陶瓷电容与钽质电容及电解电容介绍.ppt

1 陶瓷電容與鉭質電容及電解電容簡介 ¡電容概述 ¡陶瓷電容 ¡鉭質電容 ¡鋁電解電容 ¡電容的性能比較 ¡電容失效模式 ¡電容的選用 ¡電容與電壓、電流紋波 2 一.電容概述 1.電容結構 自1746年荷蘭科學家發現電容以來，經過不斷的 發展，電容種類已經非常豐富，但其基本結構仍然 保持不變，如下圖所示： 电容用于存储電荷 ，它只能允许交流电经过，直流 电被阻挡在电路中，通常用于调谐、滤波、极间 耦合等方面，是主要元件之一 3 2.容值、電壓、電量關係 ¡當對電容進行充電時，兩個電極分別聚集了等量 的正負電荷，從而在兩極之間產生一個電壓，電壓與電 量的關係可以用如下公式表示： Q=CV V表示電容兩極之間的電壓 Q表示電容兩極閒的電荷，單位是庫侖，1庫侖=6×1019個 電荷 C是電容的容值，是一個常數 4 3.电容的分类与符号 ¡按电容量可否调整分为：固定电容器、可变电容器和微调电 容器 固定电容可变电容 微调电容电解电容 •按所用介质不同分为：有机介质电容器、无机介质电容器 、电解电容器和空气介质电容器等 ¡按用途分有：高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦 合、低频耦合、小型电容器。

¡按电容有無極性分为：無極性電容和有極性電容兩大類 5 电容器的单位是法拉(F),常用单位还有微法(μF)、 纳法(nF)和皮法(pF),换算:1F=106μF=109 nF=1012 pF 4.电容器的单位与标示 电容器的标识方法有三种： ü 直标法：直接标注在表面，如果数字是整数， 则单位是pF;数字带小数点，单位是μF ü 文字符号法：用文字与数字混合标注，若字母在中 央，则充当小数点 ü 色标法：与电阻相同，读取方向由电容体 引脚 6 电容器的参数 Ø标称容量：在外壳上标明的，由国家规定的电容器电容量的标准值 Ø允许误差范围：实际电容量与标称电容量的允许最大偏差范围，分 三级I-±5%,II-±10%,III-±20% Ø额定工作电压：在允许的环境温度范围内，能够长期施加在电容器 上的最大电压有效值称为额定电压（一般为直流电压） Ø温度系数：在一定温度范围内，温度每变化1℃，电容量的相对变 化值 Ø绝缘电阻：指两个电极间绝缘介质的电阻，越大越好 Ø损耗：在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量 Ø频率特性：电容器的电参数随电场频率而变化的性质 Ø等效串聯阻抗:對非理想電容,其內部電極與端電極之間存在的電阻 值. 7 1.定义:片式多层瓷介电容器(MLCC)---简称片式电容器, 是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方 式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再 在芯片的两端封上金属层（外电极），从而形成一个 类似独石的结构体，故也叫独石电容器。

二、片式多层瓷介电容器(MLCC) 8 2.1 尺寸 根據EIA分法有13种通用的SIZE： 英制： 01005, 0201, 0402, 0603, 0805, 1206, 1210, 1805, 1808, 1812, 1825, 2220, 2225 公制： 0402, 0603, 1005, 1608, 2012, 3216, 3225, 4512, 4520, 4532, 4564, 5650, 5664 2.2外形 9 结构主要包括三大部分:陶瓷介质，金属内电极，金 属外电极而多层片式陶瓷电容器它是一个多层叠合 的结构，是由多个简单平行板电容器的并联体 3.结构 10 内部構造 11 電極材質 12 陶瓷是一个绝缘体，而作为电容器介质用的陶瓷除了 具有绝缘特性外，还有一个很重要的特性：就是极化 即它在外加电场的作用下，正负电荷会偏离原有的位置 ，从而表现出正负两个极性绝缘体的极化特性我们一 般用介电常数ε来表示，即介质的K值 4.陶瓷介质的特性 下面例举不同材料的介电常数： 真空： 1.0 空气： 1.004 纸： 4~6 玻璃： 3.7~19 三氧化二铝（Al2O3）： 9 钛酸钡（BaTiO3）： 1500 结构陶瓷： 10~20000 13 5.瓷介的分类 陶瓷是一种质硬、性脆的无机烧结体，一般分为两大类： 功能陶瓷和结构陶瓷。

