元器件基础学习笔记——陶瓷电容器

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一、陶瓷电容器的发展史

        1900年意大利L.隆巴迪发明陶瓷介质电容器。30年代末人们发现在陶瓷中添加钛酸盐可使介电常数成倍增长,因而制造出较便宜的瓷介质电容器。

        1940年前后人们发现了现在的陶瓷电容器的主要原材料BaTiO3(钛酸钡)具有绝缘性后，开始将陶瓷电容器使用于对既小型、精度要求又极高的军事用电子设备当中。而陶瓷叠片电容器于1960年左右作为商品开始开发。到了1970年，随着混合IC、计算机、以及便携电子设备的进步也随之迅速的发展起来，成为电子设备中不可缺少的零部件。现在的陶瓷介质电容器的全部数量约占电容器市场的70%左右。

        陶瓷介质电容器的绝缘体材料主要使用陶瓷，其基本构造是将陶瓷和内部电极交相重叠。陶瓷材料有几个种类。自从考虑电子产品无害化特别是无铅化后，高介电系数的PB（铅）退出陶瓷电容器领域，现在主要使用TiO2(二氧化钛)、BaTiO3,CaZrO3(锆酸钙)等。和其它的电容器相比具有体积小、容量大、耐热性好、适合批量生产、价格低等优点。

        由于原材料丰富，结构简单，价格低廉，而且电容量范围较宽（一般有几个PF到上百μF），损耗较小，电容量温度系数可根据要求在很大范围内调整。

        陶瓷电容器品种繁多，外形尺寸相差甚大从0402（约1×0.5mm）封装的贴片电容器到大型的功率陶瓷电容器。按使用的介质材料特性可分为Ⅰ型、Ⅱ型和半导体陶瓷电容器；按无功功率大小可分为低功率、高功率陶瓷电容器；按工作电压可分为低压和高压陶瓷电容器；按结构形状可分为圆片形、管型、鼓形、瓶形、筒形、板形、叠片、独石、块状、支柱式、穿心式等。

二、陶瓷电容器的分类

        参考美国电工协会（EIA）标准，根据陶瓷介质，一般可以分为四类：Ⅰ类陶瓷电容器、Ⅱ类陶瓷电容器、Ⅲ类陶瓷电容器和Ⅳ类瓷介电容器。

        Ⅰ类陶瓷电容器

        Ⅰ类陶瓷电容器（ClassⅠceramiccapacitor），过去称高频陶瓷电容器（High-freqencyceramiccapacitor），是指用介质损耗小、绝缘电阻高、介电常数随温度呈线性变化的陶瓷介质制造的电容器。它特别适用于谐振回路，以及其它要求损耗小和电容量稳定的电路，或用于温度补偿。

        EIA-198标准中对Ⅰ类陶瓷电容器的分类如下表所示：

        Ⅱ类陶瓷电容器

        Ⅱ类陶瓷电容器（ClassⅡceramiccapacitor）过去称为为低频陶瓷电容器（Lowfrequencycermiccapacitor），指用铁电陶瓷作介质的电容器，因此也称铁电陶瓷电容器。这类电容器的比电容大，电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。

        Ⅲ类陶瓷电容器

        Ⅲ类陶瓷电容器是固定陶瓷介电电容器，其类型特别适合用于旁路、去耦的电子电路或其中介电损耗、高绝缘电阻和电容稳定性不是主要考虑因素的其他应用。该分类与Ⅱ类陶瓷电容器相同，但仅限于温度特性在 T 至 V 范围的电容器。

        Ⅳ类瓷介电容器

        Ⅳ类瓷介电容器仅限于那些采用还原钛酸盐或阻挡层类型结构的部件。（基本上符合Ⅱ类和Ⅲ类的描述）

        EIA-198标准中对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类陶瓷电容器的分类如下表所示：

       C0G电容与NP0电容

        C0G是美国电子工程师协会（EIA）标准中对于具有稳定温度系数的多层陶瓷电容器的命名，NP0是美国军用标准（MIL）中对于相同类型电容器的命名。

        C0G电容和NP0电容是指同一种类型的电容材料，也被称为EIA Class I陶瓷材料。这种材料具有非常好的温度稳定性，其温度特性接近于零。因此，C0G和NP0可以互换使用，它们都表示具有优异温度特性的电容器。

