陶瓷电容的结构和主要加工环节

陶瓷电容的结构和主要加工环节

如下面图的瓷片电容的结构，内电极导体一般为Ag或AgPd，陶瓷介质一般为BaTiO3， 多层陶瓷结构通过高温烧结而成。器件端头镀层（外电极）一般为烧结Ag/AgPd，然后制备一层Ni阻挡层（以阻挡内部Ag/AgPd材料，防止其和外部Sn发生反应），再在Ni层上制备Sn或SnPb层用以焊接。近年来，也出现了端头使用Cu的MLCC产品。

下面简单介绍一下陶瓷电容的主要加工环节：a） 备料成型：原料经过煅烧、粉碎与混和后，达到一定的颗粒细度，原则上颗粒越细越好。然后根据电容器结构形状，进行陶瓷介质坯件成型；b） 烧成：对瓷坯进行高温处理，是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。高温保持时间过短，固相反应不完全彻底，影响整个坯体结构，造成电性能恶化，是所谓“生烧”；高温保持时间过长，使坯体起泡变形以及晶粒变大，同样恶化电性能，造成“过烧”；c） 然后是电极制造，引线焊接，涂覆，包封；

陶瓷电容器的由来

1900年意大利L.隆巴迪发明陶瓷介质电容器。30年代末人们发现在陶瓷中添加钛酸盐可使介电常数成倍增长，因而制造出较便宜的瓷介质电容器。

1940年前后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于对既小型、精度要求又极高的军事用电子设备当中。而陶瓷叠片电容器于1960年左右作为商品开始开发。到了1970年，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。现在的陶瓷介质电容器的全部数量约占电容器市场的70%左右。

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。陶瓷材料有几个种类。自从考虑电子产品无害化特别是无铅化后，高介电系数的PB（铅）退出陶瓷电容器领域，现在主要使用TiO2（二氧化钛）、 BaTiO3， CaZrO3（锆酸钙）等。和其它的电容器相比具有体积小、容量大、耐热性好、适合批量生产、价格低等优点。

由于原材料丰富，结构简单，价格低廉，而且电容量范围较宽（一般有几个PF到上百μF），损耗较小，电容量温度系数可根据要求在很大范围内调整。

陶瓷电容器品种繁多，外形尺寸相差甚大从0402（约1×0.5mm）封装的贴片电容器到大型的功率陶瓷电容器。按使用的介质材料特性可分为Ⅰ型、Ⅱ型和半导体陶瓷电容器；按无功功率大小可分为低功率、高功率陶瓷电容器；按工作电压可分为低压和高压陶瓷电容器；按结构形状可分为圆片形、管型、鼓形、瓶形、筒形、板形、叠片、独石、块状、支柱式、穿心式等。

陶瓷电容器的分类

陶瓷电容器从介质类型主要可以分为两类，即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器。

Ⅰ类陶瓷电容器（ClassⅠ ceramic capacitor），过去称高频陶瓷电容器（High-freqency ceramic capacitor），是指用介质损耗小、绝缘电阻高、介电常数随温度呈线性变化的陶瓷介质制造的电容器。它特别适用于谐振回路，以及其它要求损耗小和电容量稳定的电路，或用于温度补偿。

Ⅱ类陶瓷电容器（Class Ⅱ ceramic capacitor）过去称为为低频陶瓷电容器（Low frequency cermic capacitor），指用铁电陶瓷作介质的电容器，因此也称铁电陶瓷电容器。这类电容器的比电容大，电容量随温度呈非线性变化，损耗较大，常在电子设备中用于旁路、耦合或用于其它对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中。3

Ⅰ类陶瓷电容器

按美国电工协会（EIA）标准为C0G（是数字0，不是字母O，有些文献笔误为COG）或NP0（是数字0，不是字母O，有些文献笔误为NPO）以及我国标准的CC系列等型号的陶瓷介质（温度系数为0±30PPM/℃），这种介质极其稳定，温度系数极低，而且不会出现老化现象，损耗因数不受电压、频率、温度和时间的影响，介电系数可以达到400，介电强度相对高。这种介质非常适用于高频（特别是工业高频感应加热的高频功率振荡、高频无线发射等应用的高频功率电容器）、超高频和对电容量、稳定性有严格要求定时、振荡电路的工作环境，这种介质电容器唯一的缺点是电容量不能做得很大（由于介电系数相对小），通常1206 表面贴装C0G介质电容器的电容量从0.5PF~0.01μF。

