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多層陶瓷電容(MLCC)的基本原理

MLCC產品剖面圖。多層陶瓷電容的本體的介電陶瓷材料大多以「鈦酸鋇」,「 氧化鈦」…等 為主;內電極則以「銀/鈀」合金或「鎳」為主 (配合陶瓷材料);外電極則以「銀」或「銅」為主 (最外電鍍 鎳/錫 以利SMT 焊接) 。

(公司最近碰到了一些電容的問題,所以收集了一些關於多層陶瓷電容(MLCC)的文章。這是一篇整理文,內文大量引用了網路上已經有的一些資料,如果有發現錯誤或不妥的地方,歡迎指正。)

我們都知道,電容就是可以儲存電量的容器,而電容的基本原理就是使用兩片互相平行但未接觸在一起的金屬,中間以空氣或是其他材料作為為絕緣物,將兩片金屬的一片接在電池的正極,另一片接在負極,金屬片上就能儲存電荷,這種能儲存電荷的裝置就稱為【電容器】。不過本文最主要在闡明MLCC(多層陶瓷電容)



如下圖所示,當兩金屬片間之電位差為1V,儲存之電荷量為1庫倫時,電容器的容量就是1法拉(Farad),以公式表示如下:C = Q / V

Q:金屬片上儲存的電荷量,單位為庫倫。

V:金屬片間的電壓,單位為伏特。

C:電容器的容量,單位為法拉。

電容器原理

所以電容器的容量與金屬片的面積成正比,但是與兩金屬片之間的距離成反比,並且與金屬片之間的絕緣介電質(dielectric)常數有關。電容可以用下面的公式表下:

C = εA / L 

(A:金屬片的電及面積;L:金屬片電極間的距離;ε:電極間絕緣物的介電常數)。

多層陶瓷電容的原理:

而多層陶瓷電容(MLCC,Multi-Layer Ceramic Capacitor)因為可以作成薄片,比起「電解電容」在同樣的體積下MLCC可以大大提昇其電容器的容量。

MLCC的電容量公式可以如下表示:

image

C : 電容量,以 F (法拉) 為單位,而MLCC 之電容值 以 PF, nF,和 µF 為主。

ε:電極間絕緣物的介質常數,單位為法拉/公尺。

K : 介電常數 (依陶瓷種類而不同)

A : 導電面積 (產品大小及印刷面積而不同)

D : 介電層厚度 (薄帶厚度)

n:層數 (堆疊層數)

MLCC01

MLCC產品種類及規格介紹:

  1. 依照【溫度】特性分類 : 電容值隨溫度變化情形,可分為 COG(NPO)、X7R、Z5U、Y5V 等。 
    COG為EIA標準,其表示溫度從 -55°C到125°C電容值變化(以25°C之電容值為基準),COG為 +/- 30ppm/°C 。 
    NPO為COG一般常用之稱乎,N為「負(negative)」,P表「正(positive)」,O表「零」,表示此電容器在使用溫度範圍中, 其電容變化量很小幾乎為零。 
    X7R : 表示-55°C(X)~125°C(7)其容量變化(以25°C為基準)必須 ±15%(R) 以內。 
    Y5V : 表示-30°C(Y) ~到 85°C(5) 其容量變化(以25°C為基準)必須在+22~82%(V)以內。 
    以下是MLCC的溫度特性代表符號,僅供參考:
     
    MLCC容值 
  2. 依照MLCC產品【尺寸】的大小分類 : 0402 ; 0603 ; 0805 ; 1206 等。 
    MLCC尺寸大小定義

  3. 依照【電容量】來區分: 如 10 PF, 100P, 1nF, 1 µF, 10 µF 等。

  4. 依照【工作電壓】區分: 如 10V, 16V, 25V, 50V, 100V, 200V, 500V, 1KV, 2KV, 3KV。同一系列的產品, 其工作電壓越高,則其介電層厚度就必須越厚, 相對的其電容值也就較低。 
    例如:Y5V/0603/100nF產品 其工作電壓可達25v(堆疊層數:約20 層, 介電層厚:12 µm);Y5V/0603/1µF產品 其工作電壓只有10v(堆疊層數: 約76層, 介電層厚:7 µm) 。

  5. 依照【容值允差】區分 :如 ±0.1pF(B值)、±0.25pF(C值)、±0.5pF(D值)、±1%(F值)、±2%(G值)、±5% (J值)、±10%(K值)、±20%(M值)、 -20%~+80%(Z值)。

所以,一個完整的 MLCC 產品在規格描述上至少必須包括以上的全部特性。 
例如 :< NPO/0603/100PF/J/50V> 
表示此產品的規格為 : NPO材質、0603尺寸、100PF容值、容值允差為±5%、耐壓為50V。

MLCC的製造流程:

MLCC本體的介電材料,以鈦酸鋇、 氧化鈦、鈦酸鎂、 鈦酸鍶…等為主,依據產品的種類(NPO, X7R, Y5V)決定不同的燒結溫度與燒結氣氛。

MLCC內、外電極材料列表:

MLCC內外電極材料

一、厚膜積層技術 :

  • 生胚成形 : 帶狀生胚,厚度: 5µm – 25 µm。

  • 電極印刷 : 導電電極印刷, 依尺寸。

  • 疊層技術 : 4 – 250 層。

  • 切割技術 : Knife cutting, Laser cutting, Sawing。

二、陶瓷共燒技術:

  • 陶瓷及金屬電極材料 : 使用匹配的材料。

  • 本體燒結技術 : 溫度 (950~1300°C)及氣氛控制 (空氣,氮/氫 混合氣)。

  • 端電極技術 : 高溫燒附(750~900°C) 及氣氛控制 (銅電極)。

  • 電鍍技術 (鍍鎳, 錫/鉛), 純錫電鍍。

MLCC之製造流程大致如下:MLCC製造流程圖解

MLCC以材料特性又分為NME(Noble Metal Electrode,貴金屬電極)及BME(Base Metal Electrode,卑金屬電極)兩種製程技術,其生成運用的特性也稍有不同。NME比較穩定,經常作為耐高壓的產品,價錢也比較貴;BME則屬於低成本的產品,允差比較大,一般用在比較不挑剔的產品上。MLCC-BME及NME之製程技術

MLCC的最大問題是太過脆弱,一個使用或處理不小心就容易出現破裂(crack)的情形發生,所以一般MLCC出廠時都會特別註明如何handle這些嬌客。焊接或是解焊時還得注意不要對其本體產生應力,否則它就會「破」給你看。





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点击次数:  更新时间:2017-07-12 12:54:00  【打印此页】  【关闭】
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