MLCC多层陶瓷电容

发布时间：2024/6/6

深入浅出---MLCC多层陶瓷电容

一、规格

1. 封装

MLCC常见封装如下表：按照EIA标准，单位为mil。（JIS标准是按照mm为单位）

序号	封装	尺寸（L*W）
1	01005	0.4×0.2mm
2	0201	0.6×0.3mm
3	0402	1.0×0.5mm
4	0603	1.6×0.8mm
5	0805	2.0×1.25mm
6	1111	2.8×2.8mm
7	1206	3.2×1.6mm
8	1210	3.2×2.5mm

2. 静电容量：

容值范围：一般101-476，这个容值是一般测量温度是25°，特殊规格的是20℃。

3. 静电容值误差：

相对于电阻的精度来说，电容的精度要低很多，以下是一般电容的精度；

同一类型的电容精度一般厂家会生产2~4种精度的档次供选择。

序号	Code	误差
1	W	±0.05pF
2	B	±0.1pF
3	C	±0.25pF
4	D	±0.5pF
5	G	±2%
6	J	±5%
7	K	±10%
8	M	±20%
9	Z	80%，-20%

4. 额定电压：

序号	电压/V（DC）	序号	电压/V（DC）
1	2.5	10	200
2	4	11	250
3	6.3	12	300
4	10	13	350
5	16	14	500
6	25	15	630
7	35	16	1000
8	50	17	2000
9	100	18	3150

5. 温度特性：

MLCC的温度特性不同主要由介质材料不同决定。不同介质种类由于它的主要极化类型不一样，其对电场变化的响应速度和极化率亦不一样，在相同的体积下的容量就不同，随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性（温度、直流偏置电压等）等也就不同。

介质材料划按容量的温度稳定性可以分为两类，即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器， NP0属于Ⅰ类陶瓷，而其他的X7R、X5R、Y5V、Z5U等都属于Ⅱ类陶瓷。

介质类型	TCC特性	主要极化类型	极化率对比（ε）	电场响应速度
I类陶瓷电容器	C0G	离子极化	较小<100	很快
Ⅱ类陶瓷电容器	X7R	铁电畴	较大1000--5000	较慢
Y5V(Z5U)	铁电畴	很大>10000	慢

5.1. Ⅰ类陶瓷电容器组成和特性

高频陶瓷电容器介质采用非铁电（顺电）配方，以TiO2为主要成分（介电常数小于150），具有最稳定的性能；通过添加少量其他（铁电体）氧化物，如CaTiO3 或SrTiO3，可构成“扩展型”温度补偿陶瓷，则可表现出近似线性的温度系数，介电常数增加至500。这两种介质损耗小、绝缘电阻高、温度特性好，特别适用于振荡器、谐振回路、高频电路中的耦合电容，以及其他要求损耗小和电容量稳定的电路或用于温度补偿。这种陶瓷为中介电性，温度稳定性非常好。此外，DC偏压下静电容量不会发生变化，同时静电容量也不会因老化发生变化。

5.2. Ⅰ类陶瓷电容器命名

Ⅰ类陶瓷的温度容量特性（TCC）非常小，单位往往在ppm/℃，容量较基准值的变化往往远小于1pF。美国电子工业协会（EIA）标准采用“字母+数字+字母” 代码形式来表示Ⅰ类陶瓷温度系数，比如C0G：

C 表示电容温度系数的有效数字为 0 ppm/℃

0 表示有效数字的倍乘因数为 -1（即负的10的0次方）

G 表示随温度变化的容差为 ±30ppm

计算下来，C0G电容的TCC为：0×（-1）ppm/℃±30ppm/℃。而相应的其他Ⅰ类陶瓷的温度系数，例如U2J电容，计算下来则为：-750 ppm/℃±120 ppm/℃。

5.3. C0G和NP0之间的关系

NP0是美国军用标准（MIL）中的说法，Negative-Positive-Zero的简写，用来表示的温度特性。说明NPO的电容温度特性很好，不随正负温度变化而出现容值漂移。
C0G（EIA标准）是I类陶瓷中温度稳定性最好的一种，温度特性近似为0，满足“负-正-零”的含义。

所以C0G其实和NP0是一样的，只不过是两个标准的两种表示方法（当然，容值更小、精度略差一点的C0K、C0J等也是NP0电容）。类似的，U2J对应于MIL标准中的组别代码为N750。

