MLCC電容選型要素深度分析

　　MLCC等電子元器件的漲價潮並沒有停止，以MLCC為例，近年來，受電動汽車、工控等行業發展帶動，MLCC產品需求量迅速增加。但是整體是市場供貨量有限，導致供需失衡，這也成為電子元器件屢屢漲價的原因之一。

　　在這樣的背景下還有選型的必要嗎？

　　購買商品的一般決策邏輯是：能不能用，好不好用，耐不耐用，價格。其實這個邏輯也可以套用到MLCC選型過程中：首先MLCC參數要滿足電路要求，其次就是參數與介質是否能讓系統工作在最佳狀態;再次，來料MLCC是否存在不良品，可靠性如何;最後，價格是否有優勢，供應商配合是否及時。許多設計工程師不重視無源元件，以為僅靠理論計算出參數就行，其實，MLCC的選型是個複雜的過程，並不是簡單的滿足參數就可以的。

　　

　　選型要素

　　-參數：電容值、容差、耐壓、使用溫度、尺寸

　　-材質

　　-直流偏置效應

　　-失效

　　-價格與供貨

　　不同介質性能決定了MLCC不同的應用

　　

　　C0G電容器具有高溫度補償特性，適合作旁路電容和耦合電容

　　X7R電容器是溫度穩定型陶瓷電容器，適合要求不高的工業應用

　　Z5U電容器特點是小尺寸和低成本，尤其適合應用於去耦電路

　  Y5V電容器溫度特性最差，但容量大，可取代低容鋁電解電容

　　MLCC常用的有C0G（NP0）、X7R、Z5U、Y5V等不同的介質規格，不同的規格有不同的特點和用途。C0G、X7R、Z5U和Y5V的主要區別是它們的填充介質不同。在相同的體積下由於填充介質不同所組成的電容器的容量就不同，隨之帶來的電容器的介質損耗、容量穩定性等也就不同，所以在使用電容器時應根據電容器在電路中作用不同來選用不同的電容器。

　　C0G（NP0）電容器

　　C0G是一種最常用的具有溫度補償特性的MLCC。它的填充介質是由銣、釤和一些其它稀有氧化物組成的。C0G電容量和介質損耗最穩定，使用溫度範圍也最寬，在溫度從-55℃到+125℃時容量變化為0±30ppm/℃，電容量隨頻率的變化小於±0.3ΔC。C0G電容的漂移或滯後小於±0.05%，相對大於±2%的薄膜電容來說是可以忽略不計的。其典型的容量相對使用壽命的變化小於±0.1%。

　　C0G電容器隨封裝形式不同其電容量和介質損耗隨頻率變化的特性也不同，大封裝尺寸的要比小封裝尺寸的頻率特性好。C0G電容器適合用于振蕩器、諧振器的旁路電容，以及高頻電路中的耦合電容。

　　X7R電容器

　　X7R電容器被稱為溫度穩定型陶瓷電容器。X7R電容器溫度特性次於C0G，當溫度在-55℃到+125℃時其容量變化為15%，需要注意的是此時電容器容量變化是非線性的。

　　X7R電容器的容量在不同的電壓和頻率條件下也是不同的，它隨時間的變化而變化，大約每10年變化1%ΔC，表現為10年變化了約5%。

　　X7R電容器主要應用於要求不高的工業應用，並且電壓變化時其容量變化在可以接受的範圍內，X7R的主要特點是在相同的體積下電容量可以做的比較大。

　　Z5U電容器

　　Z5U電容器稱為「通用」陶瓷單片電容器。這裡要注意的是Z5U使用溫度範圍在+10℃到+85℃之間，容量變化為+22%到-56%，介質損耗最大為4%。Z5U電容器主要特點是它的小尺寸和低成本。對於上述兩種MLCC來說在相同的體積下，Z5U電容器有最大的電容量，但它的電容量受環境和工作條件影響較大，它的老化率也是最大，可達每10年下降5%。

　　儘管它的容量不穩定，由於它具有小體積、等效串聯電感（ESL）和等效串聯電阻（ESR）低、良好的頻率響應等特點，使其具有廣泛的應用範圍，尤其是在去耦電路中的應用。

　　Y5V電容器

　　Y5V電容器是一種有一定溫度限制的通用電容器，Y5V介質損耗最大為5%。Y5V材質的電容，溫度穩定性不好，溫度變化會造成容值大幅變化，設計時候一定要考慮到，（重要！！！！）在-30℃到85℃範圍內其容量變化可達+22%到-82%，Y5V會逐漸被溫度特性好的X7R、X5R所取代。

