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推薦閱讀:進一步了解陶瓷電容的來龍去脈

2019-11-13 10:20 來源:互聯網 編輯:Emma

對于陶瓷電容,大家知多少呢?顧名思義,瓷介電容器就是介質材料為陶瓷的電容器。關于瓷介電容又有怎樣的特性等知識是我們不熟悉的呢?本文給大家帶來關于陶瓷電容的前世今生,一起深入了解吧!

陶瓷電容器的由來

1900年意大利L.隆巴迪發明陶瓷介質電容器。30年代末人們發現在陶瓷中添加鈦酸鹽可使介電常數成倍增長,因而制造出較便宜的瓷介質電容器。

1940年前后人們發現了現在的陶瓷電容器的主要原材料BaTiO3(鈦酸鋇)具有絕緣性后,開始將陶瓷電容器使用于對既小型、精度要求又極高的軍事用電子設備當中。而陶瓷疊片電容器于1960年左右作為商品開始開發。到了1970年,隨著混合IC、計算機、以及便攜電子設備的進步也隨之迅速的發展起來,成為電子設備中不可缺少的零部件。現在的陶瓷介質電容器的全部數量約占電容器市場的70%左右。

陶瓷介質電容器的絕緣體材料主要使用陶瓷,其基本構造是將陶瓷和內部電極交相重疊。陶瓷材料有幾個種類。自從考慮電子產品無害化特別是無鉛化后,高介電系數的PB(鉛)退出陶瓷電容器領域,現在主要使用TiO2(二氧化鈦)、 BaTiO3, CaZrO3(鋯酸鈣)等。和其它的電容器相比具有體積小、容量大、耐熱性好、適合批量生產、價格低等優點。

由于原材料豐富,結構簡單,價格低廉,而且電容量范圍較寬(一般有幾個PF到上百μF),損耗較小,電容量溫度系數可根據要求在很大范圍內調整。

陶瓷電容器品種繁多,外形尺寸相差甚大從0402(約1×0.5mm)封裝的貼片電容器到大型的功率陶瓷電容器。按使用的介質材料特性可分為Ⅰ型、Ⅱ型和半導體陶瓷電容器;按無功功率大小可分為低功率、高功率陶瓷電容器;按工作電壓可分為低壓和高壓陶瓷電容器;按結構形狀可分為圓片形、管型、鼓形、瓶形、筒形、板形、疊片、獨石、塊狀、支柱式、穿心式等。

陶瓷電容器的分類

陶瓷電容器從介質類型主要可以分為兩類,即Ⅰ類陶瓷電容器和Ⅱ類陶瓷電容器。

Ⅰ類陶瓷電容器(ClassⅠ ceramic capacitor),過去稱高頻陶瓷電容器(High-freqency ceramic capacitor),是指用介質損耗小、絕緣電阻高、介電常數隨溫度呈線性變化的陶瓷介質制造的電容器。它特別適用于諧振回路,以及其它要求損耗小和電容量穩定的電路,或用于溫度補償。

Ⅱ類陶瓷電容器(Class Ⅱ  ceramic capacitor)過去稱為為低頻陶瓷電容器(Low frequency cermic capacitor),指用鐵電陶瓷作介質的電容器,因此也稱鐵電陶瓷電容器。這類電容器的比電容大,電容量隨溫度呈非線性變化,損耗較大,常在電子設備中用于旁路、耦合或用于其它對損耗和電容量穩定性要求不高的電路中。

Ⅰ類陶瓷電容器

按美國電工協會(EIA)標準為C0G(是數字0,不是字母O,有些文獻筆誤為COG)或NP0(是數字0,不是字母O,有些文獻筆誤為NPO)以及我國標準的CC系列等型號的陶瓷介質(溫度系數為0±30PPM/℃),這種介質極其穩定,溫度系數極低,而且不會出現老化現象,損耗因數不受電壓、頻率、溫度和時間的影響,介電系數可以達到400,介電強度相對高。這種介質非常適用于高頻(特別是工業高頻感應加熱的高頻功率振蕩、高頻無線發射等應用的高頻功率電容器)、超高頻和對電容量、穩定性有嚴格要求定時、振蕩電路的工作環境,這種介質電容器唯一的缺點是電容量不能做得很大(由于介電系數相對小),通常1206 表面貼裝C0G介質電容器的電容量從0.5PF~0.01μF。

Ⅱ類陶瓷電容器

Ⅱ類的穩定級陶瓷介質材料如美國電工協會(EIA)標準的X7R、X5R以及我國標準的CT系列等型號的陶瓷介質(溫度系數為±15.0%),這種介質的介電系數隨溫度變化較大,不適用于定時、振蕩等對溫度系數要求高的場合,但由于其介電系數可以做得很大(可以達到1200),因而電容量可以做得比較大,適用于對工作環境溫度要求較高(X7R:-55~+125℃)的耦合、旁路和濾波。通常1206的SMD封裝的電容量可以達到10μF或在再高一些;

