多层片式瓷介电容器一站解决方案
来源: | 作者:BALAB | 发布时间: 335天前 | 131 次浏览 | 分享到:
佰力博检测(www.balab-t.com)是佰力博旗下一家专门从事功能材料电性能检测的第三方检测机构,凭借10年多的功能材料电性能检测设备的研发经验和技术优势,可以为新材料产业提供一站式电性能检测表征整体技术解决方案。

为了满足电子整机不断向小型化、大容量化、高可靠性和低成本的方向发展。多层片式电容器也随之迅速向前发展:种类不断增加,体积不断缩小,性能不断提高,技术不断进步,材料不断更新,轻薄短小系列产品已趋向于标准化和通用化。其应用逐步由消费类设备向投资类设备渗透和发展。移动通信设备更是大量采用片式元件。

片式电容具有容量大,体积小,容易片式化等特点,是当今通讯器材、计算机板卡及家电遥控器及中使用最多的元件之一。随着SMT的迅速发展,其用量越来越大,仅每部流动电话中的用量就达200个之多。因此,片式多层瓷介电容器2002年全球量达4000亿只,最小尺寸为0402 ,甚至0201。

随着世界电子信息产业的迅速发展,片式电容的发展方向呈现多元化。(1)为了适应便携式通信工具的需求,片式多层电容器也正在向低压大容量、超小超薄的方向发展。(2)为了适应某些电子整机和电子设备向大功率高耐压的方向发展(军用通信设备居多),高耐压大电流、大功率、超高Q值低ESR型的中高压片式电容器也是目前的一个重要的发展方向。 (3)为了适应线路高度集成化的要求,多功能复合片式电容器(LTCC)正成为技术研究热点。

一、什么是多层瓷介电容器

所谓片式多层瓷介电容器(MLCC)---简称片式电容器,是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片,再在芯片的两端封上金属层(外电极),从而形成一个类似独石的结构体,故也叫独石电容器。

片式电容器除有电容器 “隔直通交”的通性特点外,其还有体积小,比容大,寿命长,可靠性高,适合表面安装等特点。多层片式陶瓷电容器的结构主要包括三大部分:陶瓷介质,金属内电极,金属外电极。而多层片式陶瓷电容器它是一个多层叠合的结构,简单地说它是由多个简单平行板电容器的并联体。

二、瓷介的分类

陶瓷是一种质硬、性脆的无机烧结体,一般分为两大类:功能陶瓷和结构陶瓷。用来制造片式多层瓷介电容(MLCC)的陶瓷是一种结构陶瓷,是电子陶瓷,也叫电容器瓷。

电容器瓷根据国标按其温度特性分为两类:Ⅰ类电容器瓷(COG)和Ⅱ类电容器瓷(X7R、Y5V、Z5U)。

按其用途可以分为三类:①高频热补偿电容器瓷(UJ、SL);②高频热稳定电容器瓷(NPO);③低频高介电容器瓷(X7R、Y5V、Z5U)。

高频热补偿、热稳定电容器瓷属Ⅰ类瓷,其瓷料主要成分是MgTiO3、Ti9Ba2O20、BaTi4O9和Nd-Ba-Ti再加入适量的稀土类氧化物等配制而成。其特点是介电常数较小(10~100),介质损耗小(小于15×10-4),介电常数一般不随温度的变化而变化。高频热补偿电容瓷常用来制造负温产品,此类产品用途最广的地方就是振荡回路,像彩电高频头。大家知道,振荡回路都是由电感和电容构成,回路中的电感线圈一般具有正的电感温度系数。因此,为了保持振荡回路中频率(F=1/2π√ LC )不随温度变化而发生漂移,就必须先用具有适当的负温度系数的电容器来进行补偿。

低频高介电容器瓷属Ⅱ类瓷,是强介铁电陶瓷,一般是指具有自发极化特性的非线性陶瓷材料,其主要成份是钛酸钡(BaTiO3),其特点是介电系数特别高,一般数千,甚至上万;介电系数随温度呈非线性变化,介电常数随施加的外电场有非线性关系。

电极材料的基本知识:内外电极是电容器的重要组成部分。内电极主要是用来贮存电荷,其有效面积的大小和电极层的连续性是影响电容质量的两大因素。外电极主要是将相互平行的各层内电极并联,并使之与外围线路相连接的作用。片容的外电极就是芯片端头。

三、瓷介电容器的常用电极

用来制造内外电极的材料一般都是金属材料。

1)内电极材料

大家知道,片式电容的内电极是通过印刷而成。因此,内电极材料在烧结前是以具有流动性的金属或金属合金的浆料的形式存在,故叫内电极浆料,简称内浆。

2)端电极材料

端电极起到连接瓷体多层内电极与外围线路的作用,其对片容最大的影响主要表现在芯片的可焊与耐焊性能方面。我们目前有两种基本形式:

