片式多层陶瓷电容器基础知识培训 Multi-Layer Ceramic Chip Capacitor

1. 片式多层陶瓷电容器基础知识培训Multi-Layer Ceramic Chip Capacitor

2. 内 容 提 要 • 电容器基础 • MLCC的概念 • MLCC的基本电性能 • MLCC的发展趋势

3. 一、电容器基础 电容器基本模型是一种中间被电介质材料隔开的双层导体电极所构成的单片器件，如图所示。这种介质必须是纯绝缘材料，它的特性在很大程度上决定了器件的电性能。

4. 一、电容器基础 通常，电容器采用的介质材料主要包括： 空气（介电常数K几乎与真空相同，定义为1）； 天然介质：如云母，介电常数（K）为4～8； 有机薄膜类：如聚酯PET， K为3； 合成材料：如陶瓷，K值范围由9～1500。 电容器所用陶瓷介质是以钛酸盐为主要成份，可以 通过配方调整制成具有极高介电常数和其他适当电 特性的介质材料。这是陶瓷电容器，尤其是片式多 层陶瓷电容器（MLCC）技术的基础。

5. 一、电容器基础 电容器的基本特性是能够储存电荷（Q）。储存电荷 量Q与电容量（C）和外加电压（V）成正比。Q=CV 因此，充电电流被定义为：I=dQ/dt=C dV/dt 当电容器外加电压为1伏特，充电电流为1安培，充电时 间为1秒时，电容量定义为1法拉。 C=Q/V=库仑/伏特=法拉 由于法拉是一个很大的测量单位，在实用中不会遇到， 常用的是法拉的分数，即： 微 法 (μF) = 10-6F、 毫微法，又称为：纳法 (nF) = 10-9F、 微微法，又称为：皮法 (pF) = 10-12F

6. 一、电容器基础 单片电容器的电容量正比于器件的几何尺寸和相对 介电常数：C=KA/f t 在这里C=电容量；K=相对介电常数，简称介电常 数；A=电极层面积；t=介质厚度；f=换算因子（在 基础科学领域：相对介电常数用εr表示。在工程应 用中以K表示，简称为介电常数） 在英制度量单位体系中，f=4.452，尺寸A和t用英 寸，电容量值用pF表示。采用公制体系，换算因子 f=11.31，尺寸用cm，容值也用微微法（pF）表示

7. 一、电容器基础 可见，电容量和几何尺寸的关系是很明确的，增大电极面积和减少介质厚度，均可获得较大容量值。然而，无休止地增大单层电容器的面积或减少介质的厚度是不切合实际的。因此，提出了平行阵列式迭层型电容器的新概念，按这种方式可以制造比体积电容很大的单个器件

8. 一、电容器基础 在这种“多层”结构中，由于平行地排列了多层电极，使电极有效面积A’得以增大，而在电极间的介质厚度t ’则有可能进一步减薄，因此，电容量C随介质层数N的增大和介质厚度t ’的减小而增大。这里，A ’是两两相对的交错电极重合面积： C=KN A ’ /f t ’ 对介质材料的要求是，具有高介电常数，并且在制成薄层结构后仍保持良好的绝缘电阻和介质抗电强度等。

9. 二、 MLCC的概念 • MLCC (Multi-Layer Ceramic Chip Capacitor) 片式多层陶瓷电容器的英文缩写

10. MLCC内部结构示意图

11. MLCC制造工艺流程 配料---流延---印刷---叠层---层压--- 切割---排胶---烧结---倒角---封端--- 烧端---电镀---外观---测试---编带

12. MLCC介质材料分类 在工业生产中，介质材料是根据电容量温度系数 来进行区别和分类的。片式多层陶瓷电容器通常 采用两大类别材料生产，即1类陶瓷介质和2类陶 瓷介质。用环境试验箱测量由室温（25℃）变化 到一定温度时的容量变化即可确定温度系数。温 度系数αC表示为温度每变化1摄氏度，电容量较 初始值的变化率，单位百万分之一（ppm/℃）

13. MLCC介质材料分类 1类瓷介电容器具有线性温度系数，可根据αC规定 其特性组别。温度系数αC的计算方法如下： αC（ppm/℃） = （C2－C1/ C1*（T2－T1） ×106 2类瓷介电容器的容量随环境温度呈非线性关系变 化，无法用线性化的温度系数来表征。其温度特性 （TC）只能以电容量较初始值的变化（ΔC/C）的 百分率（%）来表示。

14. 1类瓷 1类瓷温度系数用字母—数字—字母的三位代码来 定义。在MLCC中最普遍采用的1类瓷是C0G，即温 度系数为0ppm/℃±30 ppm/℃，简称NP0（正— 负—零）。 1类瓷介电容器适用于电路要求高稳定性或温度补 偿的功能，其介电常数无老化或老化率极低可忽略 不计，且损耗极低。电容量和介质损耗随电压或频 率的变化为零或忽略不计。

