【導(dǎo)讀】1900年意大利L.隆巴迪發(fā)明陶瓷介質(zhì)電容器。30年代末人們發(fā)現(xiàn)在陶瓷中添加鈦酸鹽可使介電常數(shù)成倍增長,因而制造出較便宜的瓷介質(zhì)電容器。
一、陶瓷電容器的由來
1900年意大利L.隆巴迪發(fā)明陶瓷介質(zhì)電容器。30年代末人們發(fā)現(xiàn)在陶瓷中添加鈦酸鹽可使介電常數(shù)成倍增長,因而制造出較便宜的瓷介質(zhì)電容器。
1940年前后人們發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)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(shè)備當(dāng)中。
而陶瓷疊片電容器于1960年左右作為商品開始開發(fā)。到了1970年，隨著混合IC、計(jì)算機(jī)、以及便攜電子設(shè)備的進(jìn)步也隨之迅速的發(fā)展起來，成為電子設(shè)備中不可缺少的零部件?，F(xiàn)在的陶瓷介質(zhì)電容器的全部數(shù)量約占電容器市場的70%左右。
陶瓷介質(zhì)電容器的絕緣體材料主要使用陶瓷，其基本構(gòu)造是將陶瓷和內(nèi)部電極交相重疊。
陶瓷材料有幾個(gè)種類，自從考慮電子產(chǎn)品無害化特別是無鉛化后，高介電系數(shù)的PB(鉛)退出陶瓷電容器領(lǐng)域，現(xiàn)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(chǎn)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。
由于原材料豐富，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，而且電容量范圍較寬(一般有幾個(gè)PF到上百μF)，損耗較小，電容量溫度系數(shù)可根據(jù)要求在很大范圍內(nèi)調(diào)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(zhì)材料特性可分為Ⅰ型、Ⅱ型和半導(dǎo)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(jié)構(gòu)形狀可分為圓片形、管型、鼓形、瓶形、筒形、板形、疊片、獨(dú)石、塊狀、支柱式、穿心式等。
二、陶瓷電容器的分類
陶瓷電容器從介質(zhì)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(ClassⅠceramiccapacitor)，過去稱高頻陶瓷電容器(High-freqencyceramiccapacitor)，是指用介質(zhì)損耗小、絕緣電阻高、介電常數(shù)隨溫度呈線性變化的陶瓷介質(zhì)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(wěn)定的電路，或用于溫度補(bǔ)償。
Ⅱ類陶瓷電容器(ClassⅡceramiccapacitor)過去稱為為低頻陶瓷電容器(Lowfrequencycermiccapacitor)，指用鐵電陶瓷作介質(zhì)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(shè)備中用于旁路、耦合或用于其它對損耗和電容量穩(wěn)定性要求不高的電路中。
Ⅰ類陶瓷電容器
按美國電工協(xié)會(EIA)標(biāo)準(zhǔn)為C0G(是數(shù)字0，不是字母O，有些文獻(xiàn)筆誤為COG)或NP0(是數(shù)字0，不是字母O，有些文獻(xiàn)筆誤為NPO)以及我國標(biāo)準(zhǔn)的CC系列等型號的陶瓷介質(zhì)(溫度系數(shù)為0±30PPM/℃)。
這種介質(zhì)極其穩(wěn)定，溫度系數(shù)極低，而且不會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，損耗因數(shù)不受電壓、頻率、溫度和時(shí)間的影響，介電系數(shù)可以達(dá)到400，介電強(qiáng)度相對高。
這種介質(zhì)非常適用于高頻(特別是工業(yè)高頻感應(yīng)加熱的高頻功率振蕩、高頻無線發(fā)射等應(yīng)用的高頻功率電容器)、超高頻和對電容量、穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求定時(shí)、振蕩電路的工作環(huán)境。
這種介質(zhì)電容器唯一的缺點(diǎn)是電容量不能做得很大(由于介電系數(shù)相對小)，通常1206表面貼裝C0G介質(zhì)電容器的電容量從0.5PF~0.01μF。
Ⅱ類陶瓷電容器
Ⅱ類的穩(wěn)定級陶瓷介質(zhì)材料如美國電工協(xié)會(EIA)標(biāo)準(zhǔn)的X7R、X5R以及我國標(biāo)準(zhǔn)的CT系列等型號的陶瓷介質(zhì)(溫度系數(shù)為±15.0%)。
這種介質(zhì)的介電系數(shù)隨溫度變化較大，不適用于定時(shí)、振蕩等對溫度系數(shù)要求高的場合，但由于其介電系數(shù)可以做得很大(可以達(dá)到1200)，因而電容量可以做得比較大，適用于對工作環(huán)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(dá)到10μF或在再高一些;
II類的可用級陶瓷介質(zhì)材料如美國電工協(xié)會(EIA)標(biāo)準(zhǔn)的Z5U、Y5V以及我國標(biāo)準(zhǔn)的CT系列的低檔產(chǎn)品型號等陶瓷介質(zhì)(溫度系數(shù)為Z5U的+22%，-56%和Y5V的+22%，-82%)。
這種介質(zhì)的介電系數(shù)隨溫度變化較大，不適用于定時(shí)、振蕩等對溫度系數(shù)要求高的場合，但由于其介電系數(shù)可以做得很大(可以達(dá)到1000~12000)，因而電容量可以做得比更大，適用于一般工作環(huán)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(zhì)電容器量甚至可以達(dá)到100μF，在某種意義上是取代鉭電解電容器的有力競爭對手。
三、陶瓷電容器的溫度特性
應(yīng)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(zhì)，其溫度特性有極大的差異。
第一類陶瓷介質(zhì)電容器的溫度性質(zhì)
根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)EIA-198-D，在用字母或數(shù)字表示陶瓷電容器的溫度性質(zhì)有三部分：第一部分為(例如字母C)溫度系數(shù)α的有效數(shù)字;第二位部分有效數(shù)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(shù)字所表達(dá)的意義如表。
