下面我們進入陶瓷電容的容值變化的世界。

 

一、電壓值變大了，電容值變?。蛪悍秶詢?nèi)）

 

 

在給出的多種電容類型中，最常用的是X5R、X7R。所有的型號在環(huán)境條件變化時都會出現(xiàn)電容值變化。尤其Y5V在整個環(huán)境條件區(qū)間內(nèi)，會表現(xiàn)出極大的電容量變化。

 

當電容公司開發(fā)產(chǎn)品時，他們會通過選擇材料的特性，使電容能夠在規(guī)定的溫度區(qū)間（第一個和第二個字母），工作在確定的變化范圍內(nèi)（第三個字母）。我正在使用的是X7R電容，它在-55°C到+125°C之間的變化不超過±15%。

 

當我們在電容兩端加上電壓時，我們發(fā)現(xiàn)電壓就會導(dǎo)致電容值的變化（在耐壓范圍以內(nèi)）。電容隨著設(shè)置條件的變化量是如此之大。我選擇的是一只工作在12V偏壓下的耐壓16V電容。數(shù)據(jù)表顯示，4.7-μF電容在這些條件下通常只提供1.5μF的容量。

 

 

我們可以看到，不同的型號，不同的耐壓，不同的封裝的電容，隨著電壓上升的下降趨勢。

 

對于某個給定的封裝尺寸和瓷片電容類型，電容的額定電壓似乎一般沒有影響。

 

二、交流偏壓特性

 

除了上面描述的直流電壓會影響電容的容值，在電容上面的交流量也會影響電容的容值。

 

 

三、隨著溫度的變化，不同型號的電容容值有不同的走勢。

 

 

四、ESR和ESL

 

電容器(圖3)中除有容量成分Ｃ外，還有因電介質(zhì)或電極損耗產(chǎn)生的電阻（ESR）及電極或?qū)Ь€產(chǎn)生的寄生電感(ESL)。因此，|Z|的頻率特性如圖4所示呈V字型（部分電容器可能會變?yōu)閁字型）曲線，ESR也顯示出與損耗值相應(yīng)的頻率特性。

 

實際電容器

 

實際電容器的|Z|/ESR頻率特性(例)

 

|Z|和ESR變?yōu)樯蠄D曲線的原因如下：

 

低頻率范圍：低頻率范圍的|Z|與理想電容器相同，都與頻率呈反比趨勢減少。ESR值也顯示出與電介質(zhì)分極延遲產(chǎn)生的介質(zhì)損耗相應(yīng)的特性。

 

共振點附近：頻率升高，則|Z|將受寄生電感或電極的比電阻等產(chǎn)生的ESR影響，偏離理想電容器（紅色虛線），顯示最小值。|Z|為最小值時的頻率稱為自振頻率，此時|Z|=ESR。若大于自振頻率，則元件特性由電容器轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼?，|Z|轉(zhuǎn)而增加。低于自振頻率的范圍稱作容性領(lǐng)域，反之則稱作感性領(lǐng)域。

 

ESR除了受介電損耗的影響，還受電極自身抵抗行程的損耗影響。

 

高頻范圍：共振點以上的高頻率范圍中的|Z|的特性由寄生電感(L)決定。高頻范圍的|Z|可由公式(2)近似得出，與頻率成正比趨勢增加。

ESR逐漸表現(xiàn)出電極趨膚效應(yīng)及接近效應(yīng)的影響。

 

 

以上為實際電容器的頻率特性。重要的是，頻率越高，就越不能忽視寄生成分ESR或ESL的影響。隨著電容器在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，ESR和ESL與靜電容量值一樣，成為表示電容器性能的重要參數(shù)。

 

以上就電容器寄生成分ESR、ESL對頻率特性的巨大影響進行了說明。電容器種類不同，則寄生成分也會有所不同。接下來對不同種類電容器頻率特性的區(qū)別進行說明。

 

下圖表示靜電容量10uF各種電容器的|Z|及ESR的頻率特性。除薄膜電容器以外，全是SMD型電容器。

 

各種電容器的|Z|/ESR頻率特性

 

上圖所示電容器的靜電容量值均為10uF，因此頻率不足1kHz的容量范圍|Z|均為同等值。但1kHz以上時，鋁電解電容器或鉭電解電容器的|Z|比多層陶瓷電容器或薄膜電容器大，這是因為鋁電解電容器或鉭電解電容器的電解質(zhì)材料的比電阻升高，導(dǎo)致ESR增大。薄膜電容器或多層陶瓷電容器的電極中使用了金屬材料，因此ESR很低。

 

多層陶瓷電容器和引腳型薄膜電容器在共振點附近的特性基本相同，但多層陶瓷電容器的自振頻率高，感應(yīng)范圍的|Z|則較低。這是由于引腳型薄膜電容器中只有引腳線部分的電感增大了。

 

由以上結(jié)果可以得出，SMD型的多層陶瓷電容器在較寬的頻率范圍內(nèi)阻抗都很低，也最適于高頻用途。

 

下圖為長度l縮短，寬度w增大的LW逆轉(zhuǎn)型電容器。由圖中的頻率特性可知，即使容量相同，LW逆轉(zhuǎn)型電容器的阻抗低于一般電容器，特性優(yōu)良。使用LW逆轉(zhuǎn)型電容器，即使數(shù)量少于一般電容器，也可獲得同等性能，通過減少元件數(shù)量可以降低成本，縮減實裝面積。

