陶瓷电容选型指导

1、技术文件陶瓷电容设计选型指导技术文件修正日期：版 本：A版页 数：第21 页 共22 页目录1.目的32.适用范围33.陶瓷电容器知识介绍3（1）陶瓷电容器简单介绍3（2）陶瓷电容的分类4（3）陶瓷电容的封装7（4）陶瓷电容的材料特性7（5）陶瓷电容的制造工艺和内部结构84.陶瓷电容主要性能参数介绍95.陶瓷电容的失效14（1）陶瓷电容的失效模式14（2）电容器失效案例介绍15（3）其它电容器失效案例（见下附件）186.陶瓷电容选型说明187.拓展部分221.目的提升技术人员对陶瓷电容器件的了解水准，并通过后续不断升级和完善,可形成具有实际指导性的文件；避免电路设计不匹配，器件选型，器件替代错

2、乱等。2.适用范围本指导书适用于对陶瓷电容的知识学习，设计选型参考及替代。3.陶瓷电容器知识介绍 （1）陶瓷电容器简单介绍陶瓷电容器是电介质为陶瓷体（如ABO3型的BaTiO3材料）的一类电容器。二十世纪初意大利的隆巴迪发明了陶瓷介质电容器；30年代末人们发现在陶瓷中添加钛酸盐可使其介电常数成倍地增长,从而可以制造出较便宜的瓷介质电容器；40年代初人们发现了现在的陶瓷电容器的主要原材料BaTiO3(钛酸钡)具有绝缘性后，开始将陶瓷电容器使用在体积小、精度要求又极高的军事用电子设备当中；陶瓷叠片电容器则于1960年左右才作为商品开始开发。到了1970年，陶瓷电容随着混合IC、计算机以及便携电子设

3、备的进步也随之迅速的发展起来，成为电子设备中不可缺少的零部件,现在陶瓷介质电容器的市场份额约占电容器市场的70%左右，其具有价格低、特性范围宽、容积效率高以及使用频率高等特点。目前陶瓷电容器的材料主要使用TiO2(二氧化钛)、 BaTiO3（钛酸钡）, CaZrO3(锆酸钙)等。和其它的电容器相比陶瓷电容器具有体积小、容量大、耐热性好、适合批量生产等优点，缺点是机械强度低，容易碎裂。 （2）陶瓷电容的分类陶瓷电容器根据不同的特性，可以分为很多类：根据频率，可以分为高频（CC型，也可称型）和低频(CT型，也可称型).根据功能特性，可分为温度补偿型（CC型）、高诱电型（CS型）半导体型（CT型）.

4、根据介质材料、温度特性，一般可分为三类：类 NPO或COG（国内叫CC型）类 X5R、X7R或Y5P（国内叫CT型）类 Y5V或Z5U（国内叫CS型）类（也可称高频陶瓷电容器）是用介质损耗小，绝缘电阻高，介电常数随温度呈线性变化的陶瓷介质制作的电容器。此类电容适用于损耗小和要求电容量极其稳定的高频电路，还可用于谐振回路、温度补偿等，其电性能最稳定，基本上不随温度、电压和时间的变化而改变，变化率一般是以ppm/来表示，其介电系数400左右，故电容量不能做的很大（一般在100PF以下）。它的填充介质一般由铷、钐和其它的一些稀有氧化物组成。类（与类统称为低频陶瓷电容器）是用铁电陶瓷做介质的电容器，这

5、类电容比容大，损耗比较大，电气性能较稳定，随温度、电压和时间的变化并不显著，适用于隔直、耦合、旁路与对容量要求不高的电路，其介电系数较大（可达1200），故电容量可做的很大，相同的体积，其容值比类的大2070倍，其容量随温度的变化率为约±15%。类 也是用铁电陶瓷做介质的电容器，此类电容比容较类要大，容量和损耗对温度、电压很敏感，稳定性很差。但其等效串联电阻（ESR）和等效串联电感(ESL)低，具有良好的频率响应，主要应用在退耦电路中，其介电系数更大（可达100012000），故其容量可做的更大，相同的体积，其容值可做到类的5倍。其容值随温度的变化率为-82%+22%。如表（1）、（

6、2）为各种材质字母所代表的温度特性的含义（参考标准EIA-198-D）表（1）类温度系数分类代码第一位第二位第三位类温度系数的有效数字有效数字的倍乘随温度变化的容差（ppm/）C0.00-1G±30M1.01-10H±60P1.62-100J±120R2.23-1000K±250S3.35+1L±500T4.76+2M±1000U7.57+3N±25008+1000备注说明由于类性能稳定，基本不随温度而变化，所以它的温度变化率很小，一般用ppm/来表示。 例如：电容材质为S2H的温度特性： S表示温度系数的有效数字为3.3