        常见陶磁电阻的特性曲线对比

        温度特性曲线

        C0G、X7R和X5R是常见的电容材料，它们在不同温度下的性能表现有所差异。下面是它们的温度特性曲线对比：

        C0G的温度系数非常小，几乎可以忽略不计，C0G电容器的电容值变化非常小。

        X7R的温度系数相比C0G较大，通常在-55°C至+125°C范围内，变化范围为±15%

        X5R的温度系数相比X7R较大，通常在-55°C至+85°C范围内，变化范围为±15%

        直流偏圧特性

        C0G、X7R和X5R在直流偏压特性方面有一些区别，下面是它们的直流偏圧特性曲线对比：

        C0G电容器是一种具有非常稳定的直流偏压特性的电容器。它的电容值在整个工作温度范围内变化很小，且不受直流偏压的影响。因此，C0G电容器适用于需要高精度和稳定性的应用，如滤波、定时和精密测量电路。

        X7R电容器是一种具有中等直流偏压特性的电容器。它的电容值在整个工作温度范围内会有一定的变化，但变化范围相对较小。X7R电容器适用于一般性能要求的应用，如耦合、绕组和终端耦合等。

        X5R电容器是一种具有较差直流偏压特性的电容器。它的电容值在整个工作温度范围内会有较大的变化，且受到直流偏压的影响较大。X5R电容器适用于一些对直流偏压要求不高的应用，如绕组、终端耦合和终端滤波等。

        频率-阻抗特性
        C0G、X7R和X5R在频率-阻抗特性方面有一些区别，下面是它们的直流偏圧特性曲线对比：

        C0G电容器在整个频率范围内都具有稳定的阻抗特性。

        X7R和X5R的频率阻抗特性在不同频率下会有所变化。X7R电容器在高频率下具有较高的阻抗，而X5R电容器在高频率下的阻抗更高。

        使用时间-电容值

        C0G、X7R和X5R在使用时间-电容值特性方面有一些区别，下面是它们的使用时间-电容值特性曲线对比：

        C0G电容器在使用过程中，随着时间的推移，能够保证稳定的电容值。

        X7R和X5R的电容值随着时间的推移，会出现电容值下降的现象，X5R电容器相比X7R电容器电容值下降的更加严重。

三、几种常见的陶瓷电容器

3.1 单层陶瓷电容器

3.1.1 陶瓷圆盘电容器

        陶瓷圆盘电容器的结构简单，但它具有较高的使用温度、较大的容量和良好的耐潮湿性等特点，因此在各种电路中得到广泛应用。陶瓷圆盘电容器的结构如下图所示：

        其结构主要包含以下几个部分：

        ① 电介质层：陶瓷圆盘电容器的主要部分是由陶瓷材料制成的电介质层。这个层是由多个陶瓷片组成的，每个陶瓷片都是一个电介质

        ② 电极：陶瓷圆盘电容器的两个电极位于电介质层的两侧。通常，一个电极是由金属箔制成的，另一个电极是由金属涂层制成的

        ③ 焊接点：电极通过焊接点与电介质层连接在一起。这些焊接点通常是由焊锡或焊料制成的

        ④ 外壳：陶瓷圆盘电容器的外壳通常是由金属或塑料制成的，用于保护电容器的内部结构

3.1.2 单层陶瓷电容（SLC）

        在表面安装技术（SMT）、整机小形化、高频化的不断发展的动力推动下，单层瓷介电容由于其具有尺寸小、厚度薄，等效串联电阻低、损耗低的优点，应用频率可达数GHZ，因其射频功率特性优良倍受移动通信、广播电视及卫星通信等发射基站的青睐。并在移动电话、无线局域网（W-LAN）等无线通信与信息终端产品中得到广泛应用。微型化的微波单层瓷介电容器SLC（single layer capacitor）又称“芯片电容 ”展示了良好的发展前景。

        单层瓷介电容器按表面电极图形结构分类，有以下几种常见的类型：

        通用型

        通用型单层瓷介电容器分为双面不留边(N)，表面留边(S)及双面留边(B)型，如下图所示：

        这种类型的电容器主要体积小、电容量大,微波性能优异；可焊性良好；对于表面留边型的单层电容，有助于防止溢胶造成的短路，这种设计也减少了因镊子而造成的伤害，也便于自动机械的操作。主要应用于微波集成电路，起隔直流、源旁路、阻抗匹配等作用。

        双电极型芯片电容器

        双电极型芯片电容器结构如下图所示：

        这种类型的电容器结构独特，性能一致性好；可表面贴装，免去金丝键合过程，利于规模生产，提高生产效率。此系列电容产品是用于射频/微波和毫米波线路的理想元件 。

        阵列型芯片电容器

        阵列型芯片电容器结构如下图所示：

        此种类型的电容器安装简单，可以在IC封装中集成以减少引线长度并提高性能并可以降低电容器的成本以及安装成本。此类电容器主要使用于单片微波集成电路，解耦电路、射频旁路。

