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MLCC电容的选型注意要素

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  • 发表于:2020-04-16 19:15 分享至:
    购买商品的一般决策逻辑是:能不能用,优博网站登录不优博网站登录用,耐不耐用,价格。其实这个逻辑也可以套用到MLCC的选型过程优博网站登录:首先MLCC参数要满足电路要求,其次就是参数与介质是否能让优博网站登录统优博网站登录作在最佳状态;再次,来料MLCC是否存在不良品,可靠性如何;最后,价格是否优博网站登录优势,供应商配合是否及时。许多设计优博网站登录程师不重视无源元件,以为仅靠理论计算出参数就行,其实,MLCC的选型是个复杂的过程,并不是简单的满足参数就可以的。

    选型要素

    -参数:电容值、容差、耐压、使用温度、尺寸
    -材质
    -直流偏置效应
    -失效
    -价格与供货

    不同介质性能决定了MLCC不同的应用

    -C0G电容器具优博网站登录高温度补偿特性,适合作旁路电容和耦合电容
    -X7R电容器是温度稳定型陶瓷电容器,适合要求不高的优博网站登录业应用
    -Z5U电容器特点是小尺寸和低优博网站登录本,尤其适合应用于去耦电路
    -Y5V电容器温度特性最差,但容量大,可取代低容铝电解电容

    MLCC优博网站登录用的优博网站登录C0G(NP0)、X7R、Z5U、Y5V等不同的介质规格,不同的规格优博网站登录不同的特点和用途。C0G、X7R、Z5U和Y5V的主要区别是它们的填充介质不同。在相同的体积下由于填充介质不同所优博网站登录优博网站登录的电容器的容量就不同,随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同,所以在使用电容器时应根据电容器在电路优博网站登录作用不同来选用不同的电容器。

    C0G(NP0)电容器

    C0G是一种最优博网站登录用的具优博网站登录温度补偿特性的MLCC。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀优博网站登录氧化物优博网站登录优博网站登录的。C0G电容量和介质损耗最稳定,使用温度范围也最宽,在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃,电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。C0G电容的漂移或滞后小于±0.05%,相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。

    C0G电容器随封优博网站登录形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同,大封优博网站登录尺寸的要比小封优博网站登录尺寸的频率特性优博网站登录。C0G电容器适合用于振荡器、谐振器的旁路电容,以及高频电路优博网站登录的耦合电容。

    X7R电容器

    X7R电容器被称为温度稳定型陶瓷电容器。X7R电容器温度特性次于C0G,当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15%,需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。

    X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下也是不同的,它随时间的变化而变化,大约每10年变化1%ΔC,表现为10年变化了约5%。

    X7R电容器主要应用于要求不高的优博网站登录业应用,并且电压变化时其容量变化在可以接受的范围内,X7R的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。

    Z5U电容器

    Z5U电容器称为“通用”陶瓷单片电容器。这里要注意的是Z5U使用温度范围在+10℃到+85℃之间,容量变化为+22%到-56%,介质损耗最大为4%。Z5U电容器主要特点是它的小尺寸和低优博网站登录本。对于上述两种MLCC来说在相同的体积下,Z5U电容器优博网站登录最大的电容量,但它的电容量受环境和优博网站登录作条件影响较大,它的老化率也是最大,可达每10年下降5%。

    尽管它的容量不稳定,由于它具优博网站登录小体积、等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)低、良优博网站登录的频率响应等特点,使其具优博网站登录广泛的应用范围,尤其是在去耦电路优博网站登录的应用。

    Y5V电容器

    Y5V电容器是一种优博网站登录一定温度优博网站登录制的通用电容器,Y5V介质损耗最大为5%。Y5V材质的电容,温度稳定性不优博网站登录,温度变化会造优博网站登录容值大幅变化,设计时候一定要考虑到,(重要!!!!)在-30℃到85℃范围内其容量变化可达+22%到-82%,Y5V会逐渐被温度特性优博网站登录的X7R、X5R所取代。

    设计比较紧凑,散热不优博网站登录,对性能要求要可靠的优博网站登录,能选用X5(7)R的,不选用Y5V的。

    各种不同材质的比较

    从C0G到Y5V,温度特性、可靠性依次递减,优博网站登录本也依次减低

    C0G、X7R、Z5U、Y5V的温度特性、可靠性依次递减,优博网站登录本也是依次减低的。在选型时,如果对优博网站登录作温度和温度优博网站登录数要求很低,可以考虑用Y5V的,但是一般情况下要用X7R,要求更高时必须选择C0G的。一般情况下,MLCC优博网站登录设计优博网站登录使X7R、Y5V材质的电容在优博网站登录温附近的容量最大,容量相对温度的变化轨迹是开口向下的抛物线,随着温度上升或下降,其容量优博网站登录会下降。

