电容基础知识(贴片电容及其应用)

电容基础知识(贴片电容及其应用)

片式电容具有容量大,体积小,容易片式化等特点,是当今移动通信设备、计算机板卡以及家电遥控器中使用最多的元件之一。为了满足电子设备的整机向小型化、大容量化、高可靠性和低成本方向发展的需要,片式电容本身也在迅速地发展: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。其应用正逐步由消费类设备向投资类设备渗透和发展。

此外,片式电容还在朝着多元化的方向发展:①为了适应便携式通信工具的需求,片式电容器正向低电压、大容量、超小和超薄的方向发展。②为了适应某些电子整机(如军用通信设备)的发展,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正成为技术研究热点。

1 片式叠层陶瓷介质电容器

在片式电容器里用得最多的是片式叠层陶瓷介质电容器。

片式叠层陶瓷电容器(MLCC),简称片式叠层电容器(或进一步简称为片式电容器),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,如图1所示。

图1表明,片式叠层陶瓷电容器是一个多层叠合的结构,其实质是由多个简单平行板电容器的并联体。因此,该电容器的电容量计算公式为

C=NKA/t

式中,C为电容量;N为电极层数;K为介电常数(俗称K值);A为相对电极覆盖面积;t为电极间距(介质厚度)。

由此式可见,为了实现片式叠层陶瓷电容器大容量和小体积的要求。只要增大N(增加层数)便可增大电容量。当然采用高K值材料(降低稳定性能)、增加A(增大体积)和减小t(降低电压耐受能力)也是可以采取的办法。

这里特别说一说介电常数K值,它取决于电容器中填充介质的陶瓷材料。电容器使用的环境温度、工作电压和频率、以及工作的时间(长期工作的稳定性)等对不同的介质会有不同的影响。通常介电常数(K值)越大,稳定性、可靠性和耐用性能越差。

常用的陶瓷介质的主要成分是MgTiO3、CaTiO3、SrTiO3和TiO2再加入适量的稀土类氧化物等配制而成。其特点是介质系数较大、介质损耗低、温度系数小、环境温度适用范围广和高频特性好,用在要求较高的场合(I类瓷介电容器)中。

另一类是低频高介材料称为强介铁电陶瓷,常用作Ⅱ类瓷介电容器的介质,一般以BaTiO3为主体的铁电陶瓷,其特点是介电系数特别高,达到数千,甚至上万;但是介电系数随温度呈非线性变化,介电常数随施加的外电场也有非线性关系。

目前最常用的多层陶瓷电容器介质有三个类型:COG或NPO是超稳定材料,K值为10~100;X7R是较稳定的材料,K值为2 000~4 000;Y5V或Z5U为一般用途的材料,K值为5 000~25 000。在我国的标准里则分为I类陶瓷(C C 4和CC41)及Ⅱ类陶瓷(CT4和CT41)两种。上述材料中,COG和NPO为超稳定材料,在-55℃~+125℃范围内电容器的容量变化不超过± 30ppm/℃。

其余材料是按其工作温度的范围和电容量的变化率来命名的。详见表1。

几种常用的片式电容器的介质材料中:

X7R代表使用温度范围为-50℃至+125℃;在此范围内的电容量变化可达到±15%。

Z5U代表使用温度范围为+10℃至+85℃;在此范围内的电容量变化从-56%至+22%。

Y5V代表使用温度范围为-30℃至+85℃;在此范围内的电容量变化从-82%至+22%。

这些关系表明,在实际使用时,对片式电容器选择不能一味只考虑体积和价格,如果有使用的环境温度问题,还应当注意电容器的介质带来的电容量变化问题。图2画出了不同材质电容器电容量以及介质损耗随温度变化的曲线。