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MLCC如何选型及MLCC选型要素解析

MLCC简介


  MLCC是片式多层陶瓷电容器英文缩写。主要MLCC主要生产厂家:美国基美(KEMET);日本村田、京瓷、丸和、TDK;韩国三星;台湾国巨、华新科、禾伸堂;大陆有名的则是宇阳、风华高科、三环。


  按照温度特性、材质、生产工艺。MLCC可以分成如下几种:NPO、COG、Y5V、Z5U、X7R、X5R等。NPO、COG温度特性平稳、容值小、价格高;Y5V、Z5U温度特性大、容值大、价格低;X7R、X5R则介于以上两种之间。


  按材料SIZE大小来分。大致可以分为3225、3216、2012、1608、1005、0603、0402数值越大。SIZE就更宽更厚。目前常用的最多为3225最小为0402。


  目前在便携产品中广泛应用的片式多层陶瓷电容器(MLCC)材料根据温度特性,主要可分为两大类:BME化的C0G产品和LOWESR选材的X7R(X5R)产品。


MLCC如何选型_MLCC选型要素解析


  MLCC产品的主要特点


  1、等效串联电阻小,阻抗低


  在0.1-10MHz范围内,4.7μF的MLCC远比10倍容量的铝电解电容器及2倍以上容量的钽电解电容器阻抗要小得多,因此,在高频工作条件下,它有可能取代尺寸大或价格高的铝电解电容器或钽电解电容器,并有更好的性能。


  2、额定纹波电流大


  电容器的一个重要功能是用做平滑滤波器,因此额定纹波电流大小是一个重要性能指标。在设计滤波电路中,电容器的额定纹波电流要大于电路的最大纹波电流。由于MLCC的ESR小,因此它的额定纹波电流大,大电流的充、放电不会使电容器因过热而损坏。


  3、品种、规格齐全


  MLCC的品种、规格齐全。有耐高压系列(500~5000V)、EMI滤波系列、低阻抗系列、有高精度调谐系列(RF频段)及多个电容器阵列,适合各方面应用。


  4、尺寸小


  MLCC中0402尺寸的电容器的容量可达0.047μF(X5R)、0.1μF(Y5V),0603尺寸的可达1μF(Y5V),0805尺寸的可达2.2μF(Y5V)。这对便携产品节省空间具有很大意义,而且10V的耐压也很适合便携应用。


  5.无极性


  由于无极性,其装配将会更加方便。


MLCC如何选型_MLCC选型要素解析


  MLCC选型要素解析


  MLCC的选型过程中:首先MLCC参数要满足电路要求,其次就是参数与介质是否能让系统工作在最佳状态;再次,来料MLCC是否存在不良品,可靠性如何;最后,价格是否有优势,供应商配合是否及时。许多设计工程师不重视无源元件,以为仅靠理论计算出参数就行,其实,MLCC的选型是个复杂的过程,并不是简单的满足参数就可以的。


  选型要素:

  参数:电容值、容差、耐压、使用温度、尺寸


  材质


  直流偏臵效应


  失效


  价格与供货


  不同介质性能决定了MLCC不同的应用:

  C0G电容器具有高温度补偿特性,适合作旁路电容耦合电容X7R电容器是温度稳定型陶瓷电容器,适合要求不高的工业应用。


  Z5U电容器特点是小尺寸和低成本,尤其适合应用于去耦电路Y5V电容器温度特性最差,但容量大,可取代低容铝电解电容MLCC常用的有C0G(NP0)、X7R、Z5U、Y5V等不同的介质规格,不同的规格有不同的特点和用途。C0G、X7R、Z5U和Y5V的主要区别是它们的填充介质不同。在相同的体积下由于填充介质不同所组成的电容器的容量就不同,随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同,所以在使用电容器时应根据电容器在电路中作用不同来选用不同的电容器。


  C0G(NP0)电容


  C0G是一种最常用的具有温度补偿特性的MLCC。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。C0G电容量和介质损耗最稳定,使用温度范围也最宽,在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃,电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。C0G电容的漂移或滞后小于±0.05%,相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。


  C0G电容器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,大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。C0G电容器适合用于振荡器、谐振器的旁路电容,以及高频电路中的耦合电容


