCB外發(fā)加工的電子廠家，有的產(chǎn)品量特少，貼片外協(xié)廠家不愿意接這種單時(shí)，只能手工焊接；樣品生產(chǎn)時(shí)，一般也是手工焊接；特殊情況返工或補(bǔ)焊時(shí)，必須手工焊接；修理工修理電容時(shí)，也是手工焊接。無(wú)法避免地要手工焊接MLCC時(shí)，就要非常重視焊接工藝。首先必須告知工藝和生產(chǎn)人員電容熱失效問(wèn)題，讓其思想上高度重視這個(gè)問(wèn)題。其次，必須由專(zhuān)門(mén)的熟練工人焊接。還要在焊接工藝上嚴(yán)格要求，比如必須用恒溫烙鐵，烙鐵不超過(guò)315°C（要防止生產(chǎn)工人圖快而提高焊接溫度），焊接時(shí)間不超過(guò)3秒選擇合適的焊焊劑和錫膏，要先清潔焊盤(pán)，不可以使MLCC受到大的外力，注意焊接質(zhì)量，等等。最好的手工焊接是先讓焊盤(pán)上錫，然后烙鐵在焊盤(pán)上使錫融化，此時(shí)再把電容放上去，烙鐵在整個(gè)過(guò)程中只接觸焊盤(pán)不接觸電容（可移動(dòng)靠近），之后用類(lèi)似方法（給焊盤(pán)上的鍍錫墊層加熱而不是直接給電容加熱）焊另一頭。
機(jī)械應(yīng)力也容易引起MLCC產(chǎn)生裂紋。由于電容是長(zhǎng)方形的（和PCB平行的面），而且短的邊是焊端，所以自然是長(zhǎng)的那邊受到力時(shí)容易出問(wèn)題。于是，排板時(shí)要考慮受力方向。比如分板時(shí)的變形方向于電容的方向的關(guān)系。在生產(chǎn)過(guò)程中，凡是PCB可能產(chǎn)生較大形變的地方都盡量不要放電容。比如PCB定位鉚接、單板測(cè)試時(shí)測(cè)試點(diǎn)機(jī)械接觸等等都會(huì)產(chǎn)生形變。另外半成品PCB板不能直接疊放，等等。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-09-05
