“ 本篇介紹瓷片電容，瓷片電容已經成為主流、通用的電容，尤其是SMT片狀類型，由于成本低，顯得特別有吸引力。目前，世界上生產的電容器約有80％是貼片型陶瓷電容器。對于電子設備的小型化和輕量化起了很大作用。”

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瓷片電容的結構和主要加工環節

如下面圖1. 的瓷片電容的結構，內電極導體一般為Ag或AgPd，陶瓷介質一般為BaTiO3， 多層陶瓷結構通過高溫燒結而成。器件端頭鍍層（外電極）一般為燒結Ag/AgPd，然后制備一層Ni阻擋層(以阻擋內部Ag/AgPd材料，防止其和外部Sn發生反應)，再在Ni層上制備Sn或SnPb層用以焊接。近年來，也出現了端頭使用Cu的MLCC產品。

圖1. 積層陶瓷電容的結構圖

陶瓷電容的主要加工環節：

a） 備料成型：原料經過煅燒、粉碎與混和后，達到一定的顆粒細度，原則上顆粒越細越好。然后根據電容器結構形狀，進行陶瓷介質坯件成型；

b） 燒成：對瓷坯進行高溫處理，是其成為具有高機械強度、優良電氣性能的瓷體。燒成溫 度一般在1300℃以上。高溫保持時間過短，固相反應不完全徹底，影響整個坯體結構， 造成電性能惡化，是所謂“生燒”；高溫保持時間過長，使坯體起泡變形以及晶粒變大， 同樣惡化電性能，造成“過燒”；

c） 然后是電極制造，引線焊接，涂覆，包封；

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影響瓷片濾波效果的模型參數

瓷片電容的阻抗頻率特性呈現V形特性，其ESR非常小，另外它電容量特性與其介質構成有很 大關系。同樣，按照C、ESR和ESL三項參數來分析。

2.1 電容量

瓷片電容根據其采用的介質和溫度表現可分為三種類型：第一類（NPO或COG），適用于低容量、穩定性要求高的場合，其電性能最穩定，基本上不隨溫度、電壓與時間的改變而改變；第二類 （X7R），其電介質常數較大，相同體積的容量要比第一類要大20～70倍，但溫度從-55℃到125℃ 范圍變化時，容量變化一般在±10％，最大可達＋15％到-25％，其電性能較為穩定，適用于隔直、 耦合、旁路與對容量穩定性要求不太高的鑒頻電路；第三類（Z5U），其電介常數較高，常用與生產比容較大的、標稱容量較高的大容量電容器產品，但其容量穩定性較X7R差；其容量可以做到第 二類的5倍，然而容量、損耗對溫度、電壓等較為敏感，穩定性很差，當溫度從-25℃到85℃變化時， 容量變化為＋20％到-65％。

第一和第二類瓷片電容在低溫時，性能要比鋁電解電容要好。而第三類瓷片電容在所有溫度下特性都較差。第一類和第二類瓷片電容的低損耗因子DF以及高容量穩定性特別適合AC和高頻應用場合。一個很明顯的例子，用儀器測試不同介質常數的電容，可以看到在不同AC電壓下，其電參數的變化：

圖2. 陶瓷電容的容量變化效應

2.2 ESR值

在片式多層元器件類型中，ESR（Res）主要由介質層電阻、內電極層電阻、各接觸面電阻和端電極電阻等四個方面組成；其中各接觸面電阻包括端電極與內電極的接觸，不同的端電極電鍍層間 的接觸等；Res對頻率是較為敏感的，并隨頻率的增加而增加，因為：

1．接觸電阻－電極間接觸形成的間隙式裂縫是容性阻抗(Z=1/(2pif*C)),從而導致Res在剛開始 時隨頻率的增加而下降。

2．趨膚效應－內電極和端電極由于趨膚效應，阻抗隨頻率的增加而增加，最終將抵消接觸電 阻所產生ESR下降的影響。

3．電介質極化－隨電介質中的極化定向，大量的能量被儲備，從而呈現阻抗隨頻率增大而增大.