(1)纯银端电极。

(2)三层电极,常用的有Ag-Ni-Sn、Ag-Ni-Au、Cu-Ni-Sn(BME)共三层。

四、片式电容器的一般电性能有哪些

在交变电压的作用下,电容器并不是以单纯的电容形式出现,它除了具有电容量以外,还存在一定和电感和电阻。在频率较低时,它们的影响很小可以不予考虑;随着工作频率的得高,电感和电阻的影响不能忽视,严重时可能会使电容器失去作用。因此,我们一般用四个主要的参数来衡量片式电容的一般电性能:电容量(Capacitance)、损耗角正切(Dissipation Factor)、绝缘电阻(Insulation Resistance)、耐电压(Dielectric Withstanding Voltage)。

1)电容量的定义

电容量的大小表示电容器贮存电荷的能力。一般用HP电桥测试。两层平行金属极板中的陶瓷介质为什么能贮存电荷能?这是因为陶瓷介质具有一种特殊的物理特性:电极化(简称极化)。从电学的角度来看,一般导体,例如金属和电解质,其原子和分子对周围电子的束缚力很小,我们称这些电子为自由电子(或叫自由电荷)。在电场的作用下,自由电子将沿电场力的方向作定向运动,形成电流。但在陶瓷介质中,原子、分子中正负电荷却以其价健或离子健的形式存在,相互间强烈地束缚着,我们称之为束缚电荷。在电场的作用下,这些正负电荷只能作微观尺度上相对位移。由于电荷的相对位移,在原子、分子中就产生了感应偶极矩,我们称之为极化。在外电场的作用下,偶极分子将沿电场方向定向偏转,从而在陶瓷介质的表面形成相应的感应电荷。从而电荷就被贮存在电容器中。

片式电容器的电容量除了由它本身的设计与材料特性所决定外,在很大程度下同它的测试条件、温度、电压和频率有很大的关系。对于Ⅰ类电容器(COG),其电性能受上述因素的影响相对较小,但对于Ⅱ类电容器(X7R、Z5U、Y5V),其电性能受上述因素的影响相对较大。

2)损耗(DF)和品质因数(Q)

在外加电压作用下,单位时间内因发热而消耗的能量,叫电容器的损耗。理想的电容器把从电源中得到的能量,全部贮存在电容器有介质中,不发生任何形式的能量消耗,事实上电容器在外加电压的作用下是要消耗能量的,介质漏电流,缓慢极化(电偶极矩在电场作用下发生偏转),内外电极金属部位的等效电阻都会消耗一部分能量,形成电容器的损耗。过高的电容器损耗会产生热量使电容器温度升高,造成电路工作状态不稳定,加速电容器的老化。

电容器的好坏并不能单以电容器的消耗能量的多少来定论,因此,一般用电容器的损耗角正切来表示。电容器的损耗角正切是指在一定频率的正弦电压作用下,消耗在电阻上的有功功率和贮存在电容器中的无功功率的比值。因此,其是一个无单位的量。即:

Tgδ =有功功率/无功功率

介质损耗同电容量一样,在实际使用中同温度、工作频率、电容器两端所加的电压有很大的关系。

电容器的品质因素(Q)和等效串联电阻ESR: 在高频电路中,由于频率较高,电容器所测量出来的介质损耗已经很小,不便于参考。因此,为了更好地了解它的高频特性,我们更关心的是它的品质因素Q值和在高频低下所表现出来的等效串联电阻ESR(Equivalent Series Resistance)。

Q值就是介质损耗DF的倒数。即:Q = 1/DF。随着目前信号使用频率的增高、功率的增加,高Q和超高Q的产品需求越来越多。同样,Q值同ESR有着直接的关系,一般高Q即具备低ESR的特性。

在电容中所有损耗的总合叫做电容的等效串联电阻ESR,一般它用毫欧姆来表示。ESR的损耗由介质损耗(Rsd)和金属损耗(Rsm)两部分组成。ESR = Rsd + Rsm;金属损耗( Rsm)则取决于电容构造中所有金属性物质的传导特性。这包括内电极,端电极等。介质损耗在低频率下是主要的,而在高频时则很小,金属损耗则与之相反。当频率越高时,金属损耗就表现出”趋肤效应”。因此,在设计时,高频下我们应考虑ESR和Q值对电路设计的影响;低频下应考虑损耗(DF)对电路设计的影响。

3)绝缘电阻R

完全不导电的绝缘体是没有的。在电介质中通常或多或少存在正、负离子,这些离子在电场作用下将定向迁移,形成离子电流,我们称之为体内漏电流。通常,在电容器的表面,也会或多或少地存在正负离子,这些离子在外电场的作用下,会发生定向迁移,形成表面漏电流。因此,电容器的漏电流是陶瓷介质中体内漏电流与芯片表面的漏电流两部分组成。我们把加在介质两端的电压和漏电流之比称之为介质的绝缘电阻。