5.4. Ⅱ类陶瓷电容器组成和特性

Ⅱ类陶瓷电容器（Class Ⅱ ceramic capacitor）过去称为低频陶瓷电容器（Low frequency ceramic capacitor），指用铁电陶瓷作介质的电容器，因此也称铁电陶瓷电容器。Ⅱ类陶瓷电容器使用的陶瓷为强介电性，通常以钛酸钡（BaTiO3）为基材。相比种类I的陶瓷，其拥有极高的介电常数，但介电常数会因温度、偏置电压、老化而发生大幅变动，原因为陶瓷的晶格结构会随温度发生相变，因此介电常数会随温度发生大幅变化。此外，静电容量也会因施加直流电压（DC偏压）或老化而降低。这类电容器容量随温度呈非线性变化，损耗较大，常在电子设备中用于旁路、耦合或用于其它对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中。其中Ⅱ类陶瓷电容器又分为稳定级和可用级。X5R、X7R属于Ⅱ类陶瓷的稳定级，而Y5V和Z5U属于可用级。

5.5. Ⅱ类陶瓷电容器的命名

以X7R为例：
X 代表电容最低可工作在 -55℃
7 代表电容最高可工作在 +125℃
R 代表容值随温度的变化为 ±15%
同样的，Y5V正常工作温度范围在-30℃～+85℃, 对应的电容容量变化为+22～-82%；而Z5U 正常工作温度范围在+10℃～+85℃，对应的电容容量变化为+22～-56%。

5.6. Ⅰ/Ⅱ类陶瓷电容器的温度特性对比

I/II类陶瓷电容的温度特性对比

在设计电路的时候，需要考虑不同电容的温度系数，按照使用场景选择符合要求的电容。在一些对电容容量由要求的地方，就不能选择Y或者Z系列的电容。

6. DF/Q值：

品质因数Q：表征一个储能器件(如电感线圈、电容等)所储能量同每周损耗能量之比的一种质量指标。

Q=2π*（一个周期贮存的能量/一个周期损失的能量）

Q=无功功率/有功功率，或称特性阻抗与回路电阻之比。

Q值越高，损耗越小，效率越高；

Q值越高，谐振器的频率稳定度就越高。

理论上，一个完美的电容器应该表现为ESR为零欧姆、纯容抗性的无阻抗元件。不论何种频率，电流通过电容时都会比电压提前正好90度的相位。实际上，电容是不完美的，会或多或少存在一定值的ESR。一个特定电容的ESR随着频率的变化而变化，并且可用特定公式来表示。这是由于ESR的来源是导电电极结构的特性和绝缘介质的结构特性。

为了模型化分析，把ESR当成单个的串联寄生元。过去，所有的电容参数都是在1MHz的标准频率下测得，但当今是一个更高频的世界，1MHz的条件是远远不够的。一个性能优秀的高频电容给出的典型参数值应该为：200MHz ，ESR＝0.04Ω；900MHz， ESR＝0.10Ω；2000MHz，ESR＝0.13Ω。

Q值是一个无量纲数，数值上等于电容的电抗除以寄生电阻（ESR）。Q值随频率变化而有很大的变化，这是由于电抗和电阻都随着频率而变。频率或者容量的改变会使电抗有着非常大的变化，因此Q值也会跟着发生很大的变化。

7. 绝缘电阻IR

绝缘电阻值以MΩ或欧姆法拉(Ω*F)等单位表示。因为绝缘电阻的测量值与电容量成反比，故表征绝缘电阻时常用欧姆法拉作为单位。当使用欧姆法拉为单位时，即标称电容值和绝缘电阻的乘积 (C×R的乘积) 。电容值越高，其绝缘电阻值越低，例如: 当绝缘电阻在10,000MΩ以上时，电容为0.047μf或更小，当绝缘电阻为500MΩ时，其值大于0.047μf。

对于任意给定的电容器，其绝缘发电阻值与介质材料本征的电阻率、材料配方、测量时温度有关。另外，介质是由多晶体陶瓷聚合体所组成，微观结构中存在的晶界和气孔会降低材料的本征电阻率。