圖3. 陶瓷電容的ESR組成

a） ESR各組成電阻

i 內電極層自身電阻：

內電極層可以認為是一個給定厚度、長寬參數的金屬平面薄板，因此其自身電阻取決與L/W的 比例，但由于是通過涂抹工藝（絲網疊?。┲瞥桑兄惶巹t的厚度及一些空洞區域等缺陷， 這些空洞區域在低頻時呈現的高阻特性，而當頻率增大，在中間夾雜介質的分流作用下（容抗）， 減小了整個器件的阻抗。但隨著頻率進一步增加，到較高頻時，出現趨膚效應，導致呈現的阻抗增加。

ii 接觸電阻：

從微觀角度看，任何光滑的表面都是凹凸不平的，因此，兩個接點接觸時，不可能是整個接觸面接觸，而是有限點的接觸，差異取決于表面光滑程度和接觸壓力的大小。真正的接觸電阻包括：集中電阻——電流通過接觸面，由于接觸面縮小而導致電流線收縮所顯示的電阻，通常稱為集中電阻；界面電阻——由于接觸表面所形成膜層而構成的膜層電阻或稱界面電阻。同樣的，內電極一端與端電極的接觸面并不是很完美，這個電極接觸端面不規則，則其相應接觸電 阻也會由于接觸點的電流集中及相應熱區效應而不同。工藝上應盡量避免該接觸面的不規則，不然將會降低長期使用的功率承載能力。事實上，雖然接觸表面面一些地方有兩金屬的合金生成，但大 多數仍舊是“物理”的接觸，某些中間的膜層為玻璃粉，可以認為這些接點是一個具有阻性和容性 的元素，因此在低頻時，阻值較大；在高頻時，又會呈現較低的阻抗。由于，接觸電阻直接受內電 極層的L/W比例影響，往往把內電極層電阻和接觸電阻看成一體。

iii 介質層電阻：

在電場中，介質分子極化過程中要損耗一些能量。它的大小主要受介質常數K和環境溫度的影響。

圖4. 陶瓷電容的介質層電阻

iv 端電極自身電阻：

影響很小，一般可以省略不考慮。

b） ESR與各參數間的關系

i 與容量：

在給定介質和厚度情況下，剩下跟隨容量變化的可變量為電極平面數目?？梢越普J為，電容為許多小電容并聯，因此，其ESR隨著容量的增加，并聯數目增多而減少。

圖5. 陶瓷電容的容量和ESR的關系

ii 與頻率：

隨著頻率增加，介質層電阻減?。l率變化影響介質的參數，提高其絕緣性能和效率），在一 定頻率（1MHz）后，介質層電阻減小到對整體ESR的影響很小，而可以忽略。另外，接觸面所呈現的小電容在高頻下，容抗減小，更是減小了ESR，但這些到了一定高頻（30MHz）后，隨著電極層的趨膚效應出現，ESR開始增大。在器件在或接近自諧振點時，其ESR達到最小值。

iii 與溫度：

陶瓷電容的ESR與溫度呈線性反比例關系，但比例系數與介質有關，如下面圖，X7R為5， 而NPO為1.5。溫度主要影響了介質層分子極化的初始勢能，從而影響了介質層電阻；另外，電極及端極的膨脹壓縮導致接觸面壓力增加，更是影響了整體的ESR。

圖6. ESR與溫度關系

iv 與尺寸：

長寬比，越短越寬，則內電極自身電阻越小，而且越寬接觸面積越大，則相應接觸電阻也會減小。

2.3 ESL值

貼片陶瓷電容的ESL與貼片固體鉭電容類似，同為SMD器件，具有比較小的ESL，但由于內部引線結構，瓷片的ESL又要比鉭電容小很多，可用近似公式：ESL=394.727* (1.052^L)* (1.317 ^L/W )來進行推算，比如1206封裝，則L＝12，W＝6。ESL雖然與容量有關系，但相對而言，這個變化量很 小，基本可以認為不變。

圖7. X7R電容的阻抗特性

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使用中的可靠性需要關注的地方

3.1 可靠應用關注點

多層陶瓷電容器由于其介質和結構關系，主要關注機械應力以及在施加溫度、電壓變化下參數變化問題。它本身的內在可靠性十分優良，可以長時間穩定使用。但如果器件本身存在缺陷或在組 裝過程中引入缺陷，則會對其可靠性產生嚴重影響。

3.2 失效的原因

多層陶瓷電容的失效原因分為外部因素和內在因素。

a） 內在因素：

1.陶瓷介質內空洞 (Voids)

