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深度分析MLCC電容選型要素

時(shí)間:2018-07-30 10:47:17來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

導(dǎo)語:?MLCC等電子元器件的漲價(jià)潮并沒有停止,以MLCC為例,近年來,受電動(dòng)汽車、工控等行業(yè)發(fā)展帶動(dòng),MLCC產(chǎn)品需求量迅速增加。但是整體是市場(chǎng)供貨量有限,導(dǎo)致供需失衡,這也成為電子元器件屢屢漲價(jià)的原因之一。

MLCC等電子元器件的漲價(jià)潮并沒有停止,以MLCC為例,近年來,受電動(dòng)汽車、工控等行業(yè)發(fā)展帶動(dòng),MLCC產(chǎn)品需求量迅速增加。但是整體是市場(chǎng)供貨量有限,導(dǎo)致供需失衡,這也成為電子元器件屢屢漲價(jià)的原因之一。

在這樣的背景下還有選型的必要嗎?

購買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,溫度穩(wěn)定性不好,溫度變化會(huì)造成容值大幅變化,設(shè)計(jì)時(shí)候一定要考慮到,(重要?。。。。┰?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。

設(shè)計(jì)比較緊湊,散熱不好,對(duì)性能要求要可靠的產(chǎn)品,能選用X5(7)R的,不選用Y5V的。

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。美國的廠家用英制,日本廠家基本上都用公制的,而國內(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)(重要?。。。?/p>

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1kHz頻率、1Vrms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“有源的無源器件(activepassives)”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)胄械牟少徎蛘哌x型工程師來說,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,可以使用加熱的方法恢復(fù)特性值。搬運(yùn)與儲(chǔ)存時(shí)要注意防潮,

Y5V與X7RClassⅡ類電容器電介質(zhì)則以鈦酸鋇為主要材料,鈦酸鋇對(duì)溫度變化較敏感。在相應(yīng)的工作溫度范圍內(nèi)隨溫度不同會(huì)有較大的容值變化,特別是Y5V的。

并且會(huì)隨時(shí)間變化,產(chǎn)品存放時(shí)間太長(zhǎng),容量變化較大。

這種老化是一種可逆的現(xiàn)象,當(dāng)對(duì)老化的材料施加高于材料居里溫度的高溫,當(dāng)環(huán)境溫度回到常溫后,材料的分子結(jié)構(gòu)將會(huì)回到原始的狀態(tài)。材料將由此開始老化的又一個(gè)循環(huán)。

建議IQC以如下方式驗(yàn)證:將測(cè)試容量偏低的產(chǎn)品浸至錫爐或過Reflow(不需印錫膏),再行測(cè)試,容值將恢復(fù)到正常規(guī)格之內(nèi)??蛻舨恍枰谏暇€前,事先進(jìn)行De-aging動(dòng)作,只需要將組件置于板上正常生產(chǎn)作業(yè),產(chǎn)品經(jīng)過回流焊或波峰焊后,即可恢復(fù)正常容值。

因?yàn)槔匣F(xiàn)象發(fā)生在任何一家使用鈦酸鋇(鐵電性材料)為原材料的廠商所生產(chǎn)的ClassⅡ類陶瓷電容器中。它是正常現(xiàn)象。

考慮到MLCC材料之老化現(xiàn)象,客戶于一開始設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)事先將此材料之老化率考慮進(jìn)去。

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

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)等來保證。

另一種就是組裝時(shí)引入的缺陷,缺陷主要來自機(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??梢允褂肐CT設(shè)備完成檢測(cè),有的裂紋比較隱蔽,無法保證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。

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