7、2表示有效温度系数的倍乘 即： 3.3*（-100）= -330 H表示随温度的容差为±60 ppm/所以S2H的温度特性就是-330±60 ppm/表（2）类、类温度系数分类代码第一位第二位第三位类、类最低工作温度()最高工作温度()容值变化率(%)X-554+65A±1.0Y-305+85B±1.5Z+106+105C±2.27+125D±3.38+150E±4.7F±7.5P±10R±15S±22T+22/-33U+22/-56V+22/-82备注说明例如：电容材质为X7R的温度

8、特性:X表示最低温度为-557表示最高温度为+125R表示容值的变化率为±15% 所以X7R的温度特性为工作温度在-55+125范围内，其容值变化率为±15%。 表（3）为几种常用陶瓷电容的特性对比：表（3）常用材质容量范围材质特点适合电路温度范围（）温度特性（%）老化特性（%）NPO（COG）小介电系数小、损耗小、性能最稳定高频、稳定性要求高的谐振回路、温度补偿等电路-5512530PPM/X7R相同规格比NPO大2070倍介电系数较大，损耗较大，电性能较稳定隔直、耦合稳定性要求不高的低频电路-55125±1510年约1%X5R-5585±15Y5P-

9、3085±10Y5V相同规格比X5R/X7R大5倍介电系数最大，损耗、电性能不稳定，ESL和ESR低退耦-3085+22/-82/Z5U 1085+22/-5610年下降5% （3）陶瓷电容的封装表（4）为贴片电容常用的封装描述。表（4）EIA(inch)国标（mm）长宽高040210051.0±0.100.5±0.100.25±06±0.150.8±0.150.35±00±0.201.25±0.200.5±0.25120632163.2

10、77;0.201.6±0.200.5±0.25121032253.2±0.202.5±0.200.5±0.20181248324.5±0.303.2±0.200.6±0.35222556655.6±0.256.5±0.400.64±0.40备注说明1812及以上的封装，由于体积较大，在加工过程中容易受温度和机械应力而产生不良，目前在我司禁用(华为要求)。（4）陶瓷电容的材料特性陶瓷是个绝缘体，而作为电容器介质用的陶瓷除了具有绝缘特性外，还有一个重要的特性，就是极化，即在外电场的作用下，

11、正负电荷会偏离原有的位置，从而表现出正负两个极性，绝缘体的极化特性一般用介电常数来表示，即介质的值。 下表（5）为几种材料的介质常数，图（1）为陶瓷电容的极化图。表（5） 介质介质常数值真空1.0空气1.004BaTiO3（钛酸钡）400左右铁电陶瓷100012000 图(1)（5）陶瓷电容的制造工艺和内部结构a、陶瓷电容的制造工艺多层陶瓷介质电容器的绝缘体材料主要使用陶瓷，其基本构造是将陶瓷和内部电极交相重叠，即由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，烧结成整体，然后是电极制造，引线焊接，涂覆，包封。工艺流程参考如下（图（2）：瓷浆备制 流延成膜 丝网叠印 层压切割 排胶烧结

12、 电极制造 引线焊接 涂覆（电镀） 包封。 图（2）以下为主要的加工步骤：. 原料经过煅烧、粉碎与混合后，达到一定的颗粒细度（越细越好）,然后根据电容器的各种结构形状，进行陶瓷介质坯件成型。. 对成型好的瓷坯进行高温处理，使其成为具有高机械强度，优良电气性能的瓷体。烧成温度一般在1300以上，高温保持时间要控制恰当，高温保持时间过短，会造成“生烧”（指材料反映不完全彻底，影响整个坯体结构，且造成电性能恶化）；高温保持时间过长，会造成“过烧”（指坯体起泡变形以及晶粒变大而造成性能恶化）。b、陶瓷电容的内部结构最简单的陶瓷电容，是由一个绝缘的中间介质层外加两个导电的金属电极构成，其主要包括三大部分

13、：陶瓷介质、金属内电极和金属外电极。一般的片状陶瓷电容器是一个多层叠合的结构，简单的可以理解为由很多个单层的电容器并联构成，如下图为陶瓷电容内部结构图，其内部电极一般为Ag或AgPd，陶瓷介质一般为BaTiO3（钛酸钡）；多层陶瓷通过高温烧结而成，器件端头（目前主要使用的是Cu材料）镀层一般为Ag/AgPd,然后制备一层Ni阻挡层（以阻止内部Ag/AgPd材料，防止其和外部的Sn发生反应），再在Ni层上制备Sn或SnPd层用以焊接。如图（3）为片状陶瓷电容内部结构图： 图（3）4.陶瓷电容主要性能参数介绍（1）电容量电容量（简写C）指电容器设计所确定的和通常电容器所标出的电容量值，电容量的大小