 

LW逆轉(zhuǎn)型電容器的外觀

 

 

五、失效

 

多層片狀陶介電容器由陶瓷介質(zhì)、端電極、金屬電極三種材料構(gòu)成，失效形式為金屬電極和陶介之間層錯，電氣表現(xiàn)為受外力（如輕輕彎曲板子或用烙鐵頭碰一下）和溫度沖擊（如烙鐵焊接）時電容時好時壞。

 

多層片狀陶介電容器具體不良可分為:

 

1、熱擊失效

2、扭曲破裂失效

3、原材失效三個大類

 

（１）熱擊失效模式：

 

熱擊失效的原理是：在制造多層陶瓷電容時，使用各種兼容材料會導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)張力的不同熱膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率。當溫度轉(zhuǎn)變率過大時就容易出現(xiàn)因熱擊而破裂的現(xiàn)象，這種破裂往往從結(jié)構(gòu)最弱及機械結(jié)構(gòu)最集中時發(fā)生，一般是在接近外露端接和中央陶瓷端接的界面處、產(chǎn)生最大機械張力的地方（一般在晶體最堅硬的四角），而熱擊則可能造成多種現(xiàn)象：

 

第一種是顯而易見的形如指甲狀或U-形的裂縫

 

 

第二種是隱藏在內(nèi)的微小裂縫

 

 

第二種裂縫也會由裸露在外的中央部份，或陶瓷/端接界面的下部開始，并隨溫度的轉(zhuǎn)變，或于組裝進行時，順著扭曲而蔓延開來（見圖4）。

 

 

第一種形如指甲狀或U-形的裂縫和第二種隱藏在內(nèi)的微小裂縫，兩者的區(qū)別只是后者所受的張力較小，而引致的裂縫也較輕微。第一種引起的破裂明顯，一般可以在金相中測出，第二種只有在發(fā)展到一定程度后金相才可測。

 

（２）扭曲破裂失效

 

此種不良的可能性很多：按大類及表現(xiàn)可以分為兩種：

 

第一種情況、SMT階段導(dǎo)致的破裂失效

 

當進行零件的取放尤其是SMT階段零件取放時，取放的定中爪因為磨損、對位不準確，傾斜等造成的。由定中爪集中起來的壓力，會造成很大的壓力或切斷率，繼而形成破裂點。

 

這些破裂現(xiàn)象一般為可見的表面裂縫，或2至3個電極間的內(nèi)部破裂；表面破裂一般會沿著最強的壓力線及陶瓷位移的方向。

 

 

真空檢拾頭導(dǎo)致的損壞或破裂﹐一般會在芯片的表面形成一個圓形或半月形的壓痕面積﹐并帶有不圓滑的邊緣。此外﹐這個半月形或圓形的裂縫直經(jīng)也和吸頭相吻合。

 

另一個由吸頭所造成的損環(huán)﹐因拉力而造成的破裂﹐裂縫會由組件中央的一邊伸展到另一邊﹐這些裂縫可能會蔓延至組件的另一面﹐并且其粗糙的裂痕可能會令電容器的底部破損。

 

 

第二種、SMT之后生產(chǎn)階段導(dǎo)致的破裂失效

 

電路板切割﹑測試﹑背面組件和連接器安裝﹑及最后組裝時，若焊錫組件受到扭曲或在焊錫過程后把電路板拉直，都有可能造成‘扭曲破裂’這類的損壞。

 

在機械力作用下板材彎曲變形時，陶瓷的活動范圍受端位及焊點限制，破裂就會在陶瓷的端接界面處形成，這種破裂會從形成的位置開始，從45°角向端接蔓延開來。

 

 

（３）原材失效

 

多層陶瓷電容器通常具有2大類類足以損害產(chǎn)品可靠性的基本可見內(nèi)部缺陷：

 

電極間失效及結(jié)合線破裂燃燒破裂。

 

這些缺陷都會造成電流過量，因而損害到組件的可靠性，詳細說明如下：

 

1、電極間失效及結(jié)合線破裂主要由陶瓷的高空隙，或電介質(zhì)層與相對電極間存在的空隙引起，使電極間是電介質(zhì)層裂開，成為潛伏性的漏電危機；

 

2、燃燒破裂的特性與電極垂直，且一般源自電極邊緣或終端。假如顯示出破裂是垂直的話，則它們應(yīng)是由燃燒所引起；

 

 

備注：原材失效類中第一種失效因平行電容內(nèi)部層結(jié)構(gòu)分離程度不易測出，第三種垂直結(jié)構(gòu)金相則能保證測出

 

由熱擊所造成的破裂會由表面蔓延至組件內(nèi)部，而過大的機械性張力所引起的損害，則可由組件表面或內(nèi)部形成，這些破損均會以近乎45°角的方向蔓延，至于原材失效，則會帶來與內(nèi)部電極垂直或平行的破裂。

 

另外：熱擊破裂一般由一個端接蔓延至另一個端接﹐由取放機造成的破裂﹐則在端接下面出現(xiàn)多個破裂點﹐而因電路板扭曲而造成的損壞﹐通常則只有一個破裂點。

 

 

推薦閱讀：