　　設計比較緊湊，散熱不好，對性能要求要可靠的產品，能選用X5（7）R的，不選用Y5V的。

　　各種不同材質的比較

　　從C0G到Y5V，溫度特性、可靠性依次遞減，成本也依次減低

　　C0G、X7R、Z5U、Y5V的溫度特性、可靠性依次遞減，成本也是依次減低的。在選型時，如果對工作溫度和溫度係數要求很低，可以考慮用Y5V的，但是一般情況下要用X7R，要求更高時必須選擇C0G的。一般情況下，MLCC都設計成使X7R、Y5V材質的電容在常溫附近的容量最大，容量相對溫度的變化軌跡是開口向下的拋物線，隨著溫度上升或下降，其容量都會下降。

　　並且C0G、X7R、Z5U 、Y5V介質的介電常數也是依次減少的，所以，同樣的尺寸和耐壓下，能夠做出來的最大容量也是依次減少的。實際應用中很多公司的開發設計工程師按理論計算，而不了解MLCC廠家的實際生產狀況，常常列出一些很少生產甚至不存在的規格，這樣不但造成採購成本上升而且影響交期。比如想用0603/C0G/25V/3300pF的電容，但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF。

　　

　　MLCC替代電解電容

　　Z5U、Y5V、 MLCC可取代低容量鋁、鉭電解電容器

　　取代電解電容要注意MLCC溫度特性是否合適

　　英制與公制不能混用

　　與鋁電解電容，鉭電容相比，MLCC具有無極、ESR特性值小、高頻特性好等優勢，而且MLCC正在朝小體積、大容量化發展，如Y5V可以做到較高的容量，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低容量鋁、鉭電解電容器的有力競爭對手，但是也要注意這些電容的尺寸比較大，容易產生裂紋。另外，Y5V的MLCC最高溫度只有85度，取代電解電容時要注意溫度是否合適。

　　MLCC的尺寸是用一組數字來表示，例如0402、0603。表示方法有兩種，一種是英制表示法，一種是公制表示法。美國的廠家用英制，日本廠家基本上都用公制的，而國內廠家有用英制表示的也有用公制表示的，所以要特別注意規格表中標號對照尺寸的單位是英寸還是毫米。

　　國內工程師一般習慣使用英制表示，但是也要注意工程師與採購之間要統一認識，要用公制都用公制，用英制都用英制，避免發生誤會，例如說到0603，英制和公制表示裡都有0603，但實際尺寸差別很大。

　　MLCC的直流偏置效應（重要！！！）

　　直流偏置效應會引起電容值改變

　　小尺寸電容取代大尺寸電容不簡單

　　記住向供應商索要系統最常用電壓的綜合曲線

　　在選擇MLCC時還必須考慮到它的直流偏置效應。電容選擇不正確可能對系統的穩定性造成嚴重破壞。直流偏置效應通常出現在鐵電電介質（2類）電容中，如X5R、X7R、及Y5V類電容。

　　設計人員在考慮無源器件時，他們會想到考量電容的容差，這在理論上是對的，陶瓷電容的容差是在1 kHz頻率、1V rms或0.5V rms電壓下規定/測試的，但實際應用的條件差異非常大。在較低的rms電壓下，電容額定值要小得多。在某一特定頻率下，在一個陶瓷電容上加直流偏置電壓會改變這些元件的特性，故有「有源的無源器件（active passives）」之稱。例如，一個10μF，0603，6.3V的電容在-30°C下直流偏置1.8V時測量值可能只有4μF。

　　陶瓷電容的基本計算公式如下： C=K×［（S×n）/t］

　　這裡，C=電容量，K=介電常數，n=介電層層數，S=電極面積，t=介電層厚度

　　影響直流偏置的因子有介電常數、介電層厚度、額定電壓的比例因子，以及材料的晶粒度。

　　電容上的電場使內部分子結構產生「極化」，引起K常數的暫時改變，不幸的是，是變小。電容的外殼尺寸越小，由直流偏置引起的電容量降量百分比就越大。若外殼尺寸一定，則直流偏置電壓越大，電容量降量百分比也越大。系統設計人員為節省空間用0603電容代替0805電容時，必須相當謹慎。

　　因此，請記住應該向廠商索取在應用的預定直流偏置電壓下的電容值曲線。電容器生產商往往喜歡出示單獨的曲線，如電容量隨溫度的變化曲線，另一條是電容量隨直流偏置的變化曲線。不過，他們不會同時給出兩條，但實際應用恰恰需要兩條。應該記住向生產廠商索要系統最常用電壓的綜合曲線。

　　

