片式電容及其應(yīng)用

片式電容及其應(yīng)用片式電容及其應(yīng)用引言片式電容具有容量大，體積小，容易片式化等特點(diǎn)，是當(dāng)今移動(dòng)通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)板卡以及家電遙控器中使用最多的元件之一。為了滿足電子設(shè)備的整機(jī)向小型化、大容量化、高可靠性和低成本方向發(fā)展的需要，片式電容本身也在迅速地發(fā)展：種類不斷增加，體積不斷縮小，性能不斷提高，技術(shù)不斷進(jìn)步，材料不斷更新，輕薄短小系列產(chǎn)品已趨向于標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。其應(yīng)用正逐步由消費(fèi)類設(shè)備向投資類設(shè)備滲透和發(fā)展。此外，片式電容還在朝著多元化的方向發(fā)展：①為了適應(yīng)便攜式通信工具的需求，片式電容器正向低電壓、大容量、超小和超薄的方向發(fā)展。②為了適應(yīng)某些電子整機(jī)(如軍用通信設(shè)備)的發(fā)展，高耐壓、大電流、大功率、超高Q值、低ESR型的中高壓片式電容器也是目前的一個(gè)重要的發(fā)展方向。③為了適應(yīng)線路高度集成化的要求，多功能復(fù)合片式電容器正成為技術(shù)研究熱點(diǎn)。1片式疊層陶瓷介質(zhì)電容器在片式電容器里用得最多的是片式疊層陶瓷介質(zhì)電容器。片式疊層陶瓷電容器(MLCC)，簡(jiǎn)稱片式疊層電容器(或進(jìn)一步簡(jiǎn)稱為片式電容器)，是由印好電極(內(nèi)電極)的陶瓷介質(zhì)膜片以錯(cuò)位的方式疊合起來(lái)，經(jīng)過(guò)一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層(外電極)，從而形成一個(gè)類似獨(dú)石的結(jié)構(gòu)體，故也叫獨(dú)石電容器，如圖1所示。圖1表明，片式疊層陶瓷電容器是一個(gè)多層疊合的結(jié)構(gòu)，其實(shí)質(zhì)是由多個(gè)簡(jiǎn)單平行板電容器的并聯(lián)體。因此，該電容器的電容量計(jì)算公式為C=NKA／t式中，C為電容量；N為電極層數(shù)；K為介電常數(shù)(俗稱K值)；A為相對(duì)電極覆蓋面積；t為電極間距(介質(zhì)厚度)。由此式可見(jiàn)，為了實(shí)現(xiàn)片式疊層陶瓷電容器大容量和小體積的要求。只要增大N(增加層數(shù))便可增大電容量。當(dāng)然采用高K值材料(降低穩(wěn)定性能)、增加A(增大體積)和減小t(降低電壓耐受能力)也是可以采取的辦法。這里特別說(shuō)一說(shuō)介電常數(shù)K值，它取決于電容器中填充介質(zhì)的陶瓷材料。電容器使用的環(huán)境溫度、工作電壓和頻率、以及工作的時(shí)間(長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性)等對(duì)不同的介質(zhì)會(huì)有不同的影響。通常介電常數(shù)(K值)越大，穩(wěn)定性、可靠性和耐用性能越差。常用的陶瓷介質(zhì)的主要成分是MgTiO3、CaTiO3、SrTiO3和TiO2再加入適量的稀土類氧化物等配制而成。其特點(diǎn)是介質(zhì)系數(shù)較大、介質(zhì)損耗低、溫度系數(shù)小、環(huán)境溫度適用范圍廣和高頻特性好，用在要求較高的場(chǎng)合(I類瓷介電容器)中。另一類是低頻高介材料稱為強(qiáng)介鐵電陶瓷，常用作Ⅱ類瓷介電容器的介質(zhì)，一般以BaTiO3為主體的鐵電陶瓷，其特點(diǎn)是介電系數(shù)特別高，達(dá)到數(shù)千，甚至上萬(wàn)；但是介電系數(shù)隨溫度呈非線性變化，介電常數(shù)隨施加的外電場(chǎng)也有非線性關(guān)系。目前最常用的多層陶瓷電容器介質(zhì)有三個(gè)類型：COG或NPO是超穩(wěn)定材料，K值為10～100；X7R是較穩(wěn)定的材料，K值為2000～4000；Y5V或Z5U為一般用途的材料，K值為5000～25000。在我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)里則分為I類陶瓷(CC4和CC41)及Ⅱ類陶瓷(CT4和CT41)兩種。上述材料中，COG和NPO為超穩(wěn)定材料，在-55℃～+125℃范圍內(nèi)電容器的容量變化不超過(guò)±30ppm／℃。