深入了解电容：陶瓷电容MLCC

Posted 2022-02-23 bobuddy

陶瓷电容MLCC
简介
最常见的陶瓷电容通常是多层瓷介陶瓷电容MLCC，如下图：

MLCC的温度特性有很大区别，EIA Class I用的是二氧化钛（TiO2），其温度变化系数特别小。EIA Class II高介电常数型MLCC用的是钛酸钡（BaTiO3），其温度系数很大。

 

优点
无极性
价格便宜
体积小，可以做到01005封装。
容积率大，适合用在小型化的电子产品中。
Class1类电容，温度特性好。
绝缘电阻在数GΩ以上，漏电流很小。
ESR比钽电容，铝电解电容都小，是mΩ级别，而且有一个明显的谐振点，如下图：

 

缺点
容积率小，容量没有钽电容，铝电解电容大
非Class1类电容，容值随温度变化较大。
韧性差，挤压容易断裂。
MLCC电容的容量特性
容量vs电压
高介电常数类型的陶瓷电容，其容值随着施加的DC电压或AC电压值得改变而变化，下面两幅图是村田0.1uF，0201封装，MLCC的电容特性。

 

这种现象是使用了钛酸钡系铁电体的高介电常数（Class2）类片状多层陶瓷电容器特有的现象，导电性高分子的铝电解电容器(高分子AI)和导电性高分子钽电解电容器(高分子Ta)、薄膜电容器(Film)、氧化钛和使用了锆酸钙系顺电体的温度补偿用片状多层陶瓷电容器(MLCC)上几乎不会发生这种现象。如下图：

 

向钛酸钡系铁电体施加直流电压时，电场小时，电位移(D)与电场(E)成正比，但随着电场增大，原本方向混乱的自发极化(Ps)开始沿电场的方向整齐排列，显示非常大的介电常数，实际静电容量值增大。随电场进一步增强，不久自发极化整齐排列完毕，分极饱和后，介电常数变小，实际静电容量值变小(参照图2)。
因此，在选择多层陶瓷电容器时，请不要完全按照产品目录上记载的静电容量进行选择。必须先向适用的电源(信号)线施加直流电压成分，测定静电容量，掌握实际静电容量值的情况。但是，这种直流偏置特性施加的直流电压成分越低，静电容量减少幅度越小。最近市面上出现了以突破1V的电源电压(直流电压)工作的FPGA和ASIC等半导体芯片。如把多层陶瓷电容器使用在这种芯片的电源线上时，不会出现很明显的直流偏置特性问题。

 

容量vs频率
电容量会随着频率的变化而改变：

容量vs时间
电容容量还会随着时间的增加而减少，如下图：

 

 

如何正确的测量电容量，请参考本文最后的连接。这里给出几个要点：

测试前必须校准设备，尤其是在测量小容值，小封装电容时。
ALC (Automatic Level Control )要打开，并且要确认测量时的DC偏压是否符合原厂要求。
如果测量值比标称值小，可能是电容放置时间较长，老化导致的。高诱电系陶瓷电容器，主要构成成分为钛酸钡（BaTiO3）。本系列电容器具有静电容量随着时间的推移而变小的现象。这个现象就叫作静电容量的老化特性。对老化的电容加温到居里点（温度，钛酸钡一般为130℃左右）以上，钛酸钡的结晶会做一次重塑，电容容量恢复到了原先的值，然后开始下一次老化，所以老化减少的静电容量，可以在加热后恢复。
MLCC的温度特性
一般来说，电容器的静电容量会随着使用温度的变化而变化。变化幅度越小，温度特性越好；幅度越大，温度特性越差。当电容器使用于温度较高的汽车引擎室内或者南极等寒冷地区的电子设备中时，必须考虑其使用环境条件来进行设计。
参照国际电工技术委员会（IEC）和美国电子工业联合会（EIA）标准，根据陶瓷电容容值随温度变化的规律，对陶瓷电容进行了分类，标准如下：

EIA Class I
EIA标准等级代码解释：

 

 

温度系数的计算公式是：温度系数代码x倍乘因数代码（ppm/K）±随温度变化容差（ppm/K）。容常见规格如下，例如 C0G电容（使用了二氧化钛与锆酸钙类电介质材料，其静电容量对温度几乎呈现直线性变化）的温度漂移是±30ppm/K,U2J的温度系数是-750±120ppm/K。
1nF，0201，C0G电容温度曲线：

 

IEC标准代码解释：

NP0是Negative Positive Zero的缩写，表示温度系数零飘电容，这也是美国军用标准的说法，其特性和C0G是几乎一样的。
下面是KEMET C0G和U2J系列产品的简介，其介绍内容和上述表格是对应的。

 

 

 
3.3.2 EIA Class II
EIA标准等级代码解释：

例如常见的X7R电容，工作温度是-55~125℃，在整个温度范围内容值变化±15%。
1nF，0201，X7R电容温度特性曲线：

 

 
除了X7R，常见的Class2电容规格如下：
X8R (-55/+150, ΔC/C0 = ±15%)
X7R (-55/+125 °C, ΔC/C0 = ±15%)
X6R (-55/+105 °C, ΔC/C0 = ±15%)
X5R (-55/+85 °C, ΔC/C0 = ±15%)
X7S (-55/+125, ΔC/C0 = ±22%)
Z5U (+10/+85 °C, ΔC/C0 = +22/−56%)
Y5V (-30/+85 °C, ΔC/C0 = +22/−82%)
ICE标准代码解释：

 

在一些情况下，EIA代码跟IEC/EN代码可以对应起来的，可能会有些微小的变化，但一般可以接受。下面是一些对应：
X7R 与2X1相似；
Z5U 与2E6相似；
Y5V 与2F4相似；区别: Y5V（ΔC/C0 = +30/-80%），2F4（ΔC/C0 = +30/-80%）
X7S 与2C1相似；区别: X7S（ΔC/C0 = ±20%），2C1（ΔC/C0= ±22%）
X8R 没有与之相似的IEC/EN 代码。
下面是KEMET X7R的介绍资料，与上述表格是对应的。

村田电容器温度特性标准
欧美企业准守EIA标准，村田准守日本的JIS标准，两者的对应关系如下：

 

 

村田MLCC不同容值的谐振点

3.5 不同种类MLCC特点

 

 

备注：
1．测试条件25℃，1MHz，1Vrms，≤1nf或者1KHz，1Vrms，大于1nF
2．整个温度范围内的容值变化。

MLCC常见问题
啸叫
X5R和X7R的高介电常数的电容，由于具有强介电性的陶瓷的电致效应，在施加交流电压时，独石陶瓷电容器贴片会发生叠层方向伸缩。因此电路板也会平行方向伸缩，而因电路板的振动而产生了噪声。
贴片及电路板的振幅仅为1pm～1nm左右，但发出的声响却十分大。
其实几乎无法听到电容器本身发出的噪声，但将其安装于电路板后振动会随之增强，振幅的周期也达到了人耳能够听到的频率带(20Hz～20kHz)，所以声音可通过人耳进行识别。例如可听到"ji----"、“ki----”"pi----"等声响。

啸叫的测量方法见如下链接：
https://www.murata.com/zh-cn/products/capacitor/mlcc/apps/notepc
https://www.murata.com/zh-cn/products/capacitor/mlcc/apps/ta