瓷片电容基础介绍

“ 本篇介绍瓷片电容，瓷片电容已经成为主流、通用的电容，尤其是SMT片状类型，由于成本低，显得特别有吸引力。目前，世界上生产的电容器约有80％是贴片型陶瓷电容器。对于电子设备的小型化和轻量化起了很大作用。”

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瓷片电容的结构和主要加工环节

如下面图1. 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。

图1. 积层陶瓷电容的结构图

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；

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影响瓷片滤波效果的模型参数

瓷片电容的阻抗频率特性呈现V形特性，其ESR非常小，另外它电容量特性与其介质构成有很 大关系。同样，按照C、ESR和ESL三项参数来分析。

2.1 电容量

瓷片电容根据其采用的介质和温度表现可分为三种类型：第一类（NPO或COG），适用于低容量、稳定性要求高的场合，其电性能最稳定，基本上不随温度、电压与时间的改变而改变；第二类 （X7R），其电介质常数较大，相同体积的容量要比第一类要大20～70倍，但温度从-55℃到125℃ 范围变化时，容量变化一般在±10％，最大可达＋15％到-25％，其电性能较为稳定，适用于隔直、 耦合、旁路与对容量稳定性要求不太高的鉴频电路；第三类（Z5U），其电介常数较高，常用与生产比容较大的、标称容量较高的大容量电容器产品，但其容量稳定性较X7R差；其容量可以做到第 二类的5倍，然而容量、损耗对温度、电压等较为敏感，稳定性很差，当温度从-25℃到85℃变化时， 容量变化为＋20％到-65％。

第一和第二类瓷片电容在低温时，性能要比铝电解电容要好。而第三类瓷片电容在所有温度下特性都较差。第一类和第二类瓷片电容的低损耗因子DF以及高容量稳定性特别适合AC和高频应用场合。一个很明显的例子，用仪器测试不同介质常数的电容，可以看到在不同AC电压下，其电参数的变化：

图2. 陶瓷电容的容量变化效应

2.2 ESR值

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/(2pif*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.

图3. 陶瓷电容的ESR组成

a） ESR各组成电阻

i 内电极层自身电阻：

内电极层可以认为是一个给定厚度、长宽参数的金属平面薄板，因此其自身电阻取决与L/W的 比例，但由于是通过涂抹工艺（丝网叠印）制成，它有着不太规则的厚度及一些空洞区域等缺陷， 这些空洞区域在低频时呈现的高阻特性，而当频率增大，在中间夹杂介质的分流作用下（容抗）， 减小了整个器件的阻抗。但随着频率进一步增加，到较高频时，出现趋肤效应，导致呈现的阻抗增加。

ii 接触电阻：

从微观角度看，任何光滑的表面都是凹凸不平的，因此，两个接点接触时，不可能是整个接触面接触，而是有限点的接触，差异取决于表面光滑程度和接触压力的大小。真正的接触电阻包括：集中电阻——电流通过接触面，由于接触面缩小而导致电流线收缩所显示的电阻，通常称为集中电阻；界面电阻——由于接触表面所形成膜层而构成的膜层电阻或称界面电阻。同样的，内电极一端与端电极的接触面并不是很完美，这个电极接触端面不规则，则其相应接触电 阻也会由于接触点的电流集中及相应热区效应而不同。工艺上应尽量避免该接触面的不规则，不然将会降低长期使用的功率承载能力。事实上，虽然接触表面面一些地方有两金属的合金生成，但大 多数仍旧是“物理”的接触，某些中间的膜层为玻璃粉，可以认为这些接点是一个具有阻性和容性 的元素，因此在低频时，阻值较大；在高频时，又会呈现较低的阻抗。由于，接触电阻直接受内电 极层的L/W比例影响，往往把内电极层电阻和接触电阻看成一体。

