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PCBA大講堂:多層陶瓷電容(MLCC)的基本原理

發(fā)布時間 :2016-07-20 09:43 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCBA部
PCBA大講堂:多層陶瓷電容(MLCC)的基本原理
我們都知道,電容就是可以儲存電量的容器,而電容的基本原理就是使用兩片互相平行但未接觸在一起的金屬,中間以空氣或是其他材料作為為絕緣物,將兩片金屬的一片接在電池的正極,另一片接在負極,金屬片上就能儲存電荷,這種能儲存電荷的裝置就稱為【電容器】。不過本文最主要在闡明MLCC(多層陶瓷電容)
 
如下圖所示,當兩金屬片間之電位差為1V,儲存之電荷量為1庫倫時,電容器的容量就是1法拉(Farad),以公式表示如下:C = Q / V
Q:金屬片上儲存的電荷量,單位為庫倫。
V:金屬片間的電壓,單位為伏特。
C:電容器的容量,單位為法拉。
電容器原理
所以電容器的容量與金屬片的面積成正比,但是與兩金屬片之間的距離成反比,并且與金屬片之間的絕緣介電質(zhì)(dielectric)常數(shù)有關。電容可以用下面的公式表下:
C = εA / L 
(A:金屬片的電及面積;L:金屬片電極間的距離;ε:電極間絕緣物的介電常數(shù))。
 
多層陶瓷電容的原理:
而多層陶瓷電容(MLCC,Multi-Layer Ceramic Capacitor)因為可以作成薄片,比起「電解電容」在同樣的體積下MLCC可以大大提昇其電容器的容量。
MLCC的電容量公式可以如下表示:
電容器原理
C:電容量,以 F (法拉) 為單位,而MLCC 之電容值 以 PF, nF,和 µF 為主。
ε:電極間絕緣物的介質(zhì)常數(shù),單位為法拉/公尺。
K:介電常數(shù) (依陶瓷種類而不同)
A:導電面積 (產(chǎn)品大小及印刷面積而不同)
D:介電層厚度 (薄帶厚度)
n:層數(shù) (堆迭層數(shù))
多層陶瓷電容(MLCC)的基本原理
 
MLCC產(chǎn)品種類及規(guī)格介紹:
1、依照【溫度】特性分類:電容值隨溫度變化情形,可分為 COG(NPO)、X7R、Z5U、Y5V 等。 
COG為EIA標淮,其表示溫度從 -55°C到125°C電容值變化(以25°C之電容值為基淮),COG為 +/- 30ppm/°C 。 
NPO為COG一般常用之稱乎,N為「負(negative)」,P表「正(positive)」,O表「零」,表示此電容器在使用溫度范圍中, 其電容變化量很小幾乎為零。 
X7R:表示-55°C(X)~125°C(7)其容量變化(以25°C為基淮)必須 ±15%(R) 以內(nèi)。 
Y5V:表示-30°C(Y) ~到 85°C(5) 其容量變化(以25°C為基淮)必須在+22~82%(V)以內(nèi)。 
以下是MLCC的溫度特性代表符號,僅供參考: 
MLCC容值
2、依照MLCC產(chǎn)品【尺寸】的大小分類:0402 ; 0603 ; 0805 ; 1206 等。 
MLCC尺寸大小定義
3、依照【電容量】來區(qū)分:如 10 PF, 100P, 1nF, 1 µF, 10 µF 等。
4、依照【工作電壓】區(qū)分:如 10V, 16V, 25V, 50V, 100V, 200V, 500V, 1KV, 2KV, 3KV。同一系列的產(chǎn)品, 其工作電壓越高,則其介電層厚度就必須越厚, 相對的其電容值也就較低。 
例如:Y5V/0603/100nF產(chǎn)品 其工作電壓可達25v(堆迭層數(shù):約20 層, 介電層厚:12 µm);Y5V/0603/1µF產(chǎn)品 其工作電壓只有10v(堆迭層數(shù): 約76層, 介電層厚:7 µm) 。
5、依照【容值允差】區(qū)分:如 ±0.1pF(B值)、±0.25pF(C值)、±0.5pF(D值)、±1%(F值)、±2%(G值)、±5% (J值)、±10%(K值)、±20%(M值)、 -20%~+80%(Z值)。
所以,一個完整的 MLCC 產(chǎn)品在規(guī)格描述上至少必須包括以上的全部特性。 
例如 :< NPO/0603/100PF/J/50V> 
表示此產(chǎn)品的規(guī)格為:NPO材質(zhì)、0603尺寸、100PF容值、容值允差為±5%、耐壓為50V。
 
MLCC的制造流程:
MLCC本體的介電材料,以鈦酸鋇、 氧化鈦、鈦酸鎂、 鈦酸鍶…等為主,依據(jù)產(chǎn)品的種類(NPO, X7R, Y5V)決定不同的燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛。
MLCC內(nèi)、外電極材料列表:
MLCC內(nèi)外電極材料
一、厚膜積層技術 :
生胚成形:帶狀生胚,厚度: 5µm – 25 µm。
電極印刷:導電電極印刷, 依尺寸。
迭層技術:4 – 250 層。
切割技術:Knife cutting, Laser cutting, Sawing。
二、陶瓷共燒技術:
陶瓷及金屬電極材料:使用匹配的材料。
本體燒結(jié)技術:溫度 (950~1300°C)及氣氛控制 (空氣,氮/氫 混合氣)。
端電極技術:高溫燒附(750~900°C) 及氣氛控制 (銅電極)。
電鍍技術 (鍍鎳, 錫/鉛), 純錫電鍍。
MLCC之制造流程大致如下:
MLCC制造流程圖解
MLCC以材料特性又分為NME(Noble Metal Electrode,貴金屬電極)及BME(Base Metal Electrode,卑金屬電極)兩種制程技術,其生成運用的特性也稍有不同。NME比較穩(wěn)定,經(jīng)常作為耐高壓的產(chǎn)品,價錢也比較貴;BME則屬于低成本的產(chǎn)品,允差比較大,一般用在比較不挑剔的產(chǎn)品上。
MLCC-BME及NME之制程技術
MLCC的最大問題是太過脆弱,一個使用或處理不小心就容易出現(xiàn)破裂(crack)的情形發(fā)生,所以一般MLCC出廠時都會特別注明如何handle這些嬌客。焊接或是解焊時還得注意不要對其本體產(chǎn)生應力,否則它就會「破」給你看。參考下面兩篇文章應該可以給你一些關于MLCC破裂的知識: 
MLCC多層陶瓷電容破裂的可能原因 
陶瓷電容(MLCC)落下后破裂并掉落分析(應力)


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