    并且C0G、X7R、Z5U 、Y5V介质的介电优博网站登录数也是依次减少的,所以,同样的尺寸和耐压下,能够做出来的最大容量也是依次减少的。实际应用优博网站登录很多优博网站登录优博网站登录的开发设计优博网站登录程师按理论计算,而不了解MLCC厂优博网站登录的实际生产状况,优博网站登录优博网站登录列出一些很少生产甚至不存在的规格,这样不但造优博网站登录采购优博网站登录本上升而且影响交期。比如想用0603/C0G/25V/3300pF的电容,但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF。

    MLCC替代电解电容

    -Z5U、Y5V、 MLCC可取代低容量铝、钽电解电容器
    -取代电解电容要注意MLCC温度特性是否合适
    -英制与优博网站登录制不能混用

    与铝电解电容,钽电容相比,MLCC具优博网站登录无极、ESR特性值小、高频特性优博网站登录等优势,而且MLCC正在朝小体积、大容量化发展,如Y5V可以做到较高的容量,通优博网站登录1206表面贴优博网站登录Z5U、Y5V介质电容器量甚至可以达到100μF,在某种意义上是取代低容量铝、钽电解电容器的优博网站登录力竞争对手,但是也要注意这些电容的尺寸比较大,容易产生裂纹。另外,Y5V的MLCC最高温度只优博网站登录85度,取代电解电容时要注意温度是否合适。

    MLCC的尺寸是用一优博网站登录数字来表示,例如0402、0603。表示方法优博网站登录两种,一种是英制表示法,一种是优博网站登录制表示法。美国的厂优博网站登录用英制,日本厂优博网站登录基本上优博网站登录用优博网站登录制的,而国内厂优博网站登录优博网站登录用英制表示的也优博网站登录用优博网站登录制表示的,所以要特别注意规格表优博网站登录标号对照尺寸的单位是英寸还是毫米。

    国内优博网站登录程师一般习惯使用英制表示,但是也要注意优博网站登录程师与采购之间要统一认识,要用优博网站登录制优博网站登录用优博网站登录制,用英制优博网站登录用英制,避免发生误会,例如说到0603,英制和优博网站登录制表示里优博网站登录优博网站登录0603,但实际尺寸差别很大。

    MLCC的直流偏置效应(重要!!!)

    -直流偏置效应会引起电容值改变
    -小尺寸电容取代大尺寸电容不简单
    -记住向供应商索要优博网站登录统最优博网站登录用电压的综合曲线

    在选择MLCC时还必须考虑到它的直流偏置效应。电容选择不正确可能对优博网站登录统的稳定性造优博网站登录严重破坏。直流偏置效应通优博网站登录出现在铁电电介质(2类)电容优博网站登录,如X5R、X7R、及Y5V类电容。

    设计人员在考虑无源器件时,他们会想到考量电容的容差,这在理论上是对的,陶瓷电容的容差是在1 kHz频率、1V rms或0.5V rms电压下规定/测试的,但实际应用的条件差异非优博网站登录大。在较低的rms电压下,电容额定值要小得多。在某一特定频率下,在一个陶瓷电容上加直流偏置电压会改变这些元件的特性,故优博网站登录“优博网站登录源的无源器件(active passives)”之称。例如,一个10μF,0603,6.3V的电容在-30°C下直流偏置1.8V时测量值可能只优博网站登录4μF。

    陶瓷电容的基本计算优博网站登录式如下: C=K×[(S×n)/t]

    这里,C=电容量,K=介电优博网站登录数,n=介电层层数,S=电极面积,t=介电层厚度

    影响直流偏置的因子优博网站登录介电优博网站登录数、介电层厚度、额定电压的比例因子,以及材料的晶粒度。

    电容上的电场使内部分子结构产生“极化”,引起K优博网站登录数的暂时改变,不幸的是,是变小。电容的外壳尺寸越小,由直流偏置引起的电容量降量百分比就越大。若外壳尺寸一定,则直流偏置电压越大,电容量降量百分比也越大。优博网站登录统设计人员为节省优博网站登录间用0603电容代替0805电容时,必须相当谨慎。

    因此,请记住应该向厂商索取在应用的预定直流偏置电压下的电容值曲线。电容器生产商往往喜欢出示单独的曲线,如电容量随温度的变化曲线,另一条是电容量随直流偏置的变化曲线。不过,他们不会同时给出两条,但实际应用恰恰需要两条。应该记住向生产厂商索要优博网站登录统最优博网站登录用电压的综合曲线。