例如，C0G(有時(shí)也稱為NP0)表示為：第一位字母C為溫度系數(shù)的有效數(shù)字為0，第二位數(shù)字0為有效溫度系數(shù)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(shù)的有效數(shù)字為0，第二位數(shù)字0為有效溫度系數(shù)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(shù)的有效數(shù)字為3.3，第二位數(shù)字2為有效溫度系數(shù)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(zhì)為例。
C0G介質(zhì)的變化量僅0±30ppm/℃，實(shí)際上C0G的電容量隨溫度變化小于0±30ppm/℃，大約為0±30ppm/℃的一半
第二類陶瓷介質(zhì)電容器的溫度性質(zhì)
根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)EIA-198-D，在用字母或數(shù)字表示陶瓷電容器的溫度性質(zhì)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(shù)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(shù)字所表達(dá)的意義如表。
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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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%，
四、陶瓷電容器的阻抗頻率特性
第一類介質(zhì)的陶瓷電容器的ESR隨頻率而上升，如圖：
陶瓷電容器的ESR頻率特性：
第一類介質(zhì)的陶瓷電容器阻抗頻率特性：
第二類陶瓷電容器的阻抗頻率特性：
陶瓷電容器的損耗因數(shù)與頻率的關(guān)系：
陶瓷電容器的阻抗頻率特性：
陶瓷電容器的絕緣電阻與溫度的關(guān)系：
損耗因數(shù)與溫度的關(guān)系：
五、電容量與直流偏置電壓的關(guān)系
第一類介質(zhì)電容器的電容量與直流偏置電壓無關(guān)。
第二類介質(zhì)電容器的電容量隨直流偏置電壓變化，如圖。
Y5V介質(zhì)電容器的電容量隨直流偏置電壓變化非常大，從無偏置時(shí)的100%電容量下降到額定電壓下的直流偏置電壓時(shí)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(shí)僅為不到2.5μF!
在高溫時(shí)由于電容量已經(jīng)下降到很低，所以這時(shí)的電容量隨直流偏置電壓的變化不大。
X7R介質(zhì)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。
六、陶瓷電容器所允許加載的交流電壓與電流同頻率的關(guān)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(yīng)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(shí)，由于電容量遠(yuǎn)大于C0G，故所施加的電壓將遠(yuǎn)小于C0G。
第一類介質(zhì)電容器的允許電壓、電流與頻率的關(guān)系：
七、第一類介質(zhì)電容器的允許電壓、電流與頻率的解讀
當(dāng)加載頻率相對較低時(shí)，即使加載交流電壓為額定交流電壓時(shí)，流過電容器的電流低于額定電流時(shí)，電容器允許加載額定交流電壓，即左圖的平直部分;
當(dāng)加載頻率升高到即使加載電壓沒有達(dá)到交流額定電壓時(shí)的電容器中流過的交流電流已達(dá)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(xù)上升，電容器的損耗因數(shù)而導(dǎo)致的發(fā)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(shí)即使電流沒有達(dá)到額定電流，但電容器上的交流電壓已達(dá)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(dāng)加載頻率上升到即使電容器上的交流電壓沒達(dá)到額定電壓時(shí)加載的交流電流已經(jīng)達(dá)到額定電流值這時(shí)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(fā)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(zhì)陶瓷電容器由于電容量相對第一類介質(zhì)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(zhì)電容器大多討論所允許加載的紋波電流電流。
貼片陶瓷電容器的尺寸與耗散功率：
八、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(chǎn)的貼片電容來講有NPO、X7R、Z5U、Y5V等不同的規(guī)格，不同的規(guī)格有不同的用途。
在使用過程中我們也經(jīng)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(chǎn)生的原因以及對此應(yīng)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(zhì)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(jī)械應(yīng)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(jī)械應(yīng)力。
因此，對于貼片陶瓷電容器來說，由于熱膨脹系數(shù)不同或電路板彎曲所造成的機(jī)械應(yīng)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(jī)械力后斷裂的示意如下圖：
陶瓷貼片電容器機(jī)械斷裂后，斷裂處的電極絕緣間距將低于擊穿電壓，會導(dǎo)致兩個(gè)或多個(gè)電極之間的電弧放電而徹底損壞陶瓷貼片電容器。
機(jī)械斷裂后，由于電極間放電的陶瓷貼片電容器剖面，顯微結(jié)構(gòu)如下圖：
對于陶瓷貼片電容器機(jī)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(yīng)力、減小陶瓷貼片電容器與電路板的熱膨脹系數(shù)的差異而引起的機(jī)械應(yīng)力。
推薦閱讀：