導致空洞產生的主要因素為陶瓷粉料內的有機或無機污染，燒結過程控制不當等?？斩吹漠a生極易導致漏電，而漏電又導致器件內部局部發熱，進一步降低陶瓷介質的絕緣性能從而導致漏電增加。該過程循環發生，不斷惡化，嚴重時導致多層陶瓷電容器開裂、爆炸，甚至燃燒等嚴重后果。

2.燒結裂紋 (Firing Crack)

燒結裂紋常起源于一端電極，沿垂直方向擴展。主要原因與燒結過程中的冷卻速度有關，裂紋 和危害與空洞相仿。

3.分層 (Delamination)

多層陶瓷電容器（MLCC）的燒結為多層材料堆疊共燒。燒結溫度可以高達1000℃以上。層間 結合力不強，燒結過程中內部污染物揮發，燒結工藝控制不當都可能導致分層的發生。分層和空洞、 裂紋的危害相仿，為重要的多層陶瓷電容器內在缺陷。

b） 外部因素：

1.溫度沖擊裂紋(Thermal Crack)

主要由于器件在焊接特別是波峰焊時承受溫度沖擊所致，不當返修也是導致溫度沖擊裂紋的重 要原因。

2.機械應力裂紋(Flex Crack)

多層陶瓷電容器的特點是能夠承受較大的壓應力，但抵抗彎曲能力比較差。器件組裝過程中任 何可能產生彎曲變形的操作都可能導致器件開裂。常見應力源有：貼片對中，工藝過程中電路板操 作；流轉過程中的人、設備、重力等因素；通孔元器件插入；電路測試、單板分割；電路板安裝；電路板定位鉚接；螺絲安裝等。該類裂紋一般起源于器件上下金屬化端，沿45℃角向器件內部擴展。該類缺陷也是實際發生最多的一種類型缺陷。

3.3 多層陶瓷電容器的質量控制

多層陶瓷電容器的特點是在沒有內在缺陷并且組裝過程也未引入其它缺陷的前提下，可靠性優 越。但是如果存在缺陷，則無論是內在的還是外在的都可能對器件可靠性產生嚴重影響。同時組裝 后的陶瓷電容器潛在缺陷很難通過無損、在線檢測等發現，因而多層陶瓷電容器的質量控制主要必 須通過預防性措施解決。常見預防措施包括：

1.對供應商進行認真選擇、對其產品進行定期抽樣檢測等。

2.對組裝工藝中所有可能導致熱應力、機械應力的操作進行認真的分析及有效的控制。

考慮到多層陶瓷電容器的特點，對器件進行的檢測可以主要包括：

1.結構分析: 即采用金相剖面手段抽檢樣品。可以對器件產生的制造水平，內在缺陷等有一全 面了解。

2.掃描超聲分析 : 可以十分有效地探測空洞、分層、水平裂紋等缺陷耐溫度試驗考察高溫及溫 度沖擊可能帶來的器件開裂、Ag/Pd層外露等缺陷。彎曲試驗: 按照相關標準將器件組裝在規定的印 刷電路板上，進行彎曲試驗，以考察器件抗彎曲能力。當然陶瓷電容器還有很多其它檢測指標，可 根據具體情況增加或減少檢查項目，以達到用最低的成本達到最有效的控制。

組裝工藝中主要考察及控制項目：

1.回流或波峰焊溫度曲線，一般器件工藝商都會提供相關的建議曲線。通過組裝良品率的積累 和分析，可以得到優化的溫度曲線。

2.在組裝工藝中印刷線路板操作和流轉過程中特別是手工插件、鉚釘連接、手工切割等工藝需 要特別加以注意。必要時甚至需要對產品設計進行修改，以最大限度地使多層陶瓷電容器避開在工 藝過程中可能產生較大機械應力的區域。

3.檢查組裝過程中的電檢測 ICT工藝，必須注意盡量減小測試點機械接觸所帶來的機械應力。

4.返修工藝中溫度曲線的設置。如使用烙鐵返修，則焊頭接觸焊點的位置、時間等都必須加以 規范。

多層陶瓷電容器的質量控制為一系統工程，首先必須對實際生產中的失效樣品進行分析以確定 失效的根本原因，在此基礎上逐步提出改進措施并最終達到最優化的控制。

3.4 總結

1）陶瓷電容由于其介質和構造問題，ESR、ESL參數都很小，這使得它在高頻濾波場合有廣泛 應用，一般其應用頻率為1MHz到1GHz，高于GHz的濾波是通過PCB板間電容來實現的。

2）陶瓷電容主要受機械應力影響。