        二进制多电极型芯片电容器

        二进制多电极型芯片电容器结构如下图所示：

        此种类型的电容器几何尺寸小，适合于微波电路；电容阵列布局容值呈现一定的规律变化，便于精确调试且有利于电路匹配和调整。主要应用于匹配网络、提供方便的电路可调性。

3.2 多层陶瓷电容器

3.2.1 引线式多层陶瓷电容

        引线式多层陶瓷电容器的结构使其具有较高的电容量和良好的电性能，广泛应用于电子设备中的电路连接和电荷存储等方面。结构如下图所示：

        其结构主要包含以下几个部分：

        ① 外部引线：引线式多层陶瓷电容器通常具有两个外部引线，用于连接电容器与电路。

        ② 电介质层：电介质层是多层陶瓷电容器的核心部分，由多层陶瓷片堆叠而成。每一层陶瓷片都被涂覆上电极材料，形成内部电极。

        ③ 内部电极：内部电极是通过在陶瓷片上涂覆电极材料形成的。内部电极与外部引线相连，使电荷能够在电容器内部流动。

        ④ 外部电极：外部电极是通过在陶瓷片的两侧涂覆电极材料形成的。外部电极与内部电极相连，使电荷能够在电容器内外之间流动。

3.2.2 片式多层陶瓷电容器（MLCC）

3.2.2.1 MLCC的结构

        多层陶瓷电容器（MLCC）是一种电子元，它采用多层堆叠的工艺来增加层数，从而增加电容量。它的电容量与电极的相对面积和堆叠层数成正比。MLCC可以满足现代电子产品对于容量的需求，而不增加元件个数和体积的情况下。MLCC的基本结构是多个陶瓷层和电极层的交替堆叠，通过重叠来存储更多的电荷。这种结构使得MLCC具有较高的电容量和较低的电阻。MLCC在电子设备中广泛应用，例如手机、电视、计算机等。结构如下图所示：

        MLCC（多层陶瓷电容器）具有以下优点：

        ① 高容量密度：由于多层堆叠的结构，可以在相对较小的体积中提供较大的电容值

        ② 低ESR：MLCC由多个陶瓷层和金属电极交替堆叠而成，这种结构使得电流能够在电容器内部的多个层之间快速传输，从而降低了ESR的值

        ③ 低ESL：MLCC的陶瓷片和金属电极之间的距离很小，电流在陶瓷片和金属电极之间的传输路径较短，减少了电感的产生

        ④快速响应时间，高频性能好：由于其低ESR和低ESL，MLCC具有快速的响应时间，可以在电路中提供稳定的电源

        ⑤ 耐高温性能好：MLCC的耐高温性能好是由于其温度特性稳定、材质具有高熔点和热稳定性、以及生产工艺使其内部结构更加致密和稳定等因素的综合作用。

        温度特性：MLCC根据温度特性可以分为不同类型，如NP0、C0G、X7R等。其中，NP0和C0G类型的MLCC具有较好的温度稳定性，能够在高温环境下保持稳定的电容值。这是因为它们的温度系数非常小，能够有效抵抗温度变化对电容值的影响。

        材质：MLCC的内部结构由陶瓷材料构成，这种陶瓷材料具有较高的熔点和热稳定性，能够在高温环境下保持结构的稳定性。这使得MLCC能够在高温条件下工作而不会发生结构破坏或性能下降。

        生产工艺：MLCC的生产工艺也对其耐高温性能起到重要作用。在制造过程中，MLCC需要经历高温烧结和烧结后的陶瓷材料结构调整等步骤。这些工艺能够使MLCC的内部结构更加致密和稳定，提高其耐高温性能。

        ⑥ 价格经济：相比其他类型的电容器，MLCC的价格相对较低，因此在成本敏感的应用中更具竞争力

3.2.2.2MLCC电容失效模式

        热应力失效

        形如指甲状或U-形的裂纹。这种裂缝会在电容表面留有痕迹，一般可以在显微镜观察中检出，如下图所示：

        在电容内部的微小裂纹。与第一种裂纹相比，后者所受的张力较小，导致的裂缝也较轻微，需通过切片研磨分析观察，如下图所示：

        这类裂纹会随着时间、温度转变或组装时外部应力影响而逐渐扩大：

        MLCC热应力失效的预防可以采取以下措施：

        ①虑MLCC的温度特性和尺寸：大尺寸的MLCC（1210以上）容易受到热不均匀的影响，从而产生破坏性应力。因此，在选择MLCC时，应该考虑其尺寸和温度特性，避免使用波峰焊接等方法