其余材料是按其工作溫度的范圍和電容量的變化率來(lái)命名的。常用的陶瓷介質(zhì)的主要成分是MgTiO3、CaTiO3、SrTiO3和TiO2再加入適量的稀土類氧化物等配制而成。其特點(diǎn)是介質(zhì)系數(shù)較大、介質(zhì)損耗低、溫度系數(shù)小、環(huán)境溫度適用范圍廣和高頻特性好，用在要求較高的場(chǎng)合(I類瓷介電容器)中。另一類是低頻高介材料稱為強(qiáng)介鐵電陶瓷，常用作Ⅱ類瓷介電容器的介質(zhì)，一般以BaTiO3為主體的鐵電陶瓷，其特點(diǎn)是介電系數(shù)特別高，達(dá)到數(shù)千，甚至上萬(wàn)；但是介電系數(shù)隨溫度呈非線性變化，介電常數(shù)隨施加的外電場(chǎng)也有非線性關(guān)系。目前最常用的多層陶瓷電容器介質(zhì)有三個(gè)類型：COG或NPO是超穩(wěn)定材料，K值為10～100；X7R是較穩(wěn)定的材料，K值為2000～4000；Y5V或Z5U為一般用途的材料，K值為5000～25000。在我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)里則分為I類陶瓷(CC4和CC41)及Ⅱ類陶瓷(CT4和CT41)兩種。上述材料中，COG和NPO為超穩(wěn)定材料，在-55℃～+125℃范圍內(nèi)電容器的容量變化不超過(guò)±30ppm／℃。其余材料是按其工作溫度的范圍和電容量的變化率來(lái)命名的。下面是不同材質(zhì)電容器的性能和應(yīng)用事項(xiàng)：①NPO電容器NPO電容器是電容量和介質(zhì)損耗最穩(wěn)定的電容器。它的填充介質(zhì)是由銣、釤和一些其它稀有氧化物組成的。在溫度從-55℃到+125℃時(shí)容量變化為0±30ppm／℃，電容量隨頻率及相對(duì)使用壽命的變化都非常小。隨封裝形式不同，其電容量和介質(zhì)損耗隨頻率變化的特性也不同，大封裝尺寸的NPO電容器要比小封裝尺寸的頻率特性好。NPO電容器適合用于振蕩器、諧振器的槽路電容，以及高頻電路中的耦合電容。②X7R電容器X7R電容器被稱為溫度穩(wěn)定型的陶瓷電容器。當(dāng)溫度在-55℃到+125℃時(shí)其容量變化為15％，需要注意的是此時(shí)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是不同的，它也隨時(shí)間的變化而變化，但是要比Z5U和Y5V電容器好得多。X7R電容器主要應(yīng)用于要求不高的工業(yè)應(yīng)用，而且當(dāng)電壓變化時(shí)其容量變化是可以接受的條件下。它的主要特點(diǎn)是在相同的體積下電容量可以做的比較大。③Z5U電容器Z5U電容器稱為“通用”陶瓷片式電容器。它最主要優(yōu)點(diǎn)的是小尺寸和低成本。對(duì)于已經(jīng)講過(guò)的三種片式電容來(lái)說(shuō)，在同樣的體積下，Z5U電容器具有最大的電容量。但它的電容量受環(huán)境和工作條件影響較大，另外介質(zhì)損耗可以達(dá)到3％。盡管它的容量不穩(wěn)定，但是這種電容器所特有的體積小、等效串聯(lián)電感(ESL)和等效串聯(lián)電阻(ESR)低、以及良好的頻率響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，使得這種電容器還是獲得了廣泛的應(yīng)用，尤其是在退耦電路的應(yīng)用中。由于普通的兩端電容有引線電感，所以總的剩余電感較大，自諧振點(diǎn)也比較低。為了改進(jìn)普通引線式電容器的自諧振、且自諧振頻率偏低的問(wèn)題，村田制作所曾發(fā)展了一種引線式三端電容器，見(jiàn)圖7。與兩端電容相比，這個(gè)電容的上引線化成了兩根(所以三端電容有三根引線)。三端電容器的這兩根上引線化成了信號(hào)傳輸線的一部分，于是引線電感與電容器變成了一個(gè)“LC”濾波器。正是三端電容器巧妙地利用了引線電感，使得三端電容器對(duì)干擾的抑制作用更好。三端電容器也有自諧振問(wèn)題，為了最大限度地限制這個(gè)問(wèn)題，使用時(shí)三端電容器接地的這根引腳的長(zhǎng)度應(yīng)該受到限制。應(yīng)該說(shuō)片式二端電容器的出現(xiàn)對(duì)于改進(jìn)普通引線式電容器的自諧振問(wèn)題是很有好處的，因?yàn)槠蕉穗娙萜鞯囊€長(zhǎng)度得到了最