II類的可用級陶瓷介質材料如美國電工協會(EIA)標準的Z5U、Y5V以及我國標準的CT系列的低檔產品型號等陶瓷介質(溫度系數為Z5U的+22%,-56%和Y5V的+22%,-82%),這種介質的介電系數隨溫度變化較大,不適用于定時、振蕩等對溫度系數要求高的場合,但由于其介電系數可以做得很大(可以達到1000~12000),因而電容量可以做得比更大,適用于一般工作環境溫度要求(-25~+85℃)的耦合、旁路和濾波。通常1206表面貼裝Z5U、Y5V介質電容器量甚至可以達到100μF,在某種意義上是取代鉭電解電容器的有力競爭對手。

陶瓷電容器的溫度特性

應用陶瓷電容器首先要注意的就是其溫度特性;

不同材料的陶瓷介質,其溫度特性有極大的差異。

第一類陶瓷介質電容器的溫度性質

根據美國標準EIA-198-D,在用字母或數字表示陶瓷電容器的溫度性質有三部分:第一部分為(例如字母C)溫度系數α的有效數字;第二位部分有效數字的倍乘(如0即為100);第三部分為隨溫度變化的容差(以ppm/℃表示)。這三部分的字母與數字所表達的意義如表。

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例如,C0G(有時也稱為NP0)表示為:第一位字母C為溫度系數的有效數字為0,第二位數字0為有效溫度系數的倍乘為100=1,第三位字母G為隨溫度變化的容差為±30ppm/℃,即0±30ppm/℃;C0H分別表示為:第一位字母C為溫度系數的有效數字為0,第二位數字0為有效溫度系數的倍乘為100=1,第三位字母H為隨溫度變化的容差為±60ppm/℃,即0±60ppm/℃;S2H則分別表示為:第一位字母S為溫度系數的有效數字為3.3,第二位數字2為有效溫度系數的倍乘為102=100,第三位字母H為隨溫度變化的容差為±60ppm/℃,即-330±60ppm/℃

第一類陶瓷電容器的電容量幾乎不隨溫度變化,下面以C0G介質為例。C0G介質的變化量僅0±30ppm/℃,實際上C0G的電容量隨溫度變化小于0±30ppm/℃,大約為0±30ppm/℃的一半

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第二類陶瓷介質電容器的溫度性質

根據美國標準EIA-198-D,在用字母或數字表示陶瓷電容器的溫度性質有三部分:第一部分為(例如字母X)最低工作溫度;第二位部分有效數字為最高工作溫度;第三部分為隨溫度變化的容差(以ppm/℃表示)。這三部分的字母與數字所表達的意義如表 。

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常見的Ⅱ類陶瓷電容器有:X7R、 X5R 、 Y5V、Z5U

其中:X7R表示為:第一位X為最低工作溫度-55℃,第二位的數字7位最高工作溫度+125℃,第三位字母R為隨溫度變化的容值偏差±15%;

X5R表示為:第一位X為最低工作溫度-55℃,第二位的數字5位最高工作溫度+85℃,第三位字母R為隨溫度變化的容值偏差±15%;

Y5V表示為:第一位Y為最低工作溫度-30℃,第二位的數字5位最高工作溫度+85℃,第三位字母V為隨溫度變化的容值偏差+22%,-82%±15%。

Z5U表示為:第一位Z為最低工作溫度+10℃,第二位的數字5位最高工作溫度+85℃,第三位字母U為隨溫度變化的容值偏差+22%,-56%,

陶瓷電容器的阻抗頻率特性

第一類介質的陶瓷電容器的ESR隨頻率而上升,如圖

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陶瓷電容器的ESR頻率特性

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第一類介質的陶瓷電容器阻抗頻率特性

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第二類陶瓷電容器的阻抗頻率特性

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陶瓷電容器的損耗因數與頻率的關系

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陶瓷電容器的阻抗頻率特性

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陶瓷電容器的絕緣電阻與溫度的關系

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損耗因數與溫度的關系

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電容量與直流偏置電壓的關系

第一類介質電容器的電容量與直流偏置電壓無關。

第二類介質電容器的電容量隨直流偏置電壓變化,如圖 。

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Y5V介質電容器的電容量隨直流偏置電壓變化非常大,從無偏置時的100%電容量下降到額定電壓下的直流偏置電壓時得不到額定電容量的25%,也就是說10μF的電容量在額定電壓時僅為不到2.5μF!在高溫時由于電容量已經下降到很低,所以這時的電容量隨直流偏置電壓的變化不大。