  X7R电容


  X7R电容器被称为温度稳定型陶瓷电容器。X7R电容器温度特性次于C0G,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也是不同的,它随时间的变化而变化,大约每10年变化1%ΔC,表现为10年变化了约5%。X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用,并且电压变化时其容量变化在可以接受的范围内,X7R的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。


  Z5U电容


  Z5U电容器称为“通用”陶瓷单片电容器。这里要注意的是Z5U使用温度范围在+10℃到+85℃之间,容量变化为+22%到-56%,介质损耗最大为4%。Z5U电容器主要特点是它的小尺寸和低成本。对于上述两种MLCC来说在相同的体积下,Z5U电容器有最大的电容量,但它的电容量受环境和工作条件影响较大,它的老化率也是最大,可达每10年下降5%。


  尽管它的容量不稳定,由于它具有小体积、等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)低、良好的频率响应等特点,使其具有广泛的应用范围,尤其是在去耦电路中的应用。


  Y5V电容


  Y5V电容器是一种有一定温度限制的通用电容器,Y5V介质损耗最大为5%。Y5V材质的电容,温度特性不强,温度变化会造成容值大幅变化,在-30℃到85℃范围内其容量变化可达+22%到-82%,Y5V会逐渐被温度特性好的X7R、X5R所取代。各种不同材质的比较从C0G到Y5V,温度特性、可靠性依次递减,成本也依次减低C0G、X7R、Z5U、Y5V的温度特性、可靠性依次递减,成本也是依次减低的。在选型时,如果对工作温度和温度系数要求很低,可以考虑用Y5V的,但是一般情况下要用X7R,要求更高时必须选择C0G的。一般情况下,MLCC都设计成使X7R、Y5V材质的电容在常温附近的容量最大,容量相对温度的变化轨迹是开口向下的抛物线,随着温度上升或下降,其容量都会下降。并且C0G、X7R、Z5U、Y5V介质的介电常数也是依次减少的,所以,同样的尺寸和耐压下,能够做出来的最大容量也是依次减少的。实际应用中很多公司的开发设计工程师按理论计算,而不了解MLCC厂家的实际生产状况,常常列出一些很少生产甚至不存在的规格,这样不但造成采购成本上升而且影响交期。比如想用0603/C0G/25V/3300pF的电容,但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF。


  MLCC替代电解电容Z5U、Y5VMLCC可取代低容量铝、钽电解电容器取代电解电容要注意MLCC温度特性是否合适。


  英制与公制不能混用


  与铝电解电容钽电容相比,MLCC具有无极、ESR特性值小、高频特性好等优势,而且MLCC正在朝小体积、大容量化发展,如Y5V可以做到较高的容量,通常1206表面贴装Z5U、Y5V介质电容器量甚至可以达到100μF,在某种意义上是取代低容量铝、钽电解电容器的有力竞争对手,但是也要注意这些电容的尺寸比较大,容易产生裂纹。另外,Y5V的MLCC最高温度只有85度,取代电解电容时要注意温度是否合适。


  MLCC的尺寸是用一组数字来表示,例如0402、0603。表示方法有两种,一种是英制表示法,一种是公制表示法。美国的厂家用英制,日本厂家基本上都用公制的,而国内厂家有用英制表示的也有用公制表示的,所以要特别注意规格表中标号对照尺寸的单位是英寸还是毫米。


  国内工程师一般习惯使用英制表示,但是也要注意工程师与采购之间要统一认识,要用公制都用公制,用英制都用英制,避免发生误会,例如说到0603,英制和公制表示里都有0603,但实际尺寸差别很大。MLCC的直流偏臵效应


  直流偏臵效应会引起电容值改变小尺寸电容取代大尺寸电容不简单


  记住向供应商索要系统最常用电压的综合曲线


  在选择MLCC时还必须考虑到它的直流偏臵效应。电容选择不正确可能对系统的稳定性造成严重破坏。直流偏臵效应通常出现在铁电电介质(2类)电容中,如X5R、X7R、及Y5V类电容。设计人员在考虑无源器件时,他们会想到考量电容的容差,这在理论上是对的,陶瓷电容的容差是在1kHz频率、1Vrms或0.5Vrms电压下规定/测试的,但实际应用的条件差异非常大。在较低的rms电压下,电容额定值要小得多。在某一特定频率下,在一个陶瓷电容上加直流偏臵电压会改变这些元件的特性,故有“有源的无源器件(acTIvepassives)”之称。例如,一个10μF,0603,6.3V的电容在-30°C下直流偏臵1.8V时测量值可能只有4μF。