8. 等效模型

实际的电容模型等下如下图：

9. 阻抗-频率特性

根据上述电容模型，我们可以得到电容的复阻抗公式：

实际陶瓷电容的绝缘电阻时非常大的，是兆欧姆级别的，所以R远大于，所以简化公式为：

其中为容抗，为感抗，为等效串联电阻。很容易看出，在频率比较低（比较小）的时候，容抗远大于感抗，电容主要成容性，在频率比较高的时候，电容主要呈感性。

而当，即谐振的时候，阻抗等于等效串联电阻，此时阻抗达到最小值，如果是用来滤波的话，此时效果最好。

某村田10uF电容的阻抗频率曲线如下图：

注意，这个坐标系是对数坐标系，纵轴为复阻抗的模。

10. 谐振频率

电容在谐振频率处阻抗最低，滤波效果最好，下图是村田常用电容的谐振频率表：

频率曲线如下图：

11. 等效电阻ESR

陶瓷的等效串联电阻并不是恒定的，它是跟频率有很大的关系。上述10uF电容在100hz的时候，ESR是3Ω，在700Khz的时候达到最小，ESR是3mΩ，相差了1000倍，是非常大的。

我们非常关心陶瓷电容的ESR到底是多大，特别用在开关电源的时候，需要用来计算纹波的大小。下图为村田普通电容的ESR表。

ESR频率曲线如下图：

12. 直流偏压特性

陶瓷电容的另外一个特性是其直流偏压特性。对于在陶瓷电容器中又被分类为高诱电率系列的电容器(X5R、X7R特性)，由于施加直流电压，其静电容量有时会不同于标称值，因此应特别注意。

如下图所示，对高介电常数电容器施加的直流电压越大，其实际静电容量越低。容值越高的电容，直流偏压特性越明显，如47uF-6.3V-X5R的电容，在6.3V电压处，电容量只有其标称值的15%左右，而100nF-6.3V-X5R的电容容值为其标称值的，如下图。

DC偏压特性的原理如下：陶瓷电容器中的高诱电率系列电容器，现在主要使用以BaTiO3 (钛酸钡) 作为主要成分的电介质。

BaTiO3具有如下图所示的钙钛矿（perovskite）形的晶体结构，在居里温度以上时，为立方晶体（cubic），Ba2+离子位于顶点，O2-离子位于表面中心，Ti4+离子位于立方体中心的位置。

上图是在居里温度（约125℃）以上时的立方晶体（cubic）的晶体结构，在此温度以下的常温领域，向一个轴（Ｃ轴）延长，其他轴略微缩短的正方体（tetragonal）晶体结构。

作为Ti4+离子在结晶单位的延长方向上发生了偏移的结果，产生极化，不过，这个极化即使在没有外部电场或电压的情况下也会产生，因此，称为自发极化（spontaneous polarization）。像这样，具有自发极化，而且可以根据外部电场转变自发极化的朝向的特性，被称为强诱电型（ferro electricity）。与单位体积内的自发极化的相转变相同的是电容率，可视为静电容量进行观测。

当没有外加直流电压时，自发极化为随机取向状态，但当从外部施加直流电压时，由于电介质中的自发极化受到电场方向的束缚，因此不易发生自发极化时的自由相转变。其结果导致，得到的静电容量较施加偏压前低。

对于温度补偿用电容器 (CH、C0G特性等) ，以常诱电性陶瓷作为主要原料，静电容量不因直流电压特性而发生变化。

一、测试

1. 常规测试

1.1. 外观及成分

从端子数量上划分，分为两端子和三端子，其中最常用的是两端子电容。

考虑到寄生电感的存在，导致高频信号的IL（插入损耗）较大，严重影响到电容的高频滤波效果，因此发展出了三端子电容，它比普通电容更加接近理想电容，寄生电感更小，在高频范围中阻抗相对普通电容更低，在高频域滤波效果更出众。

MLCC内部为电极堆叠结构，具体见下图：

MLCC结构图

1.2. 端电极强度

测试项目	测量条件/方法	规格
端电极强度	基板贴装后，从侧免费加压5N，其中02型封装加压1N，03型封装加压2N。	端电极没有脱落或脱落征兆。

1.3. 耐印制板弯曲能力

测试项目	测量条件/方法	规格
耐印制板弯曲能力	玻璃环氧基板（支点间距离90mm/时间10s）。	基板弯曲1mm时，不发生机械性损伤。

1.4. 耐振能力

1.5. 耐焊接热

1.6. 可焊性

2. 可靠性测试

2.1. 温度循环

2.2. 耐湿热

2.3. 高温负载

二、工艺制程

1．配料：

将陶瓷粉和粘合剂及溶剂等按一定比例经过球磨一定时间，形成陶瓷浆料。

2．流延：

将陶瓷浆料通过流延机的浇注口，使其涂布在绕行的PET膜上，从而形成一层均匀的浆料薄层，再通过热风区（将浆料中绝大部分溶剂挥发），经干燥后可得到陶瓷膜片，一般膜片的厚度在10um-30um之间。