由上可知,电容器的绝缘电阻等于表面绝缘电阻与体内绝缘电阻相并联而成。因此,电容器的绝缘电阻除了同其本身所固所介质特性外,同外界环境温度、湿度等有很大的关系。

温度对绝缘电阻的影响主要表现在温度升高时,瓷介的自由离子增多,漏电流急剧增加,介质绝缘电阻迅速降低。但防潮不好的小容量电容器表面漏电流较大,随着温度的升高,表面潮气蒸发,表面绝缘电阻上升。

湿度对电容器电性能影响最大,会因表面吸潮使表面绝缘电阻下降。

4)阻抗频率特性

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1jwC,所以简化公式为:

其中1/jwC为容抗,jwL为感抗,Resr为等效串联电阻。很容易看出,在频率比较低(w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。

4)耐电压(DWV)

电容器的耐电压性能就是指电容器的陶瓷介质在工作状态中能够承受的最大电压,即击穿电压,也就是电容器的极限电压。电容器的标称电压即电容器的工作电压,标称电压一般是相对于直流来说的。而电容器的耐电压常规也是相对直流来说的,但有时也常用交流来表示。一般来说,电容器的标称电压远远低于其瓷介的耐电压。因为,在实际的工作过程中,电容器除了两端时时要承受的直流电压外,另外常有脉冲交流电压存在,而这个交流电压的峰值常常远远高出工作过程中的直流电压。

5)老化

Ⅱ类陶瓷介质的电容器,其容量和介质损耗会随时间发生衰减,这种现象就是老化。其具体原理如下:因为Ⅱ类电容器一般具有铁电特性,并呈现一个居里温度。介质在这个温度以上具有高度对称的立方晶体结构,而低于居里温度时,立方晶体结构的对称性高降低。即使在单位体内这种状态的转变也是很明显的。在实际陶瓷中通常被扩大到一个有限的温度范围之内,但在所有的情况下,它是电容量/温度曲线上的某一个峰值。因此,对于此类电容器,存在一个老化的现象。在热波动的影响下,在介质冷却至居里温度之后,在一段很长时间的内,晶体点阵中的离子会连续移动到势能较小的位置,这就引起了电容器的老化现象。从此电容器的电容量不断减小。但如果将电容器加热至高于居里温度的某一个温度,则就会起到消除老化的作用,即通过老化而使电容量减小的部分恢复,而在电容器冷却时,会重新开始老化;

五:综合电性能测试

结合以上多层瓷介电容的器的描述;通常对以下性能进行测试检验,具体见表1;

1 常见的测试功能

序号

测试类型(服务)

作用描述

1

电容温度曲线测试

温度是影响电容器电容量的一个重要因素,我们把电容量同温度的这种关系特性叫收电容器的温度特性(Temperature Coefficient)。一般说来,对于较为稳定的Ⅰ类电容器,其影响相对较小,几乎没有变化,故我们用PPM/℃来表示它的容量变化率;对于Ⅱ类电容器,其影响相对较大,故我们用”%”来表示它的容量变化率。

2

DC偏压测试

在电路的实际应用中,电容器两端可能要放加一个直流电压,我们把电容器的这种情况下的特性叫做直流偏压特性。目前直流偏压特性较好的材料有BX。这种材料是在通过对X7R材料改性而得来。另外也可以通过增加介质厚度的方法,取得较好的电容器偏压特性。

3

AC幅值测试

Ⅰ类电容器的交流特性比较好,基本不随施加电压的变化而变化。但是,对于Ⅱ类电容器,其容量基本是随所加电压的升高而加速递升的,特别X7R此特性比较明显。

4

电容频率曲线测试

Ⅰ类电容器其应用频率的增加,它的容值不会有什么变化,但对于Ⅱ类电容器,容值下降较为明显

5

绝缘介质耐电压(DWV)测试

电容器的耐电压性能就是指电容器的陶瓷介质在工作状态中能够承受的最大电压,即击穿电压,也就是电容器的极限电压。

6

绝缘电阻R测试

电容器的绝缘电阻等于表面绝缘电阻与体内绝缘电阻相并联而成。因此,电容器的绝缘电阻除了其本身所固所介质特性外,同外界环境温度、湿度等有很大的关系。

温度对绝缘电阻的影响主要表现在温度升高时,瓷介的自由离子增多,漏电流急剧增加,介质绝缘电阻迅速降低。但防潮不好的小容量电容器表面漏电流较大,随着温度的升高,表面潮气蒸发,表面绝缘电阻上升。湿度对电容器电性能影响最大,会因表面吸潮使表面绝缘电阻下降

 

7

电容器的品质因素(Q)等效串联电阻ESR测试

在高频电路中,由于频率较高,电容器所测量出来的介质损耗已经很小,不便于参考。因此,为了更好地了解它的高频特性,我们更关心的是它的品质因素Q值和在高频低下所表现出来的等效串联电阻ESR(Equivalent Series Resistance)。

8

阻抗频率特性测试

在频率比较低(w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。