Ⅱ类陶瓷电容器

Ⅱ类的稳定级陶瓷介质材料如美国电工协会（EIA）标准的X7R、X5R以及我国标准的CT系列等型号的陶瓷介质（温度系数为±15.0%），这种介质的介电系数随温度变化较大，不适用于定时、振荡等对温度系数要求高的场合，但由于其介电系数可以做得很大（可以达到1200），因而电容量可以做得比较大，适用于对工作环境温度要求较高（X7R：-55~+125℃）的耦合、旁路和滤波。通常1206的SMD封装的电容量可以达到10μF或在再高一些；

II类的可用级陶瓷介质材料如美国电工协会（EIA）标准的Z5U、Y5V以及我国标准的CT系列的低档产品型号等陶瓷介质（温度系数为Z5U的+22%，-56%和Y5V的+22%，-82%），这种介质的介电系数随温度变化较大，不适用于定时、振荡等对温度系数要求高的场合，但由于其介电系数可以做得很大（可以达到1000~12000），因而电容量可以做得比更大，适用于一般工作环境温度要求（-25~+85℃）的耦合、旁路和滤波。通常1206表面贴装Z5U、Y5V介质电容器量甚至可以达到100μF，在某种意义上是取代钽电解电容器的有力竞争对手。

C0G代表的温度系数究竟是多少？

C 表示电容温度系数的有效数字为 0 ppm/℃

0 表示有效数字的倍乘因数为 -1（即10的0次方）

G 表示随温度变化的容差为 ±30ppm

NPO和C0G是同一种电容吗？

NPO是美国军用标准（MIL）中的说法，其实应该是NP0（零），但一般大家习惯写成NPO（欧）。这是Negative-Positive-Zero的简写，用来表示的温度特性。说明NPO的电容温度特性很好，不随正负温度变化而出现容值漂移。

从前面我们已经知道，C0G是I类陶瓷中温度稳定性最好的一种，温度特性近似为0，满足“负-正-零”的含义。所以C0G其实和NPO是一样的，只不过是两个标准的两种表示方法（当然，容值更小、精度略差一点的C0K、C0J等也是NPO电容）。类似的，U2J对应于MIL标准中的组别代码为N750。

NPO 电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同，大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。

以X7R为例。

X 代表电容最低可工作在 -55℃

7 代表电容最高可工作在 +125℃

R 代表容值随温度的变化为 ±15%

同样的，Y5V正常工作温度范围在-30℃～+85℃， 对应的电容容量变化为+22～-82%；而Z5U 正常工作温度范围在+10℃～+85℃，对应的电容容量变化为+22～-56%。

MLCC与其它种类电容器对比

电容的种类有很多，可以从原理上分为：无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容等，从材料上分主要有：CBB电容（聚乙烯），涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容（即贴片电容或MLCC）、电解电容、钽电容等。下表是各种电容的优缺点

MLCC的性能

A.常规电性能

（1） 容量与误差：实际电容量和标称电容量允许的最大偏差范围。一般使用的容量误差有：J级±5%，K级±10%，M级±20%。精密电容器的允许误差较小，而电解电容器的误差较大，它们采用不同的误差等级。常用的电容器其精度等级和电阻器的表示方法相同。用字母表示：D级—±0.5%；F级—±1%；G级—±2%；J级—±5%；K级—±10%；M级—±20%。

（2） 额定工作电压：电容器在电路中能够长期稳定、可靠工作，所承受的最大直流电压，又称耐压。对于结构、介质、容量相同的器件，耐压越高，体积越大。

（3） 温度系数：在一定温度范围内，温度每变化1℃，电容量的相对变化值。温度系数越小越好。

（4） 绝缘电阻（IR）：用来表明漏电大小的。一般小容量的电容，绝缘电阻很大，在几百兆欧姆或几千兆欧姆。电解电容的绝缘电阻一般较小。相对而言，绝缘电阻越大越好，漏电也小。一般C0G类》1000ΩF， X7R和Y5V类 》500ΩF