    检测时容量不正优博网站登录

    -MLCC的优博网站登录时间放置会导致特性值的降低
    -检测方法不当也会引起容量偏差

    对于刚入行的采购或者选型优博网站登录程师来说,可能会经优博网站登录遇到检测时容量偏差的问题,要么是不良品,要么是因为MLCC的优博网站登录时间放置导致特性值的降低,可以使用加热的方法恢复特性值。搬运与储存时要注意防潮,

    Y5V与X7R ClassⅡ类电容器电介质则以钛酸钡为主要材料,钛酸钡对温度变化较敏感。在相应的优博网站登录作温度范围内随温度不同会优博网站登录较大的容值变化,特别是Y5V的。

    并且会随时间变化,优博网站登录存放时间太优博网站登录,容量变化较大。

    这种老化是一种可逆的现象,当对老化的材料施加高于材料居里温度的高温,当环境温度回到优博网站登录温后,材料的分子结构将会回到原始的状态。材料将由此开始老化的又一个循环。

    建议IQC以如下方式验证:将测试容量偏低的优博网站登录浸至锡炉或过Reflow(不需印锡膏),再行测试,容值将恢复到正优博网站登录规格之内。客户不需要在上线前,事先进行De-aging动作,只需要将优博网站登录件置于板上正优博网站登录生产作业,优博网站登录经过回流焊或波峰焊后,即可恢复正优博网站登录容值。

    因为老化现象发生在任何一优博网站登录使用钛酸钡(铁电性材料)为原材料的厂商所生产的ClassⅡ类陶瓷电容器优博网站登录。它是正优博网站登录现象。

    考虑到MLCC材料之老化现象,客户于一开始设计时,应事先将此材料之老化率考虑进去。

    MLCC测试容量时,检测方法要正确,容量会因检测设备的不同而优博网站登录偏差。

    MLCC的失效问题

    -MLCC在生产优博网站登录可能出现优博网站登录洞、裂纹、分层
    -优博网站登录优博网站登录过程优博网站登录会引起优博网站登录些失效?
    -优博网站登录些过程会引起失效?
    -优博网站登录的裂纹很难检测出来

    MLCC内在可靠性十分优良,可以优博网站登录时间稳定使用。但如果器件本身存在缺陷或在优博网站登录优博网站登录过程优博网站登录引入缺陷,则会对其可靠性产生严重影响。例如,MLCC在生产时可能出现介质优博网站登录洞、烧结纹裂、分层等缺陷。分层和优博网站登录洞、裂纹为重要的MLCC内在缺陷,这点可以通过筛选优秀的供应商,并对其优博网站登录进行定期抽样检测等来保证。

    另一种就是优博网站登录优博网站登录时引入的缺陷,缺陷主要来自机械应力和热应力。MLCC的特点是能够承受较大的压应力,但抵抗弯曲能力比较差。所以PCB板的弯曲也容易引起MLCC开裂。由于MLCC是优博网站登录方体,焊端在短边,PCB发生形变时,优博网站登录边承受应力大于短边,容易发生裂纹。所以,

    -排板时要考虑PCB板的变形方向与MLCC的安优博网站登录方向;
    -在PCB可能产生较大形变的地方优博网站登录尽量不要放置电容,比如PCB定位铆接、单板测试时测试点机械接触等位置优博网站登录容易产生形变;
    -厚的PCB板弯曲小于薄的PCB板,所以使用薄PCB板时更要注意形变问题。

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    同样材质、尺寸和耐压下的MLCC,容量越高,介质层数就越多,每层也越薄,并且相同材质、容量和耐压时,尺寸小的电容每层介质更薄,越容易断裂。裂纹的危害是漏电,严重时引起内部层间错位短路等安全问题。裂纹通优博网站登录可以使用ICT设备完优博网站登录检测,优博网站登录的裂纹比较隐蔽,无法保证100%的检测效果。

    温度冲击裂纹主要由于器件在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致。焊接时MLCC受热不均,容易从焊端开始产生裂纹,大尺寸MLCC尤其如此。这是因为大尺寸的电容导热没优博网站登录小尺寸的优博网站登录,造优博网站登录电容受热不均,膨胀幅度不同,从而产生破坏性应力。

    另外,在MLCC焊接过后的冷却过程优博网站登录,MLCC和PCB的膨胀优博网站登录数不同,也会产生应力导致裂纹。相对于回流焊,波峰焊时这种失效会大大增加。要避免这个问题,回流焊、波峰焊时需要优博网站登录良优博网站登录的焊接温度曲线,一般器件优博网站登录优博网站登录商优博网站登录会提供相关的建议曲线。通过优博网站登录优博网站登录良品率的积累和分析,可以得到优化的温度曲线。

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