X7R介質電容器的電容量隨直流偏置電壓變化雖比較大,但是比Y5V好得多。

陶瓷電容器所允許加載的交流電壓與電流同頻率的關系

主要受電容器的ESR影響;

相對而言,C0G的ESR比較低,故可以承受比較大的電流,相應的所允許施加的交流電壓相對比較大;

X7R、X5R、Y5V、Z5U則ESR相對比較大,可承受比C0G要小,與此同時,由于電容量遠大于C0G,故所施加的電壓將遠小于C0G。

第一類介質電容器的允許電壓、電流與頻率的關系

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第一類介質電容器的允許電壓、電流與頻率的解讀

當加載頻率相對較低時,即使加載交流電壓為額定交流電壓時,流過電容器的電流低于額定電流時,電容器允許加載額定交流電壓 ,即左圖的平直部分;

當加載頻率升高到即使加載電壓沒有達到交流額定電壓時的電容器中流過的交流電流已達到額定電流值,這是需要降低電容器的加載交流電壓,以保證流過電容器的電流不超過額定電流值,即左圖的曲線開始下降部分  ;

而加載頻率繼續上升,電容器的損耗因數而導致的發熱則成為電容器的加載電壓的主要限制因素,這是加載電壓將隨頻率的上升而急劇下降 ,即中左圖的曲線急劇下降部分

與加載交流電壓正相反,電容器加載的交流電流在頻率較低時即使電流沒有達到額定電流,但電容器上的交流電壓已達到其額定值,這是加載的交流電流受電容器的額定電壓限制,特行為加載交流電流隨頻率的增加而上升,如圖右圖中的電流隨頻率增加而上升的那部分曲線。

當加載頻率上升到即使電容器上的交流電壓沒達到額定電壓時加載的交流電流已經達到額定電流值這時加載交流電流須保持在不高于額定電流值。入伙電容器的損耗因素造成的發熱開始起比較明顯的作用,則加載電流必須降額,如圖的右圖中電流隨頻率上升而下降的那部分曲線。

第二類介質陶瓷電容器由于電容量相對第一類介質電容器大得多,對于用于濾波的μF級的陶瓷電容器通常的加載交流電壓在1V以下,不可能加載到額定交流電壓值。因此第二類介質電容器大多討論所允許加載的紋波電流電流

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貼片陶瓷電容器的尺寸與耗散功率

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貼片電容失效原因和解決辦法

貼片電容(多層片式陶瓷電容器)是目前用量比較大的常用元件,生產的貼片電容來講有NPO、X7R、Z5U、Y5V等不同的規格,不同的規格有不同的用途。在使用過程中我們也經常會遇到各種各樣的問題,帶給我們不小的影響,下面主要針對的是貼片電容失效的情形,分析其產生的原因以及對此應對的辦法,希望能夠幫助到大家能夠更加快速有效的解決這類的問題。

貼片陶瓷電容最主要的失效模式斷裂

貼片陶瓷電容器作常見的失效是斷裂,這是貼片陶瓷電容器自身介質的脆性決定的.由于貼片陶瓷電容器直接焊接在電路板上,直接承受來自于電路板的各種機械應力,而引線式陶瓷電容器則可以通過引腳吸收來自電路板的機械應力.因此,對于貼片陶瓷電容器來說,由于熱膨脹系數不同或電路板彎曲所造成的機械應力將是貼片陶瓷電容器斷裂的最主要因素.

陶瓷貼片電容器的斷裂陶瓷貼片電容器受到機械力后斷裂的示意如下圖:

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陶瓷貼片電容器機械斷裂后,斷裂處的電極絕緣間距將低于擊穿電壓,會導致兩個或多個電極之間的電弧放電而徹底損壞陶瓷貼片電容器,機械斷裂后由于電極間放電的陶瓷貼片電容器剖面顯微結構如下圖:

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上圖是 機械斷裂后由于電極間放電的陶瓷貼片電容器剖面顯微結構對于陶瓷貼片電容器機械斷裂的防止方法主要有:盡可能的減少電路板的彎曲、減小陶瓷貼片電容器在電路板上的應力、減小陶瓷貼片電容器與電路板的熱膨脹系數的差異而引起的機械應力.

如何減小陶瓷貼片電容器在電路板上的應力將在下面另有行進敘述,這里不再贅述.減小陶瓷貼片電容器與電路板的熱膨脹系數的差異而引起的機械應力可以通過選擇封裝尺寸小的電容器來減緩,如鋁基電路板應盡可能用1810以下的封裝,如果電容量不夠可以采用多只并聯的方法或采用疊片的方法解決.也可以采用帶有引腳的封裝形式的陶瓷電容器解決.

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