14、是表示电容器储存电荷的能力，其公式为：C =S/d = 4kd=Q/U,在国际单位制里的电容的单位是法拉（Farad），简称法，符号F；由于实际使用中法拉（F）的单位过大，故常用的单位有 微法（F），纳法（nF），皮法（pF），其等式为：1F(法拉)=103mF（毫法）=106F（微法）=109nF（纳法）=1012pF（皮法）。（2）容量误差容量误差指设计和制造过程时允许电容器的电容量在标称容量的某一范围内。如表（6）为陶瓷电容常见误差范围的代码和误差所对应的范围：表（6）代码范围适用容量范围B±0.1PF10PFC±0.25PFD±0.5PFF±1%

15、10PFG±2%J±5%K±10%M±20%Z80%20% （3）额定电压额定电压（简写为R.V或UR）也有的称之为工作电压，指在下限类别温度和上限温度之间的任意温度下，可以连续施加在电容器上的最大直流电压或最大交流电压的有效值或脉冲电压峰值。（4）损耗角正切损耗角正切（简写成D.F或Tan）也有的叫散逸因素（也可以理解为介质损耗），简称损耗，是指在规定频率的正弦电压下，电容器的损耗功率（也叫有功功率）与无功功率的比值。无功功率：当交流电流通过电容器时，其上有一个交流电压降，对于理想的电容器，其两端的交流电压乘上流过的电流所得的值称为无功功率，此时，电容

16、器不会发热。有功功率：实际的电容器会产生微小的热量，其发热的功率称为有功功率。电容器的损耗受工作频率的影响较大，一般而言，均随频率的增高而增大，但也有例外，电容器的损耗主要由介质、电导损耗和电容器所有金属部分的电阻所引起，在直流电场作用下，电容器的损耗以漏导形式存在，一般较小；在交流电场作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，还与周期性的极化有关。（5）绝缘电阻 绝缘电阻通常指的是加在电容器上的直流电压与产生的漏电流两者之比。有的厂家规格书用时间常数表示绝缘电阻的大小（电容的时间常数：它等于电容的绝缘电阻与容量的乘积），完全不导电的绝缘体是没有的，在电介质中通常或多或少的存在正、负离子，这些离子在电

17、场的作用下定向迁移，形成离子电流，称之为体内漏电流；通常在电容体的表面，也会或多或少的存在正负离子，这些离子在外电场的作用下，也定向迁移，形成表面漏电流。因此，电容器的漏电流由陶瓷介质中体内漏电流与表面的漏电流两部分组成。 （6） 耐电压 耐电压也叫试验电压，指电容器的陶瓷介质在各种状态中能承受的最大电压，即击穿电压，也就是电容器的极限电压，它是以额定电压的多少倍，加压多少时间来表示，用来判断电容器的耐压水平。标称电压一般是相对直流的，交流很少，一般陶瓷电容器的标称电压（一般为2.5UR）远远低于其瓷介的耐压值。一般情况下，对于结构、介质、容量相同的器件，体积越大，耐压越大。（7）温度特性温度

18、特性指在电容器的额定工作温度范围内，温度每变化1，电容器的电容量所出现的最大可逆变化（也可叫变化率）（相对于常温下），一般此变化表示为相对于25时电容量的百分比（国内一般用20测试的电容量做参考点，美国EIA标准用25时测试的电容量做参考点）。 一般情况下，类电容由于性能最稳定，所以基本不随温度的变化而变化，故用PPM/来表示变化率，而、类受温度影响大，用%来表示。 表（7）为各种材质的温度特性：温度特性一般主要指容值的变化率 ，表中附一些其它参数变化情况：表（7）类别材质类别额定温度范围容量变化率DF （温度逐渐升高）绝缘电阻（温度逐渐升高）击穿电压（温度逐渐升高）类NPO（COG）-551

19、2530PPM/基本不变减小减小类X7R-55125±15%减小X5R-5585类Y5V-3085+22/-82%减小Y5P-3085±10%Z5U1085+22/-56% 图（4）（5）（6）（7）为陶瓷电容器的温度特性图： 图（4）类电容量与温度的关系 图（5）、类电容量与温度的关系图（6）类损耗因数与温度的关系 图（7）类损耗因数与温度的关系（8）频率特性在交变电压作用下，电容器并不以单纯的电容的形式出现，它除了具有电容量外，还存在一定的电阻（ESR）和电感(ESL)，在低频时，他们的影响很小，基本可以忽略不计，但在高频时，电感和电阻不能忽视，严重时还可能导致电容器失