用来制造片式多层瓷介电容（MLCC） 的陶瓷是一种结构陶瓷，是电子陶瓷，也叫电容器瓷 1)照EIA三級分類,有五种通用的介質,COG(NPO),X7R, X5R, Z5U,Y5V Ⅰ类电容器瓷(COG)，它是順電材料 Ⅱ类电容器瓷(X7R、 X5R 、)，它是鉄電物質材料 Ⅲ类电容器瓷（ Y5V、Z5U ），它是鉄電物質材料 14 6.瓷介代号 陶瓷介质的代号是按其陶瓷材料的温度特性来命名的 目前国际上通用美国EIA标准的叫法，用字母来表示 常用的几种陶瓷材料的含义如下： Y5V：温度特性Y代表 －25℃； 5代表＋85℃； 温度系数V代表 －80％ ～ ＋30％ Z5U：温度特性Z代表 ＋10℃； 5代表＋85℃； 温度系数U代表 －56％ ～ ＋22％ X5R: 溫度特性X代表-55°C; 5代表+85℃ 溫度係數R代表± 15％ X7R：温度特性X代表 －55℃； 7代表＋125℃ 温度系数R代表 ± 15％ NPO：温度系数是30ppm/℃（-55℃～＋125℃） 15 7.电气特性 ¡电容量:电容量的大小表示电容器贮存电荷的能力 7-1.电容量（C） 16 MLCC介質厚度和層數的發展 17 MLCC介質常數k與溫度穩定性 1.介質常數k越高, MLCC体極效率越高;但介質常數k增加時,溫度穩定性変差; 2.如下所示為COG, Z5U,X7R,Y5V介質的MLCC介 質常數與溫度,容值與溫度的曲綫圖： 18 由圖可知,EIA Ι類順電材料介質COG(NPO),它的介質常數k几乎不隨溫度變動 ,EIA Ι Ι類鉄電材料介質X7R的介質常數變動不大, EIA Ι Ι Ι類鉄電材料介質Z5U,Y5V,溫度越高,介質常數K變小. 19 影響電介常數k的因素 電介質有4种基本的極化結構： 電子,原子,偶極或方向性,空間電荷 EIA І類電介質是電子或原子支配的極化結構;它 可以獲的優秀的溫度穩定性和低的k值(5~80), 很低的損耗. EIA І І/ І І І類是偶極或方向性支配的極化結構; 它可以獲的最高介電常數k.例如:BaTiO3有高的k 值,适合x7r電介質. 20 MLCC 制造流程 21 影響電容量的因素:片式电容器的电容量 除了由它本身的设计与材料特性所决定 外，在很大程度下同它的测试条件、温 度、电压和频率有很大的关系。

22 ¡電容量與溫度的關係:温度是影响电容器电容量的一个 重要因素，我们把电容量同温度的这种关系特性叫做电 容器的温度特性(Temperature Coefficient)对于较 为稳定的Ⅰ类电容器，其影响相对较小，几乎没有变化 ;对于Ⅱ类电容器，其影响相对较大 23 ¡电容量与直流电压的关系:在电路的实际应用中，电容器两端可 能要放加一个直流电压，我们把电容器的这种情况下的特性叫 做直流偏压特性对于较为稳定的Ⅰ类电容器，其影响相对较 小，几乎没有变化;对于Ⅱ类电容器，其影响相对较大介质厚 度越厚，产品的偏压特性就越好 24 ¡电容量与交流电压的关系:Ⅰ类电容器的交流特性比较好，基 本不随施加电压的变化而变化但是，对于Ⅱ类电容器，其 容量基本是随所加电压的升高而加速递升的，特别X7R此特性 比较明显 交流特性图 25 ¡电容量与工作频率的关系:对于Ⅰ类电容器其应用频率的增加 ，它的容值不会有什么变化，但对于Ⅱ类电容器，容值下降 较为明显 电容量与频率的关系曲线图 26 ¡频率响应(串联谐振) 27 ¡频率响应(并联谐振)： 28 7-2.绝缘電阻(IR) ¡体内漏电流:在电介质中通常或多或少存在正、负离子，这些离 子在电场作用下将定向迁移，形成离子电流，我们称之为体内 漏电流。

