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電子電路

常見問題 FAQ

以下資訊來源於村田制作所、太陽誘電網站,如有任何疑問可前往各官方網站參照。

什麼是MLCC積層陶瓷電容?

陶瓷電容器是以陶瓷為介電質電容器。其結構是由二層或更多層交替出現的陶瓷層和金屬層所組成,金屬層連結到電容器的電極。陶瓷材料的成份決定了陶瓷電容器的電氣特性及其應用範圍,依穩定性可分為以下三類:

  • Class 1 陶瓷電容器:有高穩定性和低損失,適用於諧振電路的應用。

  • Class 2 陶瓷電容器:其容積效率高,但穩定性及準確度較差,適用於緩衝、解耦及旁路電路。

  • Class 3 陶瓷電容器:其容積效率更高,但其穩定性及準確度更差。

陶瓷電容器是電子設備中最常使用的電容,每年的產量約為一兆顆。其中最常用的是積層陶瓷電容器(MLCC),且有採用表面安裝技術的元件。


結構

各種陶瓷電容

陶瓷電容是有二個端子的非極性元件。早期最常使用陶瓷電容是碟型電容器,比電晶體問世的時間要早,在1930年代到1950年代就應用在許多的真空管設備(如廣播接收器)中,後來陶瓷電容也廣泛使用在電晶體設備中。至2007年止,由於陶瓷電容相較於其他低容值電容的高容量及低成本優勢,陶瓷電容仍廣泛使用在各種電子設備中。

陶瓷電容可分為以下幾種不同的形狀及様式:

  • 碟型,有樹脂塗層,插入式封裝的電容

  • 由多層電容組成長方體的表面安裝技術電容

  • 沒有針腳的碟型電容,一般會放在電路板的槽中,直接銲接在電路板上,常用在特高頻(UHF)的應用。

  • 圓筒型的,目前已不使用。

陶瓷電容分類

一般販售的陶瓷電容可分為以下三類:

  • Class 1 陶瓷電容:有溫度補償,電容值準確的電容器。在不同的電壓、溫度下的穩定性最佳,且其損失最少。但是其容積效率也最低。典型Class 1電容的溫度係數為30 ppm/°C,而且對溫度的線性度很高,Class 1 陶瓷電容的散逸因數約為0.15%,因此適用在高品質因子的濾波器中。一般Class 1電容的電容誤差約為5%至10%,也可以找到高準確度,誤差只有1%的電容器。最高準確度的Class 1電容其標示為C0G或NP0。

  • Class 2 陶瓷電容:其容積效率較Class 1電容要好,但其電容準確度及穩定性較差。一般的Class 2電容在−55°C至85°C的溫度範圍內,電容量誤差值會在15%以內。Class 2電容的散逸因數約為2.5%。

  • Class 3 陶瓷電容:其容積效率更好,但其電容準確度及穩定性也更差。一般的Class 3電容在10°C至55°C的溫度範圍內,電容量會有-22%至+56%的變化。Class 3電容的散逸因數約為4%。一般Class 3電容會用在去耦電容及其他電源供應器的應用中。

以往曾經有販售Class 4 陶瓷電容,其電氣特性更差,但容積效率更好。不過先進的多層陶瓷電容可以在小封裝內有更好的電氣特性,因此取代了Class 4 陶瓷電容。

上述三類的電容大約對應低K(介電係數)、中K及高K的電容。三類的電容中沒有哪一類是最好的,需針對應用需求選擇適用的電容器。Class I 電容器體積比Class 3電容器要大,若只是用於旁路及非濾波器的用途時,電容器只需考慮成本及容積效率,其準確度、穩定性及損失係數都不是主要考量,此時不適合使用Class 1 電容器,因此Class 1 電容器主要用在濾波器中,此領域除了使用Class 1 陶瓷電容器外,低頻應用還可以使用薄膜電容,射頻的應用則需要用更複雜的電容器。Class 3電容器一般用在電源供應器中,此應用由於體積上的限制,除了Class 3電容器外很難找到其他適用的電容器,隨著陶瓷技術的進步,陶瓷電容器的容值範圍也逐漸擴大,目前最大可以到100 µF,許多應用已開始用陶瓷電容器來取代電解電容,陶瓷電容器的性能比會相同容值的電解電容要好,雖然其成本較電解電容要高,但隨著技術的提昇,其價格也越來越低。

編碼

陶瓷電容上會印有三位數的編碼標示其電容值,前二個數字標示容值最高的二位數,最後一數字則標示10的次方,其單位為皮法拉 (pF)。數字後會有一個字母標示其電容允差範圍。