  陶瓷电容的基本计算公式如下:C=K&TImes;[(S&TImes;n)/t]


  这里,C=电容量,K=介电常数,n=介电层层数,S=电极面积,t=介电层厚度


  影响直流偏臵的因子有介电常数、介电层厚度、额定电压的比例因子,以及材料的晶粒度。


  容上的电场使内部分子结构产生“极化”,引起K常数的暂时改变,不幸的是,是变小。电容的外壳尺寸越小,由直流偏臵引起的电容量降量百分比就越大。若外壳尺寸一定,则直流偏臵电压越大,电容量降量百分比也越大。系统设计人员为节省空间用0603电容代替0805电容时,必须相当谨慎。


  因此,请记住应该向厂商索取在应用的预定直流偏臵电压下的电容值曲线。电容器生产商往往喜欢出示单独的曲线,如电容量随温度的变化曲线,另一条是电容量随直流偏臵的变化曲线。不过,他们不会同时给出两条,但实际应用恰恰需要两条。应该记住向生产厂商索要系统最常用电压的综合曲线。检测时容量不正常,MLCC的长时间放臵会导致特性值的降低检测方法不当也会引起容量偏差。


  对于刚入行的采购或者选型工程师来说,可能会经常遇到检测时容量偏差的问题,要么是不良品,要么是因为MLCC的长时间放臵导致特性值的降低,可以使用烧结的方法恢复特性值。


  搬运与储存时要注意防潮,Y5V与X7R产品存放时间太长,容量变化较大。MLCC测试容量时,检测方法要正确,容量会因检测设备的不同而有偏差。


  MLCC的失效问题


  MLCC在生产中可能出现空洞、裂纹、分层组装过程中会引起哪些失效?哪些过程会引起失效?有的裂纹很难检测出来


  MLCC内在可靠性十分优良,可以长时间稳定使用。但如果器件本身存在缺陷或在组装过程中引入缺陷,则会对其可靠性产生严重影响。例如,MLCC在生产时可能出现介质空洞、烧结纹裂、分层等缺陷。分层和空洞、裂纹为重要的MLCC内在缺陷,这点可以通过筛选优秀的供应商,并对其产品进行定期抽样检测等来保证。


  另一种就是组装时引入的缺陷,缺陷主要来自机械应力和热应力。MLCC的特点是能够承受较大的压应力,但抵抗弯曲能力比较差。所以PCB板的弯曲也容易引起MLCC开裂。由于MLCC是长方体,焊端在短边,PCB发生形变时,长边承受应力大于短边,容易发生裂纹。所以,排板时要考虑PCB板的变形方向与MLCC的安装方向。在PCB可能产生较大形变的地方都尽量不要放臵电容,比如PCB定位铆接、单板测试时测试点机械接触等位臵都容易产生形变。


  厚的PCB板弯曲小于薄的PCB板,所以使用薄PCB板时更要注意形变问题常见应力源有:工艺过程中电路板操作;流转过程中的人、设备、重力等因素;通孔元器件的插入;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。该类裂纹一般起源于器件上下金属化端,沿45℃角向器件内部扩展。该类缺陷也是实际发生最多的一种类型缺陷。


  同样材质、尺寸和耐压下的MLCC,容量越高,介质层数就越多,每层也越薄,并且相同材质、容量和耐压时,尺寸小的电容每层介质更薄,越容易断裂。裂纹的危害是漏电,严重时引起内部层间错位短路等安全问题。裂纹通常可以使用ICT设备完成检测,有的裂纹比较隐蔽,无法保证100%的检测效果。温度冲击裂纹主要由于器件在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致。焊接时MLCC受热不均,容易从焊端开始产生裂纹,大尺寸MLCC尤其如此。这是因为大尺寸的电容导热没有小尺寸的好,造成电容受热不均,膨胀幅度不同,从而产生破坏性应力。另外,在MLCC焊接过后的冷却过程中,MLCC和PCB的膨胀系数不同,也会产生应力导致裂纹。相对于回流焊,波峰焊时这种失效会大大增加。要避免这个问题,回流焊、波峰焊时需要有良好的焊接温度曲线,一般器件工艺商都会提供相关的建议曲线。通过组装良品率的积累和分析,可以得到优化的温度曲线。