iii 介质层电阻：

在电场中，介质分子极化过程中要损耗一些能量。它的大小主要受介质常数K和环境温度的影响。

图4. 陶瓷电容的介质层电阻

iv 端电极自身电阻：

影响很小，一般可以省略不考虑。

b） ESR与各参数间的关系

i 与容量：

在给定介质和厚度情况下，剩下跟随容量变化的可变量为电极平面数目。可以近似认为，电容为许多小电容并联，因此，其ESR随着容量的增加，并联数目增多而减少。

图5. 陶瓷电容的容量和ESR的关系

ii 与频率：

随着频率增加，介质层电阻减小（频率变化影响介质的参数，提高其绝缘性能和效率），在一 定频率（1MHz）后，介质层电阻减小到对整体ESR的影响很小，而可以忽略。另外，接触面所呈现的小电容在高频下，容抗减小，更是减小了ESR，但这些到了一定高频（30MHz）后，随着电极层的趋肤效应出现，ESR开始增大。在器件在或接近自谐振点时，其ESR达到最小值。

iii 与温度：

陶瓷电容的ESR与温度呈线性反比例关系，但比例系数与介质有关，如下面图，X7R为5， 而NPO为1.5。温度主要影响了介质层分子极化的初始势能，从而影响了介质层电阻；另外，电极及端极的膨胀压缩导致接触面压力增加，更是影响了整体的ESR。

图6. ESR与温度关系

iv 与尺寸：

长宽比，越短越宽，则内电极自身电阻越小，而且越宽接触面积越大，则相应接触电阻也会减小。

2.3 ESL值

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：ESL=394.727* (1.052^L)* (1.317 ^L/W )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。

图7. X7R电容的阻抗特性

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使用中的可靠性需要关注的地方

3.1 可靠应用关注点

多层陶瓷电容器由于其介质和结构关系，主要关注机械应力以及在施加温度、电压变化下参数变化问题。它本身的内在可靠性十分优良，可以长时间稳定使用。但如果器件本身存在缺陷或在组 装过程中引入缺陷，则会对其可靠性产生严重影响。

3.2 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。

3.3 多层陶瓷电容器的质量控制

多层陶瓷电容器的特点是在没有内在缺陷并且组装过程也未引入其它缺陷的前提下，可靠性优 越。但是如果存在缺陷，则无论是内在的还是外在的都可能对器件可靠性产生严重影响。同时组装 后的陶瓷电容器潜在缺陷很难通过无损、在线检测等发现，因而多层陶瓷电容器的质量控制主要必 须通过预防性措施解决。常见预防措施包括：

1.对供应商进行认真选择、对其产品进行定期抽样检测等。

2.对组装工艺中所有可能导致热应力、机械应力的操作进行认真的分析及有效的控制。

考虑到多层陶瓷电容器的特点，对器件进行的检测可以主要包括：

1.结构分析: 即采用金相剖面手段抽检样品。可以对器件产生的制造水平，内在缺陷等有一全 面了解。

2.扫描超声分析 : 可以十分有效地探测空洞、分层、水平裂纹等缺陷耐温度试验考察高温及温 度冲击可能带来的器件开裂、Ag/Pd层外露等缺陷。弯曲试验: 按照相关标准将器件组装在规定的印 刷电路板上，进行弯曲试验，以考察器件抗弯曲能力。当然陶瓷电容器还有很多其它检测指标，可 根据具体情况增加或减少检查项目，以达到用最低的成本达到最有效的控制。

组装工艺中主要考察及控制项目：

1.回流或波峰焊温度曲线，一般器件工艺商都会提供相关的建议曲线。通过组装良品率的积累 和分析，可以得到优化的温度曲线。

2.在组装工艺中印刷线路板操作和流转过程中特别是手工插件、铆钉连接、手工切割等工艺需 要特别加以注意。必要时甚至需要对产品设计进行修改，以最大限度地使多层陶瓷电容器避开在工 艺过程中可能产生较大机械应力的区域。

3.检查组装过程中的电检测 ICT工艺，必须注意尽量减小测试点机械接触所带来的机械应力。

4.返修工艺中温度曲线的设置。如使用烙铁返修，则焊头接触焊点的位置、时间等都必须加以 规范。

多层陶瓷电容器的质量控制为一系统工程，首先必须对实际生产中的失效样品进行分析以确定 失效的根本原因，在此基础上逐步提出改进措施并最终达到最优化的控制。

3.4 总结

1）陶瓷电容由于其介质和构造问题，ESR、ESL参数都很小，这使得它在高频滤波场合有广泛 应用，一般其应用频率为1MHz到1GHz，高于GHz的滤波是通过PCB板间电容来实现的。

2）陶瓷电容主要受机械应力影响。