陶瓷电容选型指导

目录1.目的...........................................................22.适用范围.......................................................23.陶瓷电容器知识介绍..............................................2（1）陶瓷电容器简单介绍..........................................................................................2（2）陶瓷电容的分类..................................................................................................3（3）陶瓷电容的封装..................................................................................................6（4）陶瓷电容的材料特性..........................................................................................6（5）陶瓷电容的制造工艺和内部结构......................................................................74.陶瓷电容主要性能参数介绍........................................85.陶瓷电容的失效.................................................13（1）陶瓷电容的失效模式........................................................................................13（2）电容器失效案例介绍........................................................................................14（3）其它电容器失效案例（见下附件）................................................................176.陶瓷电容选型说明...............................................177.拓展部分......................................................21技术文件陶瓷电容设计选型指导技术文件修正日期：版本：A版页数：第2页共22页1.目的提升技术人员对陶瓷电容器件的了解水准，并通过后续不断升级和完善,可形成具有实际指导性的文件；避免电路设计不匹配，器件选型，器件替代错乱等。2.适用范围本指导书适用于对陶瓷电容的知识学习，设计选型参考及替代。3.陶瓷电容器知识介绍（1）陶瓷电容器简单介绍陶瓷电容器是电介质为陶瓷体（如ABO3型的BaTiO3材料）的一类电容器。二十世纪初意大利的隆巴迪发明了陶瓷介质电容器；30年代末人们发现在陶瓷中添加钛酸盐可使其介电常数成倍地增长,从而可以制造出较便宜的瓷介质电容器；40年代初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在体积小、精度要求又极高的军事用电子设备当中；陶瓷叠片电容器则于1960年左右才作为商品开始开发。到了1970年，陶瓷电容随着混合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,现在陶瓷介质电容器的市场份额约占电容器市场的70%左右，其具有价格低、特性范围宽、容积效率高以及使用频率高等特点。目前陶瓷电容器的材料主要使用TiO2(二氧化钛)、BaTiO3（钛酸钡）,CaZrO3(锆酸钙)等。和其它的电容器相比陶瓷电容器具有体积小、容量大、耐热性好、适合批量生产等优点，缺点是机械强度低，容易碎裂。技术文件陶瓷电容设计选型指导技术文件修正日期：版本：A版页数：第3页共22页（2）陶瓷电容的分类陶瓷电容器根据不同的特性，可以分为很多类：根据频率，可以分为高频（CC型，也可称Ⅰ型）和低频(CT型，也可称Ⅱ型).根据功能特性，可分为温度补偿型（CC型）、高诱电型（CS型）半导体型（CT型）.根据介质材料、温度特性，一般可分为三类：Ⅰ类NPO或COG（国内叫CC型）Ⅱ类X5R、X7R或Y5P（国内叫CT型）Ⅲ类Y5V或Z5U（国内叫CS型）Ⅰ类（也可称高频陶瓷电容器）是用介质损耗小，绝缘电阻高，介电常数随温度呈线性变化的陶瓷介质制作的电容器。此类电容适用于损耗小和要求电容量极其稳定的高频电路，还可用于谐振回路、温度补偿等，其电性能最稳定，基本上不随温度、电压和时间的变化而改变，变化率一般是以ppm/℃来表示，其介电系数400左右，故电容量不能做的很大（一般在100PF以下）。它的填充介质一般由铷、钐和其它的一些稀有氧化物组成。Ⅱ类（与Ⅲ类统称为低频陶瓷电容器）是用铁电陶瓷做介质的电容器，这类电容比容大，损耗比较大，电气性能较稳定，随温度、电压和时间的变化并不显著，适用于隔直、耦合、旁路与对容量要求不高的电路，其介电系数较大（可达1200），故电容量可做的很大，相同的体积，其容值比Ⅰ类的大20～70倍，其容量随温度的变化率为约±15%。Ⅲ类也是用铁电陶瓷做介质的电容器，此类电容比容较Ⅱ类要大，容量和损耗对温度、电压很敏感，稳定性很差。但其等效串联电阻（ESR）和等效串联电感(ESL)低，具有良好的频率响应，主要应用在退耦电路中，其介电系数更大（可达1000～12000），故其容量可做的更大，相同的体积，其容值可做到Ⅱ类的5倍。