B± 0.1 pF

C± 0.25 pF

M±20%

D± 0.5 pF

P+100 −0%

J± 5%

Y−20 +50%

K±10%

Z−20 + 80%

例:一陶瓷電容標示104K,表示其容值為10×104 pF = 100,000 pF = 100 nF = 0.1 µF ±10%

EIA也有針對電容的溫度係數有三個字的識別碼。對於不是Class 1的非溫度補償型電容,第一個字對應工作溫度的下限,第二個字為數字,對應工作溫度的上限,第三個字對應在上述溫度範圍內的電容值變動:

字母(低溫)                數字(高溫)                   字母(容值變動)

X= −55 °C (−67 °F)       2= +45 °C (+113 °F)         D= ±3.3%

Y= −30 °C (−22 °F)       4= +65 °C (+149 °F)         E= ±4.7%

Z= +10 °C (+50 °F)       5= +85 °C (+185 °F)         F= ±7.5%

                                      6=+105 °C (+221 °F)        P= ±10%

                                      7=+125 °C (+257 °F)        R= ±15%

                                      8=+150 °C (+302 °F)        S= ±22%

                                                                                T= +22 to −33%

                                                                                U= +22 to −56%

                                                                                V= +22 to −82%

一個標示Z5U的電容,其工作溫度為+10°C至+85°C,容值變動範圍在+22%至−56%之間。標示X7R的電容,其工作溫度為-55°C至+125°C,容值變動範圍在±15%之間。

溫度補償型電容也針對電容的溫度係數有三個字的識別碼,但規則和上述的不同。第一個字表示電容隨溫度的變動量,以ppm/°C來表示,第二個字是其10的乘冪,第二個字是電容隨溫度的變動量(以ppm/°C來表示)的最大允許誤差,所以數值均是以25至85 °C為準。

一個標示C0G的電容,其容值不會隨溫度變化,誤差在±30 ppm/°C之間,而標示P3K的電容,其容值飄移量為−1500 ppm/°C,最大誤差在±250 ppm/°C。

除了EIA的電容識別碼外,也有工業及軍事應用的電容識別碼。

高頻使用

陶瓷電容的電感性較其他主要電容器(薄膜電容或電解電容)要低,因此適用於高頻的應用,一般可以到達數百MHz,若在電路上進行微調,甚至可以到達1GHz。若希望達到更高自共振頻率,需要使用更昂貴及少見的電容,例如玻璃電容或雲母電容。

村田製作所的陶瓷電容器所能承受的允許漣波電流是多少?

多層陶瓷電容器並沒有規定的允許電流 (漣波) 規格,但是,請嚴格遵守以下各點要求,並在使用前在實際電路中對其進行確認。

請確認連續施加交流電壓或脈衝電壓時,電容器是否具備可通過大電流的使用條件。 將直流額定電壓產品用在交流電壓的電路或脈衝電壓的電路中時,由於會通過交流電壓或脈衝電壓,請確認自發熱狀態。 請確認電容器的表面溫度在包括自發熱引起的溫度上升的使用溫度的上限範圍以內。 將電容器用於高頻電壓或脈衝電壓中時,會存在因介電損耗而引起的發熱情況。

・額定電壓在DC100V以下時適用

在環境溫度為25°C的狀態下測定時,產品本身的自發熱溫度在20°C以內,請確保在實機中電容器的表面溫度在超高使用溫度範圍內使用。

・額定電壓在DC200V以上的溫度特性X7R(R7)、X7T(D7)適用

在環境溫度為25°C的狀態下測定時,請確保電容器本身的自發熱溫度在20°C以內使用。 此外,在測定的時候,請使用熱容量少的ø0.1mm的K型熱電偶,請在不會因為其他元件的輻射熱和對流而對風產生影響的狀態下進行測定。

過度發熱有可能會造成電容器的特性以及可靠性下降。


(在使用冷卻風扇的狀態下進行測定時,有可能會導致無法正確測定的情況,請務必禁止這樣操作。)

・額定電壓在DC200V以上的溫度特性U2J(7U)、C0G(5C)適用

低損耗系列由於自發熱溫度低,與一般性的X7R(R7)特性相比允許功率非常大。 但是,如果施加額定電壓時自發熱達到20°C的負載溫度的話,有可能會超過允許功率。

電容器即便是完全相同的產品,陶瓷材質色澤也會有不同嗎?

是的,即便是完全相同的產品也會因為內部電極透光程度不同而造成產品的上下面和側面的色澤不同。

不僅如此,由於製造工程或原料生產批次號碼的管理範圍變化也有可能造成產品色澤的偏差。 但是,這些變動並不會影響到產品的性能和信賴性,由於內部電極透光程度引起產品色澤不同。

電容器在電路中起到何種作用?

電容器是在電路中儲存、釋放電荷的電子元件。
電容器也可不通直流通交流。 可以說它是電子電路中必須用到的,也是電子設備不可或缺的元件。

多層陶瓷電容器具備何種特性?