        ② 控制温度变化速率：快速的温度变化会导致MLCC内部产生应力，增加失效的风险。因此，在使用MLCC时，应尽量避免急剧的温度变化，可以采取温度梯度较小的加热和冷却方法

        ③ 优化布局和设计：合理的布局和设计可以减少MLCC受到的热应力。例如，可以通过增加散热片、优化散热通道等方式来降低MLCC的温度

        ④ 选择适当的工作温度范围：不同型号的MLCC有不同的工作温度范围，选择适当的工作温度范围可以减少热应力失效的风险

        机械应力失效

        电容在受到过强机械应力冲击时，一般会形成45度裂纹和Y型裂纹。如受到的机械应力为撞击，裂纹会从撞击位置向周围蔓延，如下图所示：

         MLCC机械应力失效的预防可以采取以下措施：

        ① PCB设计优化：合理设计PCB布局和尺寸，避免过度弯曲和变形。确保电容器的安装位置和焊接方式符合规范，减少机械应力对电容器的影响

        ② 选择合适的封装类型：封装越大的MLCC电容器更容易受到机械应力的影响。因此，在设计中应尽量选择尺寸较小的封装类型，以减少机械应力对电容器的影响

        ③ 控制焊接过程：在手工焊接或自动焊接过程中，需要注意控制焊接温度和焊接时间，避免过高的温度和过长的焊接时间对电容器产生机械应力

        ④ 采购可靠的器件：在采购MLCC电容器时，应选择可靠的供应商和品牌，确保器件的质量和可靠性。避免采购来历不明的电容器，以减少机械应力失效的风险

        ⑤ 进行可靠性测试：在产品设计和生产过程中，可以进行可靠性测试，包括机械应力测试和温度循环测试等，以评估MLCC电容器的可靠性和抗机械应力失效能力

        电应力失效

        过电应力导致产品发生不良，表现为过流、过压击穿，严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸，甚至冒烟燃烧等严重后果，如下图所示：

        MLCC电应力失效的预防可以采取以下措施：

        ① 选择合适的电容器：根据应用需求选择合适的电容器，包括电压等级等。确保电容器能够承受应用中的电压和电流。

        ② 避免浪涌、静电现象对器件的冲击

3.2.2.3 MLCC的发展趋势

        小型化

        随着表面贴装技术的发展及片式元器件在电子信息产业中的广泛应用，各类片式元器件不断向着小型化发展。目前，小型化的MLCC，0201和01005尺寸的产品，已成为高端旗舰手机的重要需求。

        大容量

        为匹配终端不断增加的功能，电池容量增长，要求 MLCC 向着大容量趋势发展。 由于终端配置功能的增多，使电池容量变大，对大容量电池进行稳定快速的充电， 需要配置大容量、高品质的MLCC。部分电子回路通过使用大容量规格以减少MLCC 的数量，因此对大容量有着较高要求。

        高频化

        随着通信技术向着高频化发展，市场对于能够在宽频(MHz-GHz)使用的低阻抗低感抗ESR/ESL的MLCC的需求变得更为迫切。

        电容产品中存在ESR和ESL。ESR是由内外电极的电阻及介电体损耗产生，ESL是由内外电极结构产生对高频降噪的主要影响。当MLCC的ESR与ESL越低、将会越接近纯电容的特性，其自谐振频率会往越高频率移动，更适合在高频方面应用。

        高可靠性

        在车载用MLCC方面，MLCC需要在极端的温度环境，弯曲强度等冲击传达的情况以及高湿度（湿度85%）等极端环境中稳定运转；同时还需要获得汽车电子零件信赖度测试规格AEC-Q200（车载用被动零件相关的认证规格）认证，生产标准苛刻。因此，未来MLCC的高可靠度要求也将会不断提升。

        高压化

        随着电源装置电路设计上的演进，LED照明部分需求有望上升，3~4KV的高压电容需求将持续增加。

        贱金属化

        一直到1995年，绝大多数的MLCC都使用钯-银合金或纯金属钯贵金属内电极（PME），这种电极材料成本较高，随着MLCC层数的增多，内电极面积也不断增加，采用Ni、Cu等贱金属内电极（BME）替代贵金属，可以大大降低成本。

        环保化

        随着环保意识的不断提高，MLCC要求开发不含铅等有害物质的陶瓷介质材料（如钛酸钡系）以及无铅焊料。