片式电容及其应用

片式电容及其应用片式电容及其应用引言片式电容具有容量大，体积小，容易片式化等特点，是当今移动通信设备、计算机板卡以及家电遥控器中使用最多的元件之一。为了满足电子设备的整机向小型化、大容量化、高可靠性和低成本方向发展的需要，片式电容本身也在迅速地发展：种类不断增加，体积不断缩小，性能不断提高，技术不断进步，材料不断更新，轻薄短小系列产品已趋向于标准化和通用化。其应用正逐步由消费类设备向投资类设备渗透和发展。此外，片式电容还在朝着多元化的方向发展：①为了适应便携式通信工具的需求，片式电容器正向低电压、大容量、超小和超薄的方向发展。②为了适应某些电子整机(如军用通信设备)的发展，高耐压、大电流、大功率、超高Q值、低ESR型的中高压片式电容器也是目前的一个重要的发展方向。③为了适应线路高度集成化的要求，多功能复合片式电容器正成为技术研究热点。1片式叠层陶瓷介质电容器在片式电容器里用得最多的是片式叠层陶瓷介质电容器。片式叠层陶瓷电容器(MLCC)，简称片式叠层电容器(或进一步简称为片式电容器)，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，如图1所示。图1表明，片式叠层陶瓷电容器是一个多层叠合的结构，其实质是由多个简单平行板电容器的并联体。因此，该电容器的电容量计算公式为C=NKA／t式中，C为电容量；N为电极层数；K为介电常数(俗称K值)；A为相对电极覆盖面积；t为电极间距(介质厚度)。由此式可见，为了实现片式叠层陶瓷电容器大容量和小体积的要求。只要增大N(增加层数)便可增大电容量。当然采用高K值材料(降低稳定性能)、增加A(增大体积)和减小t(降低电压耐受能力)也是可以采取的办法。这里特别说一说介电常数K值，它取决于电容器中填充介质的陶瓷材料。电容器使用的环境温度、工作电压和频率、以及工作的时间(长期工作的稳定性)等对不同的介质会有不同的影响。通常介电常数(K值)越大，稳定性、可靠性和耐用性能越差。常用的陶瓷介质的主要成分是MgTiO3、CaTiO3、SrTiO3和TiO2再加入适量的稀土类氧化物等配制而成。其特点是介质系数较大、介质损耗低、温度系数小、环境温度适用范围广和高频特性好，用在要求较高的场合(I类瓷介电容器)中。另一类是低频高介材料称为强介铁电陶瓷，常用作Ⅱ类瓷介电容器的介质，一般以BaTiO3为主体的铁电陶瓷，其特点是介电系数特别高，达到数千，甚至上万；但是介电系数随温度呈非线性变化，介电常数随施加的外电场也有非线性关系。目前最常用的多层陶瓷电容器介质有三个类型：COG或NPO是超稳定材料，K值为10～100；X7R是较稳定的材料，K值为2000～4000；Y5V或Z5U为一般用途的材料，K值为5000～25000。在我国的标准里则分为I类陶瓷(CC4和CC41)及Ⅱ类陶瓷(CT4和CT41)两种。上述材料中，COG和NPO为超稳定材料，在-55℃～+125℃范围内电容器的容量变化不超过±30ppm／℃。其余材料是按其工作温度的范围和电容量的变化率来命名的。常用的陶瓷介质的主要成分是MgTiO3、CaTiO3、SrTiO3和TiO2再加入适量的稀土类氧化物等配制而成。其特点是介质系数较大、介质损耗低、温度系数小、环境温度适用范围广和高频特性好，用在要求较高的场合(I类瓷介电容器)中。另一类是低频高介材料称为强介铁电陶瓷，常用作Ⅱ类瓷介电容器的介质，一般以BaTiO3为主体的铁电陶瓷，其特点是介电系数特别高，达到数千，甚至上万；但是介电系数随温度呈非线性变化，介电常数随施加的外电场也有非线性关系。目前最常用的多层陶瓷电容器介质有三个类型：COG或NPO是超稳定材料，K值为10～100；X7R是较稳定的材料，K值为2000～4000；Y5V或Z5U为一般用途的材料，K值为5000～25000。在我国的标准里则分为I类陶瓷(CC4和CC41)及Ⅱ类陶瓷(CT4和CT41)两种。上述材料中，COG和NPO为超稳定材料，在-55℃～+125℃范围内电容器的容量变化不超过±30ppm／℃。其余材料是按其工作温度的范围和电容量的变化率来命名的。下面是不同材质电容器的性能和应用事项：①NPO电容器NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm／℃，电容量随频率及相对使用寿命的变化都非常小。随封装形式不同，其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同，大封装尺寸的NPO电容器要比小封装尺寸的频率特性好。NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容，以及高频电路中的耦合电容。②X7R电容器X7R电容器被称为温度稳定型的陶瓷电容器。当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15％，需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的，它也随时间的变化而变化，但是要比Z5U和Y5V电容器好得多。X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用，而且当电压变化时其容量变化是可以接受的条件下。它的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。③Z5U电容器Z5U电容器称为“通用”陶瓷片式电容器。它最主要优点的是小尺寸和低成本。对于已经讲过的三种片式电容来说，在同样的体积下，Z5U电容器具有最大的电容量。但它的电容量受环境和工作条件影响较大，另外介质损耗可以达到3％。尽管它的容量不稳定，但是这种电容器所特有的体积小、等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)低、以及良好的频率响应等优点，使得这种电容器还是获得了广泛的应用，尤其是在退耦电路的应用中。由于普通的两端电容有引线电感，所以总的剩余电感较大，自谐振点也比较低。为了改进普通引线式电容器的自谐振、且自谐振频率偏低的问题，村田制作所曾发展了一种引线式三端电容器，见图7。与两端电容相比，这个电容的上引线化成了两根(所以三端电容有三根引线)。三端电容器的这两根上引线化成了信号传输线的一部分，于是引线电感与电容器变成了一个“LC”滤波器。正是三端电容器巧妙地利用了引线电感，使得三端电容器对干扰的抑制作用更好。三端电容器也有自谐振问题，为了最大限度地限制这个问题，使用时三端电容器接地的这根引脚的长度应该受到限制。应该说片式二端电容器的出现对于改进普通引线式电容器的自谐振问题是很有好处的，因为片式二端电容器的引线长度得到了最