其容值随温度的变化率为-82%～技术文件陶瓷电容设计选型指导技术文件修正日期：版本：A版页数：第4页共22页+22%。如表（1）、（2）为各种材质字母所代表的温度特性的含义（参考标准EIA-198-D）表（1）Ⅰ类温度系数分类代码第一位第二位第三位Ⅰ类温度系数的有效数字有效数字的倍乘随温度变化的容差（ppm/℃）C0.00-1G±30M1.01-10H±60P1.62-100J±120R2.23-1000K±250S3.35+1L±500T4.76+2M±1000U7.57+3N±25008+1000备注说明由于Ⅰ类性能稳定，基本不随温度而变化，所以它的温度变化率很小，一般用ppm/℃来表示。例如：电容材质为S2H的温度特性：S表示温度系数的有效数字为3.32表示有效温度系数的倍乘即：3.3*（-100）=-330H表示随温度的容差为±60ppm/℃所以S2H的温度特性就是-330±60ppm/℃表（2）Ⅱ类、Ⅲ类温度系数分类代码第一位第二位第三位Ⅱ类、Ⅲ类最低工作温度(℃)最高工作温度(℃)容值变化率(%)X-554+65A±1.0Y-305+85B±1.5Z+106+105C±2.27+125D±3.38+150E±4.7技术文件陶瓷电容设计选型指导技术文件修正日期：版本：A版页数：第5页共22页F±7.5P±10R±15S±22T+22/-33U+22/-56V+22/-82备注说明例如：电容材质为X7R的温度特性:X表示最低温度为-55℃7表示最高温度为+125℃R表示容值的变化率为±15%所以X7R的温度特性为工作温度在-55℃～+125℃范围内，其容值变化率为±15%。表（3）为几种常用陶瓷电容的特性对比：表（3）常用材质容量范围材质特点适合电路温度范围（℃）温度特性（%）老化特性（%）NPO（COG）小介电系数小、损耗小、性能最稳定高频、稳定性要求高的谐振回路、温度补偿等电路-55～125＜30PPM/℃/X7R相同规格比NPO大20～70倍介电系数较大，损耗较大，电性能较稳定隔直、耦合稳定性要求不高的低频电路-55～125±1510年约1%X5R-55～85±15Y5P-30～85±10Y5V相同规格比X5R/X7R大5倍介电系数最大，损耗、电性能不稳定，ESL和ESR低退耦-30～85+22/-82/Z5U10～85+22/-5610年下降5%技术文件陶瓷电容设计选型指导技术文件修正日期：版本：A版页数：第6页共22页（3）陶瓷电容的封装表（4）为贴片电容常用的封装描述。表（4）EIA(inch)国标（mm）长宽高040210051.0±0.100.5±0.100.25±0.15060316081.6±0.150.8±0.150.35±0.15080520122.0±0.201.25±0.200.5±0.25120632163.2±0.201.6±0.200.5±0.25121032253.2±0.202.5±0.200.5±0.20181248324.5±0.303.2±0.200.6±0.35222556655.6±0.256.5±0.400.64±0.40备注说明1812及以上的封装，由于体积较大，在加工过程中容易受温度和机械应力而产生不良，目前在我司禁用(华为要求)。（4）陶瓷电容的材料特性陶瓷是个绝缘体，而作为电容器介质用的陶瓷除了具有绝缘特性外，还有一个重要的特性，就是极化，即在外电场的作用下，正负电荷会偏离原有的位置，从而表现出正负两个极性，绝缘体的极化特性一般用介电常数ε来表示，即介质的κ值。下表（5）为几种材料的介质常数，图（1）为陶瓷电容的极化图。表（5）介质介质常数值真空1.0空气1.004BaTiO3（钛酸钡）400左右铁电陶瓷1000～12000图(1)技术文件陶瓷电容设计选型指导技术文件修正日期：版本：A版页数：第7页共22页（5）陶瓷电容的制造工艺和内部结构a、陶瓷电容的制造工艺多层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，即由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，烧结成整体，然后是电极制造，引线焊接，涂覆，包封。工艺流程参考如下（图（2））：瓷浆备制流延成膜丝网叠印层压切割排胶烧结电极制造引线焊接涂覆（电镀）包封。图（2）以下为主要的加工步骤：①.原料经过煅烧、粉碎与混合后，达到一定的颗粒细度（越细越好）,然后根据电容器的各种结构形状，进行陶瓷介质坯件成型。②.对成型好的瓷坯进行高温处理，使其成为具有高机械强度，优良电气性能的瓷体。烧成温度一般在1300℃以上，高温保持时间要控制恰当，高温保持时间过短，会造成“生烧”（指材料反映不完全彻底，影响整个坯体结构，且造成电性能恶化）；高温保持时间过技术文件陶瓷电容设计选型指导技术文件修正日期：版本：A版页数：第8页共22页长，会造成“过烧”（指坯体起泡变形以及晶粒变大而造成性能恶化）。b、陶瓷电容的内部结构最简单的陶瓷电容，是由一个绝缘的中间介质层外加两个导电的金属电极构成，其主要包括三大部分：陶瓷介质、金属内电极和金属外电极。一般的片状陶瓷电容器是一个多层叠合的结构，简单的可以理解为由很多个单层的电容器并联构成，如下图为陶瓷电容内部结构图，其内部电极一般为Ag或AgPd，陶瓷介质一般为BaTiO3（钛酸钡）；多层陶瓷通过高温烧结而成，器件端头（目前主要使用的是Cu材料）镀层一般为Ag/AgPd,然后制备一层Ni阻挡层（以阻止内部Ag/AgPd材料，防止其和外部的Sn发生反应），再在Ni层上制备Sn或SnPd层用以焊接。如图（3）为片状陶瓷电容内部结构图：图（3）4.陶瓷电容主要性能参数介绍（1）电容量电容量（简写C）指电容器设计所确定的和通常电容器所标出的电容量值，电容量的大小是表示电容器储存电荷的能力，其公式为：C=εS/d=4πkd=Q/U,在国际单位制里的电技术文件陶瓷电