（5） 损耗（DF）：在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量。这些损耗主要来自介质损耗和金属损耗。通常用损耗角正切值来表示。损耗最为标准的写法：使用百分率写法 例如：COG 要求〈0.015%；X7R〈2.5%；Y5V〈3.5% 一般地 COG类 《10*10-4 ; X7R类 《250*10-4;Y5V类 《500*10-4。

（6） 频率特性：电容器的电参数随电场频率而变化的性质。在高频条件下工作的电容器，由于介电常数在高频时比低频时小，电容量也相应减小。损耗也随频率的升高而增加。另外，在高频工作时，电容器的分布参数，如极片电阻、引线和极片间的电阻、极片的自身电感、引线电感等，都会影响电容器的性能。所有这些，使得电容器的使用频率受到限制。不同品种的电容器，最高使用频率不同。小型云母电容器在250MHZ以内；圆片型瓷介电容器为300MHZ；圆管型瓷介电容器为200MHZ；圆盘型瓷介可达3000MHZ；小型纸介电容器为80MHZ；中型纸介电容器只有8MHZ。

B. 几个值得关注的参数

TCC：温度容量特性，注意同为X7R产品其常温附近的容量稳定性不一样。ESR：等效串联电阻ESL：等效串联电感Q值：是DF、ESR、ESL的综合，在高频电路中加倍关注。

在片式多层元器件类型中，ESR（Res）主要由介质层电阻、内电极层电阻、各接触面电阻和端电极电阻等四个方面组成；其中各接触面电阻包括端电极与内电极的接触，不同的端电极电镀层间的接触等；Res对频率是较为敏感的，并随频率的增加而增加，因为：

1．接触电阻－电极间接触形成的间隙式裂缝是容性阻抗（Z=1/（2*pi*f*C）），从而导致Res在刚开始时随频率的增加而下降。

2．趋肤效应－内电极和端电极由于趋肤效应，阻抗随频率的增加而增加，最终将抵消接触电阻所产生ESR下降的影响。

3．电介质极化－随电介质中的极化定向，大量的能量被储备，从而呈现阻抗随频率增大而增大。

贴片陶瓷电容的ESL与贴片固体钽电容类似，同为SMD器件，具有比较小的ESL，但由于内部引线结构，瓷片的ESL又要比钽电容小很多，可用近似公式：

来进行推算，比如1206封装，则L＝12，W＝6。ESL虽然与容量有关系，但相对而言，这个变化量很小，基本可以认为不变。

失效的原因

多层陶瓷电容的失效原因分为外部因素和内在因素。

a） 内在因素：

1.陶瓷介质内空洞 （Voids）导致空洞产生的主要因素为陶瓷粉料内的有机或无机污染，烧结过程控制不当等。空洞的产生极易导致漏电，而漏电又导致器件内部局部发热，进一步降低陶瓷介质的绝缘性能从而导致漏电增加。该过程循环发生，不断恶化，严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸，甚至燃烧等严重后果。

2.烧结裂纹 （Firing Crack）烧结裂纹常起源于一端电极，沿垂直方向扩展。主要原因与烧结过程中的冷却速度有关，裂纹和危害与空洞相仿。

3.分层 （Delamination）多层陶瓷电容器（MLCC）的烧结为多层材料堆叠共烧。烧结温度可以高达1000℃以上。层间结合力不强，烧结过程中内部污染物挥发，烧结工艺控制不当都可能导致分层的发生。分层和空洞、裂纹的危害相仿，为重要的多层陶瓷电容器内在缺陷。

b） 外部因素：

1.温度冲击裂纹（Thermal Crack）主要由于器件在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致，不当返修也是导致温度冲击裂纹的重要原因。

2.机械应力裂纹（Flex Crack）多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力，但抵抗弯曲能力比较差。器件组装过程中任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂。常见应力源有：贴片对中，工艺过程中电路板操作；流转过程中的人、设备、重力等因素；通孔元器件插入；电路测试、单板分割；电路板安装；电路板定位铆接；螺丝安装等。该类裂纹一般起源于器件上下金属化端，沿45℃角向器件内部扩展。该类缺陷也是实际发生最多的一种类型缺陷。