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贴片电容容值偏低原因及解决对策

入料检验、设计部门选型测试电容容值时经常遇到容值偏低的问题,对工作造成极大困扰。本文将从仪器差异、测试条件、测试环境、材料老化等方面对此作出说明及解释,以帮助大家对MLCC产品容值偏低现象有进一步的认识。


影响因素

1、量测仪器差异对量测结果的影响

高容量的电容量测时更易有容值偏低现象,主要原因是电容两端的实际施加电压无法达到测试条件需求所致,也就是说加在电容两端的电压由于仪器本身内部阻抗分压的原因与仪器显示的设定电压不同导致。


(1)仪器内阻100Ω压降

1V*[100Ω/(100Ω+16Ω)]=0.86V

10uF测试电容两端电压 :

1V*[16Ω/(100Ω+16Ω)]=0.14V

平均电容值读数
: 6-7μF

图1:测量仪器结构示意图


(2)仪器内阻1.5Ω压降 :

1V*[1.5Ω/(1.5Ω+16Ω)]=0.086V

10uF测试电容两端电压  :

1V*[16Ω/(1.5Ω+16Ω)]=0.914V

平均电容值读数  :
9-10μF

综合以上实验可知,有效电压与电容量的关系如下:


当AC Voltage 较小,则量测出的电容值偏小


当AC Voltage 较大,则量测出的电容值偏大

下图为量测电压与量测容值的对照图


图2:电容量和测试电压曲线


2、测试条件对量测结果的影响

      首先考虑量测条件的问题。对于不同容值的电容会采用不同的条件来量测其容值。主要在电压设定和测试频率设定上有差异,不同容值的量测条件如下表所示:

注: 表中所列的电压指实际加在电容两端的有效电压

因仪器的原因,电容两端实际的輸出电压与设定的量测电压实际上可能会有所偏差。


3、量测环境条件对量测结果的影响

电容class Ⅱ(Y5V/X7R/X5R)产品被称为非温度补偿性元件,即在不同的工作温度下,容量会有比较明显的变化,我们以Y5V为例说明:

Y5V 的温度特性如下图所示:

图3:电容温度特性曲线

由上图可知,在不同的操作温度下,容值与实际容值之间的差异量。比如,在40℃时的测试所得的电容容量将比25℃时的测试所得的电容容量低了近20%。

所以,在外部温度比较高的情况下,如夏天,容值的测试值就会显的偏低。


4、MLCC产品材料老化现象

老化是指电容容值随时间降低的一种现象,它在所有以铁电系材料做介电质的材料均有发生,是此类材料一种固有的、自然的,不可避免的现象。发生的原因是内部晶体结构随温度和时间产生变化导致了容值下降的现象,属可逆现象,介质的分子结构变化如下图:

图4:介质的分子结构变化


老化速率呈典型对数曲线如下:



当对老化的材料施加高于材料居里温度的高温,当环境温度回到常温后,材料的分子结构将会回到原始的状态。材料将由此开始老化的又一个循环。          


解决对策

1、量测仪器差异对量测结果的影响对策:

在测量电容容值时将仪器调校并将仪器的设定电压与实际加在产品两端所测电压尽量调整,使实际加载在待测物上的电压和输出电压一致。


2、测试条件对量测结果的影响的对策:

对于不同容值的电容会采用不同的测试电压和测试频率来量测其容值。


3、量测环境条件对量测结果的影响的解决对策:

将产品放置在20℃的环境下一段时间,使材料在较稳定的测试环境下再进行测试。


4、MLCC产品材料老化现象的解决对策:

高温烘烤:将测试容量偏低的产品放置在环境温度为:150℃条件下烘烤1hour。然后在常温25℃下放置24小时,再行测试,容值将恢复到正常规格范围内;

或者将测试容量偏低的产品浸至锡炉或过回流焊后,再进行测试,容值将恢复到正常规格范围内。


总结

通过以上对贴片电容容量偏低的原因进行分析可知,在测试时出现的电容容量偏低可能是内在因素即电容材质本身特性造成的,也可能是外在因素即测试仪器、测试环境、测试方法等因素造成的,所以在实际使用过程中,对于确保因为以上因素造成的容量偏低的产品,在制造过程中没必要在上线前进行容值恢复动作,只需要将组件置于板上正常生产作业,产品经过回流焊或波峰焊后,即可恢复正常容值。


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