20、去作用而不良。a.对于稳定性较好的类电容器，受频率影响较小，基本上不怎么变化。b.、类受频率有影响较大。（9）等效串联电阻ESR ESR指电容器本身所有损耗的总和，它对频率很敏感，随频率的增加而增加，与温度呈线性反比关系，陶瓷电容ESR主要由介质层电阻，内电极层电阻，接触面电阻和端电极电阻四部分组成，其中接触面电阻包括端电极与内电极的接触及不同的端电极电镀层间的接触等。（10）等效串联电感ESL MLCC电容的ESL比较小，可用近似公式 ESL=394.727×1.052L×1.317L/M，来进行推算，如0805，则L=8,M=5, ESL虽然与容量有关系，但是很小，基本

21、可以认为不变。 5.陶瓷电容的失效（1）陶瓷电容的失效模式陶瓷电容的实效模式分为内部因素和外在因素：外部因素主要有：a.温度冲击裂纹：主要是器件在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致，不当返修也是导致温度冲击的重要因素。b.机械应力裂纹：贴片陶瓷电容的特点是能承受较大的电压应力，但抵抗弯曲能力较差。器件组装过程中任何可以产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂，常见的应力源有：贴片过程中电路板操作；流转过程中的人、设备、重力等因素；通孔元器件插入；电路测试，单板分割；电路板安装；电路板定位铆接；螺丝安装等，该类裂纹一般发生在器件上下金属化端，该类缺陷是实际发生最多的一种缺陷。c.介质击穿：介质击穿主

22、要指在较高的电流冲击下，使介质体内的漏电流剧增，导致介质无法承受而被击穿的过程。内在因素主要有：a.陶瓷介质内空洞：空洞产生的主要因素是陶瓷粉料内的有机或无机污染，烧结过程控制不当，空洞的产生极易导致漏电，而漏电又导致器件内部局部发热，进一步降低陶瓷介质的绝缘性，从而导致漏电增加。该过程循环发生，不断恶化，严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸、甚至燃烧等严重后果。b.烧结裂纹：烧结裂纹起源于一端电极，沿垂直方向发展，主要原因与烧结过程中的冷却速度有关，裂纹的危害跟空洞相仿。c.分层：多层陶瓷电容器的烧结时多层材料堆叠共烧，烧结温度可高达1000以上，层间结合力不强，烧结过程中内部污染挥发，烧结工

23、艺控制不当，都可能导致分层的发生，分层和空洞、裂纹的危害相仿，为重要的多层陶瓷电容器内在缺陷。d.银离子迁移：在高温、高湿、强直流电场作用下，内部银离子容易迁移，时间一长，容易使电容性能下降甚至失效。e.老化：指容量和介质损耗随时间发生衰减，老化的原因是由于极化在物质内部形成一定的电压能量，这些能量释放而导致的物质介电常数随时间变化从而导致材质老化。介电常数与时间关系：K=K0-mLogt，K是任意时候的介电常数；K0是t时刻的介电常数，m是衰竭速率。（2）电容器失效案例介绍RG-PA78 高压瓷片电容C29损坏分析. 背景：2010年06月4日我司客户市场退回1 PCS RG-PA78 不良

24、品, 原因是高压瓷介电容C29炸裂，无输出。从外观上看，C29表皮已破损，且被烧黑。.修理信息：高压瓷介电容C29炸裂，烧黑，保险丝F1熔断，C29器件规格：04A223316-0N EK-F/Y5V-3A10-1KV-0.022UF±20% 松田.分析步骤：如下图（8）电路图为失效器件所在电路图，红色标记处为失效器件 图（8）a.问题提出由于C29失效后短路导致F1熔断，关键点是C29为何损坏？设计选型问题，来料问题还是其它？b.设计选型判定（1）理论分析：电路应用上，该器件使用在一次电源整流输出部分，在输入电压范围内，电容两端压降小于400Vdc，远小于该器件的规格电压1KV；（

25、2）实际检测值（数据来源于测试部送样原始数据）C29两端电压：最大电压值392Vdc(当Vin=264Vac)（3）C29环境温度及本体温度：（环境温度检测周边器件）Vin90Vac高温50时热应力测试数据（最恶劣的工作条件最大测试值）：器件表面温度为84.9.（4）项目工程师测试温度：如表（8）为实际测试的其他器件表面温度表（8）输入电压：90VAC环境温度：50整流桥RB1温升：77.6滤波电容C5温升：61.5散热片HS2温升：66.2C29表面温度：65.9 （5） 结论：由两种来源的检测温度值判定，C29工作温度小于规格85度；由上述可知实际工作电压也小于规格值1KV，因此可基本判定