在各種電容器中,多層陶瓷電容器小型且靜電容量範圍廣,在靜噪、電源電壓平滑、濾波等多種電路中使用。 最近,電容器也成為手機、電視機的高功能化所不可或缺的元件。
它具備靜電容量隨溫度變化而變化的溫度特性,及較好的高頻特性。

陶瓷電容器用於哪些用途?

陶瓷電容器用於多種用途的各種電路。
代表性的電容器用途有耦合、去耦、平滑、濾波4種。

電容器的靜電容量的電壓特性是?

電容器的實際靜電容量值會隨直流(DC)和交流(AC)的電壓變化而變化,這現象稱為電壓特性。
變化幅度較小則電壓特性良好,較大則電壓特性較差。 當電容器用於去除電源線的漣波等電子設備時,需要考慮工作電壓條件再進行設計。

電容器的阻抗/ESR的頻率特性是?

電容器的阻抗大小|Z|和等效串聯電阻(ESR)會隨頻率的變化而改變。
這稱為頻率特性。 依電容器的種類不同,頻率特性差異較大,多層陶瓷電容器在高頻下阻抗低,顯示其優異的特性。 此外,多層陶瓷電容器中的原料和形狀的差異也分成許多種類。

為什麼陶瓷電容器厚度變薄,但靜電容量增加了?

根據C=ε×S/d的公式,增加電容器的靜電容量的方法有以下三種。

  1. 擴大ε(介電常數)

  2. 擴大S(電極面積)

  3. 縮小d(介電體厚度)

1,2給人比較直觀的印象,而關於3,一般會以為介電體越厚,儲存的電荷越多,但事實卻恰恰相反。
這是因為電荷儲存於2個電極中,並非儲存於介電體中。

陶瓷電容器是否會發生由低溫造成斷裂現象?

無需擔心因低溫放置而產生斷裂現象。
由於介電材料為陶瓷,所以請避免因驟冷驟熱所引起的熱衝擊或熱衝擊循環。

電容器阻抗的頻率特性是什麼?
電容器的ESR、ESL是什麼?

電容器的阻抗隨靜電容量和頻率而變化。在理想的電容器中,靜電容量越大,阻抗越低,頻率越高,阻抗越低。

實際的電容器中存在電阻和電感的成分。其特性可以簡單地以C、R、L的串聯等效電路模型來表現,該R稱為等效串聯電阻 (ESR) ,L稱為等效串聯電感 (ESL) 。

ESL與靜電容量相反,頻率越高,阻抗越高。因此,ESL會以某一頻率為界限,隨著頻率的增加阻抗變大。 這個轉折點的頻率叫做諧振頻率。在諧振頻率下,靜電容量和ESL相互抵消阻抗,只有ESR作為阻抗存在。

因此,電容器的阻抗取決於頻率,具有頻率特性。

ESR、ESL都是降低電容器效能的原因,一般來說,其值越低,電容器的效能越好。具體來說,ESR值高的話,會產生發熱、IC工作時的電壓下降等不良影響,ESL值高的話,會產生波形的振鈴 (紊亂) 等不良影響。


在實際的電容器中,ESR、ESL也會根據頻率而變化,因此掌握關注頻帶的ESR、ESL非常重要。

電容器的靜電容量是什麼?

靜電容量是表示電容器的蓄電能力的物理量,以F (Farad) 為單位表示。

"在陶瓷電容器的使用範圍內,由於F單位過大,因此常使用μF (微法,法拉多的100萬分之一)、pF (皮法,法拉的1兆分之一)單位。
"根據人和使用的部位、狀況,基準有所不同,陶瓷電容器大致分為1μF以上為大容量,低於1000pF為小容量。

漣波電流是什麼?

電容器中的漣波電流,主要指在電源電路中,由於IC的負載電流發生變動,因而流經電容器的電流。

此時,由於電容器具有稱為ESR的電阻成分,因此漣波電流會使電容器發熱。
在鋁電解電容器等,規定了能夠通過電容器的最大電流值,即因發熱引起的溫度上升達到某一值 (因廠商而異) 的電流值。
這叫做容許漣波電流。

陶瓷電容器沒有容許漣波電流的規定,但由於陶瓷電容器的ESR特性一般比鋁電解電容器等好,因此有即使在相同的電流值下也能抑制發熱的傾向。

MSL是什麼?

MSL主要是用於半導體等的封裝的密封樹脂會吸收空氣中的水分,為了防止回流焊等時候因吸收的水分氣化引起體積膨脹而導致破損的現象為目的而製定的JEDEC標準。


在標準中,根據損壞的風險設定等級 (Moisture Sensitivity Level) ,並且在包裝時根據等級與乾燥材料捆綁在一起,並且在打開後超過一定時間,需要採取烘烤處理等對策。

因吸收水分引起的破損主要是由於電子零件中使用的密封樹脂造成的,因此未使用密封樹脂的陶瓷電容器不屬於該規格的物件。

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