15. 1类瓷的标志代码（ ANSI/EIA -198-E）

16. 1类陶瓷介质温度系数 EIA代码(简码) 温度系数及其允许偏差 C0G （NP0） 0 ppm/℃±30 ppm/℃ R2G (N220) -220 ppm/℃±30 ppm/℃ U2J (N750) -750 ppm/℃±120ppm/℃ T3K(N4700) -4700 ppm/℃±250ppm/℃ M7G(P100) +100 ppm/℃±30 ppm/℃

17. 2类瓷 2类陶瓷介质是铁电体材料。该种材料的介电常数 比1类瓷高得多，且随温度、偏压、频率和时间变 化的稳定性较差。

18. 2类瓷的标志代码（ ANSI/EIA -198-E）

19. 2类陶瓷介质的温度特性 X7R:ΔC/C±15%， (-55℃~125℃) X5R:ΔC/C±15%， (-55℃~85℃) Y5V:ΔC/C+22~-82%，(-30℃~+85℃) Z5U:ΔC/C+22~-56%， (+10℃~+85℃)

20. 三、 MLCC的基本电性能1、标称电容量及其允许偏差 电容量的标称值优先采用E6、E12、E24系列，对 应的允许偏差分别为M(±20%)、K(±10%)、J（±5%）。 例如： Z5U组别采用E6系列，对应于M（±20%）级精度。6个优先系列数之间的范围被设定的允许偏差值覆盖。即，第一个优先数允许偏差值的上限与第二个优先数允许偏差值的下限恰好相互重合。采用优先系列数作为电容量的标称值及其允许偏差，就不会出现电容量值的废品。如：6.8±20%的上下 限分别8.16、5.44，4.7±20%的 上下限5.64、3.76

21. 三、 MLCC的基本电性能1、标称电容量及其允许偏差 Y5V可优选E3系列，则对应Z（-20%～+80%）精度。 依此类推，X7R组别采用E12系列，对应于K(±10%) 精度； C0G组别采用E24系列，对应于J（±5%）级精度。

22. E3、E6、E12、E24优先数系的电容量标称值及允许偏差

23. 三、 MLCC的基本电性能2、电容器损耗角正切（Tanδor tgδ） • 从理论上讲，施加在理想电容器两端的电流超前于电压的相位为90°。 • 但由于电容器电阻部份的存在，加在实际电容器两端电流超前于电压的相位不足90°，它与理想电流间的相位差角是一定的，这一角度的正切值，定义为损耗角正切值Tanδ或写作tgδ。 • 在高频应用时，常用损耗角正切值的倒数，称为“Q值”，即：品质因数。

24. 电压与电流的矢量图

25. 三、 MLCC的基本电性能3、绝缘电阻（IR） 绝缘电阻是在直流偏压梯度作用下，材料抗漏电流能力 的量度。物理量表示为Ri，英文缩写IR。测量电容器的绝 缘电阻的时候，重要的是考虑绝缘电阻与容量的关系。 容量值与绝缘电阻成反比，即容量大，绝缘电阻低。这 是因为电容量与漏电流是正比关系。

26. 三、 MLCC的基本电性能4、额定电压和耐压 额定电压UR定义为可以连续施加在电容器上的最大直流 电亚或脉冲电压的峰值。 电容器的耐电压取决于介质材料的抗电强度以及电容 器的结构，主要是介质厚度。耐电压的测试标准为2.5倍 额定电压UR。抗电强度是介质材料所能承受的最大电场 强度，而不发生电击穿的能力的测定值，通常用KV/um 表示。 因此，测量电容器的击穿电压UBD可直接评估器件性能， 也能间接反映介质材料的抗电强度。目前，对于MLCC， UBD可达额定电压UR的10倍，甚至更高。

27. 电容器在电路中的作用 • 滤波； • 储能； • 耦合、去耦； • 谐振、时间常数（定时）； • 隔离、抗干扰、保护； • 驱动

28. 滤波 • 利用电容和电感的阻抗特性，将整流后的单向脉动电流中的交流分量滤去，使单向脉动电流变换成平滑的直流电流。

29. 实例：整流滤波电路（方框图）

30. 谐振 当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强。 这种现象就叫做电谐振

31. 五、MLCC的发展趋势 • MLCC率先实现片式化，适应SMT技术需求 • MLCC(NP0,X7R)大量取代有机电容器 • MLCC(NP0)大量取代云母电容器 • MLCC(X7R,Y5V)部分取代钽电解电容器

32. 主流 年代 1980 1990 1997 2002 型号 规格 1206 0805 0603 0402 尺寸 3.2mm× 1.6mm 2.0mm × 1.25mm 1.6mm× 0.8mm 1.0mm× 0.5mm 面积/mm2 面积比 5.12 100% 2.40 47% 1.28 25% 0.50 10% 体积/mm3 体积比 6.14 100% 2.88 47% 1.02 17% 0.25 4% MLCC 小型化/微型化进程

33. 微型MLCC的构成比例剧增