　　檢測時容量不正常

　　MLCC的長時間放置會導致特性值的降低

　　檢測方法不當也會引起容量偏差

　　對於剛入行的採購或者選型工程師來說，可能會經常遇到檢測時容量偏差的問題，要麼是不良品，要麼是因為MLCC的長時間放置導致特性值的降低，可以使用加熱的方法恢復特性值。搬運與儲存時要注意防潮，

　　Y5V與X7R ClassⅡ類電容器電介質則以鈦酸鋇為主要材料，鈦酸鋇對溫度變化較敏感。在相應的工作溫度範圍內隨溫度不同會有較大的容值變化，特別是Y5V的。

　　並且會隨時間變化，產品存放時間太長，容量變化較大。

　　這種老化是一種可逆的現象，當對老化的材料施加高於材料居裡溫度的高溫，當環境溫度回到常溫後，材料的分子結構將會回到原始的狀態。材料將由此開始老化的又一個循環。

　　建議IQC以如下方式驗證：將測試容量偏低的產品浸至錫爐或過Reflow（不需印錫膏），再行測試，容值將恢復到正常規格之內。客戶不需要在上線前，事先進行De-aging動作，只需要將組件置於板上正常生產作業，產品經過回流焊或波峰焊後，即可恢復正常容值。

　　因為老化現象發生在任何一家使用鈦酸鋇（鐵電性材料）為原材料的廠商所生產的ClassⅡ類陶瓷電容器中。它是正常現象。

　　考慮到MLCC材料之老化現象，客戶於一開始設計時，應事先將此材料之老化率考慮進去。

　　MLCC測試容量時，檢測方法要正確，容量會因檢測設備的不同而有偏差。

　　MLCC的失效問題

　　MLCC在生產中可能出現空洞、裂紋、分層

　　組裝過程中會引起哪些失效？

　　哪些過程會引起失效？

　　有的裂紋很難檢測出來

　　MLCC內在可靠性十分優良，可以長時間穩定使用。但如果器件本身存在缺陷或在組裝過程中引入缺陷，則會對其可靠性產生嚴重影響。例如，MLCC在生產時可能出現介質空洞、燒結紋裂、分層等缺陷。分層和空洞、裂紋為重要的MLCC內在缺陷，這點可以通過篩選優秀的供應商，並對其產品進行定期抽樣檢測等來保證。

　　另一種就是組裝時引入的缺陷，缺陷主要來自機械應力和熱應力。MLCC的特點是能夠承受較大的壓應力，但抵抗彎曲能力比較差。所以PCB板的彎曲也容易引起MLCC開裂。由於MLCC是長方體，焊端在短邊，PCB發生形變時，長邊承受應力大於短邊，容易發生裂紋。所以，

　　排板時要考慮PCB板的變形方向與MLCC的安裝方向；

　　在PCB可能產生較大形變的地方都儘量不要放置電容，比如PCB定位鉚接、單板測試時測試點機械接觸等位置都容易產生形變；

　　厚的PCB板彎曲小於薄的PCB板，所以使用薄PCB板時更要注意形變問題。

　　常見應力源有：工藝過程中電路板操作；流轉過程中的人、設備、重力等因素；通孔元器件的插入；電路測試、單板分割；電路板安裝；電路板定位鉚接；螺絲安裝等。該類裂紋一般起源於器件上下金屬化端，沿45℃角向器件內部擴展。該類缺陷也是實際發生最多的一種類型缺陷。

　　同樣材質、尺寸和耐壓下的MLCC，容量越高，介質層數就越多，每層也越薄，並且相同材質、容量和耐壓時，尺寸小的電容每層介質更薄，越容易斷裂。裂紋的危害是漏電，嚴重時引起內部層間錯位短路等安全問題。裂紋通常可以使用ICT設備完成檢測，有的裂紋比較隱蔽，無法保證100%的檢測效果。

　　溫度衝擊裂紋主要由於器件在焊接特別是波峰焊時承受溫度衝擊所致。焊接時MLCC受熱不均，容易從焊端開始產生裂紋，大尺寸MLCC尤其如此。這是因為大尺寸的電容導熱沒有小尺寸的好，造成電容受熱不均，膨脹幅度不同，從而產生破壞性應力。

　　另外，在MLCC焊接過後的冷卻過程中，MLCC和PCB的膨脹係數不同，也會產生應力導致裂紋。相對於回流焊，波峰焊時這種失效會大大增加。要避免這個問題，回流焊、波峰焊時需要有良好的焊接溫度曲線，一般器件工藝商都會提供相關的建議曲線。通過組裝良品率的積累和分析，可以得到優化的溫度曲線。

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