26、设计选型没有问题；c.器件本身分析分析：电容器击穿现象为电击穿，介质穿透性击穿。产品的实际耐电压水平在2.5KV-4.0KVDC之间，根据不良品的现象我们分析认为： 产品不排除陶瓷介质焊接工艺阶段造成的微裂，在使用温度、电压的负荷下漏电流增大，继而发热更加严重，最终导致的包封层烧伤的问题，内部介质击穿在前，外部包封层炸裂在后。 Y5V陶瓷电容器使用温度上限+85，如果在使用过程或老化过程温度超过+85，介质很容易被发热击穿。根据贵我司的安装布局，电容器可能受到外来热源的辐射，加剧了电容器表面温升的提高（已经排除）。d.最终结论：来料不良，供应商已经承认制作工艺存在缺陷。f.原因分析大容量高耐压

27、223/1KV是陶瓷电容的瓶颈,这款是供应商的新产品,由于陶瓷电容的介质(决定层层间容量),结构(大容量需要多层的叠加并联,容量很大必须叠加层数多,厚度就有问题)决定了高压高容量电容在高温时容易损坏。（3）其它电容器失效案例（见下附件） 6.陶瓷电容选型说明 如表（9）为IPC-9592中的陶瓷电容降额要求：表（9） 元器件种类降 额 参 数Class （稳态）Class (瞬态)陶瓷电容器直流工作电压80%(X5R为50%)80%(X5R为70%)温度Max -10Max -10 （1）容量 首先选取符合电路设计的容量值。（2）误差 根据电路的特性选取容量的误差，在旁路，退耦，低频耦合电路中

28、，一般对电容器的精度没有严格的要求，选用时可根据设计值，选用相近容量或容量略大的电容器（可选用类）；在振荡，延时、音调控制等电路中，电容器的容量要尽可能和设计值一致(可选用类)；在各种滤波电路和网络电路中，对电容器的要求更高应选用高精度的电容器来满足要求（可选用类）。 有时候也可要考虑产品的总体精度，比如LC振荡电路中，由于电感本身的误差比较大，即使电容选取精度及稳定性都很很高的电容，也对总体电路起不了多大的影响，反而会增加成本，就没有必要了。（3）额定电压 确定电容器在电路中的工作电压，如果电容器工作在额定工作电压或偏高情况下，不但会使电容器的漏电流增加，还可能会因为发热而损坏器件。所以电容

29、器额定电压一般都要高于实际的工作电压，并且留有一定的余量（即电容器的电压降额）。一般情况下，使电容的实际工作电压达到电容器额定电压的80%90%就可以了，“瑞谷降额规范中要求:陶瓷电容器直流工作电压的降额稳态和瞬态都为80%（X7R）”， 特殊电路中，电压波动幅度较大，可以留更大的余量。（4）绝缘电阻 绝缘电阻值选用时越大越好，电容器的绝缘电阻越小，则其漏电流就会很大，漏电流大，不仅损耗电路中的电能，而且会降低电路的性能甚至可能导致电路工作失常；并且漏电流产生的功率损耗，会使器件表面发热，温升升高，这样又会产生更大的漏电流，如此循环，容易导致电容器损坏。（5）温度 一般的电子产品，在成本允许的

30、情况下，额定温度范围内尽可能的考虑选用温度系数小的器件。（6）频率 低频使用时，频率对参数的影响不是很大，、类都可选择，具体的根据实际使用过程中其它参数的特点；高频使用时，由于I类随频率参数变化不明显，故可选I类器件，如其它原因须选、类，则须考虑电容的ESR和 ESL对电路的影响。（7）注意事项 电容选型过程中应该注意，每种封装的电容的耐压和容量都有一定的范围，详细的数据要参考各个厂家的参数说明，不要选择了很多不存在的电容器规格。如表(10)为I类 NPO材质各种封装下所对应的容量范围和耐电压值：表（10）类型封装I类 NPOEIA(inch)国标（mm）容值范围耐压020106030.1 pF100 pFDC 25V040210050.1 pF1000 pFDC 50/25V060316080.5 pF10000 pFDC 200/100/50/25V0805201212 pF47000 pFDC 200/100/50/25V120632161 pF0.10FDC 500/200/100/50/25V121032250.5 pF1000 pFDC 500/