¡表面漏电流:在电容器的表面，也会或多或少地存在正负离子， 这些离子在外电场的作用下，会发生定向迁移，形成表面漏电 流 ¡电容器的漏电流:是陶瓷介质中体内漏电流与芯片表面的漏电流 两部分组成 ¡介质的绝缘电阻:加在介质两端的电压和漏电流之比称之为介质 的绝缘电阻,即Ｒ＝Ｕ／Ｉ ¡电容器的绝缘电阻除了同其本身所固有介质特性相關外，同外 界环境温度、湿度等有很大的关系 温度升高时，瓷介的自由离子增多，漏电流急剧增加，介质绝 缘电阻迅速降低 湿度对电容器电性能影响最大,会因表面吸潮使表面绝缘电阻 下降 29 7-3.损耗(DF) DF损亦称损失角正切:因为电容用于交流电路中时会在电路中产 生一个相位角θ，此相位角的余角δ即为损失角DF=tanδ DF(耗散因素)用来表明电容将输入功率转化为热量的百分（％） 30 ¡介质损耗同温度的关系: 介质损耗同温度的关系曲线图 31 ¡介质损耗同交流电压/密尔厚度的关系: 介质损耗同交流电压/密尔厚度的关系曲线图 32 ¡介质损耗同频率的关系 介质损耗同频率的关系曲线图 33 7-4.等效串联电阻ESR： ¡ESR:ESR的损耗由介质损耗(Rsd)和金属损耗 (Rsm)两部分组成。

即:ESR = Rsd + Rsm 34 ¡MLCC等效電路 35 ¡ESR對電路的影響 36 ¡交流領域下之電容器等效電 路如右圖；其中串聯等效電 阻(RS)，將會隨不同頻率而 有所改變各頻率點之等效 串聯電阻(ESR)如右曲線圖所 示 ¡ESR越高，通過電流所消耗功 率亦越高，元件越容易發熱 ¡隨著疊層層數增加,容值亦增 加ESR隨著並聯而下降 ¡MLCC相同設計下，容值越高 ，ESR越低，Ripple Current 特性越好 37 7-5.品质因素(Q) ¡品质因素:Q值就是介质损耗DF的倒数 即：Q = 1/DF ¡一般高Q即具备低ESR的特性 ¡在设计时，高频下我们应考虑ESR和Q值对电路设计的影 响；低频下应考虑损耗(DF)对电路设计的影响 38 7-6.耐电压(DWV) ¡电容器的耐电压:是指电容器的陶瓷介质在工作状态中 能够承受的最大电压，即击穿电压，也就是电容器的 极限电压 ¡电容器的标称电压即电容器的工作电压，标称电压一 般是相对于直流来说的而电容器的耐电压常规也是 相对直流来说的，但有时也常用交流来表示 ¡电容器的标称电压远远低于其瓷介的耐电压标称电 压远远低于芯片的耐电压。

比如，1206B102K101NT其 标称电压为100V，也就是其工作直流电压要低于100V ，而实际上其耐电压直流可达1200V左右；交流可达 500V左右 39 8.應用 其中高容量,低ESR,ESL的X7R MLCC電容堆,主要用于開關電源的濾波,低ESL允許在高頻濾波 40 三、鉭質電容 ¡定義:钽电解电容是用金属钽作电极、氧化钽作介质的电容器，其 示意圖如下 ¡特点:化学稳定性高，额定耐压高，耐高温性能好，机械强度高， 体积小 1.定義 2.外形 41 3.各种類型的鉭電容結構 1)二氧化錳鉭電容( MnO2 ) 42 2)有機聚合体鉭電容(KO) 43 3)鋁有機聚合体鉭電容(AO) 44 鉭電容的制造流程 1)制壓陰極 45 2)焊接陽極 46 4.各類型鉭電容特性 n鉭電容具有低的ESR,低的漏電流,no ignition failure mode,高的溫度 穩定性;在ESR,no ignition failure mode方面,KO和AO具有更佳的表現. 47 4.鉭質電容的基本電氣參數 4.1 Cp(Capacitance)容值 一般電解電容器的電容量範圍為其容量从0.47uF到1000uF , 測試 頻率為120Hz。

4.2電容值誤差Tolerance 4.3 D.F(Disspation Factor) 損失因素 4.4 UR(Voltage Rating) 額定電壓 电容器在电路中能够长期稳定、可靠工作，所承受的最大直流 电压額定電壓压主。