  IBIS模型是一种基于V/I曲线对I/OBUFFER快速准确建模方法,是反映芯片驱动和接收电气特性一种国际标准,它提供一种标准文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数,非常适合做振荡和串扰等高频效应计算与仿真。


  IBIS本身只是一种文件格式,它说明在一标准IBIS文件中如何记录一个芯片驱动器和接收器不同参数,但并不说明这些被记录参数如何使用,这些参数需要由使用IBIS模型仿真工具来读取。欲使用IBIS进行实际仿真,需要先完成四件工作:获取有关芯片驱动器和接收器原始信息源;获取一种将原始数据转换为IBIS格式方法;提供用于仿真可被计算机识别布局布线信息;提供一种能够读取IBIS和布局布线格式并能够进行分析计算软件工具。


  IBIS模型优点可以概括为:在I/O非线性方面能够提供准确模型,同时考虑了封装寄生参数与ESD结构;提供比结构化方法更快仿真速度;可用于系统板级或多板信号完整性分析仿真。可用IBIS模型分析信号完整性问题包括:串扰、反射、振荡、上冲、下冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构分析。IBIS尤其能够对高速振荡和串扰进行准确精细仿真,它可用于检测最坏情况上升时间条件下信号行为及一些用物理测试无法解决情况;模型可以免费从半导体厂商处获取,用户无需对模型付额外开销;兼容工业界广泛仿真平台。


  IBIS模型核由一个包含电流、电压和时序方面信息列表组成。IBIS模型仿真速度比SPICE快很多,而精度只是稍有下降。非会聚是SPICE模型和仿真器一个问题,而在IBIS仿真中消除了这个问题。实际上,所有EDA供应商现在都支持IBIS模型,并且它们都很简便易用。大多数器件IBIS模型均可从互联网上免费获得。可以在同一个板上仿真几个不同厂商推出器件。


MLCC如何选型_MLCC选型要素解析


  中国MLCC行业市场发展概况


  据立木信息咨询发布的《中国MLCC行业调研与投资前景研究报告(2018版)》显示:纵览整条MLCC产业链,上游为原材料环节,包含两类主要的原料,一类是MLCC陶瓷粉,主要集中在日本、韩国和台湾,另一类是构成内电极与外电极的金属,主要集中在国内;中游为器件制造环节,日韩台的产品市占率较高;下游主要受消费电子、工业,通信等应用领域需求驱动,未来汽车领域与可转换能源领域同样有望成为新生增长点。


  高端MLCC产品存在技术壁垒,国产MLCC器件加工精度尚存差距。工艺过程主要是将印制电极的陶瓷介质膜片错位堆叠,一次性高温烧结形成后,在两端封金属层。MLCC海外领先企业目前已可以实现800-1000层的量产水平,介质厚度接近1微米,而国内企业MLCC量产产品普遍在300层左右,介质厚度为3微米,加工精度方面与日韩等领先企业尚存差距。


  当前高端MLCC产能主要集中于村田、三星电机、太阳诱电、TDK等日韩领先企业手中。从全球出货数量看,MLCC主要面向手机、音视频设备、PC等消费电子领域。消费电子领域经历了数码音视频设备渗透、PC市场快速成长,智能手机普及等三波浪潮后,MLCC在消费电子领域出货量占比已达70%。


  高端MLCC的需求主要来自于两方面,其一是智能手机产品对微小化MLCC的需求,其二是汽车应用场景下对高容MLCC的需求。全球智能手机用超小型MLCC需求量将从2016年的3763亿颗增长到2020年的6325亿颗,年复合增长率为13.9%。


  汽车应用场景下对高容MLCC的需求,我们根据每年各类型汽车的销量和不同车型所需的MLCC数量来测算汽车应用场景下对高容MLCC的需求量,2016年至2019年,汽车市场对高容MLCC的需求量分别为3495亿颗、3787亿颗、4267亿颗、4582亿颗。

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