3．印刷：

按照工艺要求，通过丝网印版将内电极浆料印刷到陶瓷膜片上。

4．叠层：

把印刷有内电极的陶瓷膜片按设计的错位要求，叠压在一起，使之形成MLCC的巴块（Bar）。

5．制盖：

制作电容器的上下保护片。叠层时，底和顶面加上陶瓷保护片，以增加机械强度和提高绝缘性能。

6．层压：

叠层好的巴块（Bar），用层压袋将巴块（Bar）装好，抽真空包封后，用等静压方式加压使巴块（Bar）中的层与层之间结合更加紧密，严实。

7．切割：

层压好的巴块（Bar）切割成独立的电容器生坯。

8．排胶：

将电容器生坯放置在承烧板上，按一定的温度曲线（最高温度一般在400度℃左右），经高温烘烤，去除芯片中的粘合剂等有机物质。排胶作用：1）排除芯片中的粘合剂有机物质，以避免烧成时有机物质的快速挥发造成产品分层与开裂，以保证烧出具有所需形状的完好的瓷件。2）消除粘合剂在烧成时的还原作用。

9．烧结：

排胶完成的芯片进行高温处理，一般烧结温度在1140℃~1340℃之间，使其成为具有高机械强度，优良的电气性能的陶瓷体的工艺过程。

10．倒角：

烧结成瓷的电容器与水和磨介装在倒角罐，通过球磨、行星磨等方式运动，使之形成光洁的表面，以保证产品的内电极充分暴露，保证内外电极的连接。

11．端接：

将端浆涂覆在经倒角处理的芯片外露内部电极的两端上，将同侧内部电极连接起来，形成外部电极。

12．烧端：

端接后产品经过低温烧结后才能确保内外电极的连接。并使端头与瓷体具有一定的结合强度。

13．端头处理：

表面处理过程是一种电沉积过程，它是指电解液中的金属离子（或络合离子）在直流电作用下，在阴极表面还原成金属（或合金）的过程。电容一般是在端头（Ag端头或Cu端头）上镀一层镍后，再镀层锡。

14．外观挑选：

借助放大镜或显微镜将具有表面缺陷的产品挑选出来。

15．测试：

对电容产品电性能方面进行选别：容量、损耗、绝缘、电阻、耐压进行100%测量分档，把不良品剔除。

16：编带：

将电容按照尺寸大小及数量要求包装在纸带或塑料袋内。

一、失效模式及案例

1. 热击穿失效

1.1. 失效机理：

在制造多层陶瓷电容时，使用各种材料（热膨胀系数和导热率不同）会导致内部出现不同的张力。当温度转变率过大时，就容易出现因热击而破裂的现象，这种破裂往往从结构最弱及机械结构最集中的地方发生，一般是在接近外露短接和中央陶瓷端接界面处产生机械张力（一般是在晶体最坚硬的四角）。一般从一个端蔓延至另一个端。

1.2. 失效模式：

第一种是形如指甲状或U形的裂纹，可以在金相中测试出来。

第二种是隐藏在内部的微小裂纹。且第二种裂纹会由裸露在外的中央部分或陶瓷端接界面的下部开始，随温度变化或组装应力顺着扭曲蔓延开来。

2. 扭曲破裂失效

2.1. SMT阶段导致的破裂失效

第一种是当进行零件取放时，取放夹具因为磨损、对位不准确、倾斜等导致的，造成很大的引力和切断率，继而形成破裂点。这种破裂一般为课件的表面裂纹或2至3个电极见的内部破裂，表面裂纹会沿着最强的压力线及陶瓷位移的方向。

第二种破裂是真空吸嘴导致的损坏或破裂，一般会在芯片的表面形成一个圆形或半月形的压痕面积，并带有不圆滑的边缘，位置与吸嘴吸取的位置重合。另外一种由吸嘴造成的损坏是因拉力造成的裂纹，裂纹会由组件中央的一边延伸到另一边，这些裂纹可能会蔓延至电容的另一面，并且其粗糙的裂纹可能会令电容的底部破损。一般由多个破裂点。