一文搞懂MLCC陶瓷电容器的特性
1 电容分类
大家好，我是硬件花园!
电容是三个最常用的无源元器件(电阻、电感)之一。
电容的种类有很多，可以从原理上分为：无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容等，从材料上分主要有：cbb电容(聚乙烯)，涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容(即贴片电容或mlcc)、电解电容、钽电容等。
电容分类
常见电容的优缺点对比。
电容优缺点对比
2 mlcc电容结构
mlcc(multi-layer ceramic capacitors)是片式多层陶瓷电容器的英文缩写。mlcc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。
2.1 内部结构示意图
mlcc内部结构示意图
2.2 设计原理
mlcc的电容容量，可以通过下面的公式进行计算。
c = k×m×n / t
c代表电容容量;k代表介电常数;m代表正对面积;n代表叠层层数;t代表介质厚度。
2.3 各组成部分详解
陶瓷介质：电场作用下，极化介电储能，电场变化时极化率随之发生变化，不同介质种类由于它的主要极化类型不一样，其对电场变化的响应速度和极化率亦不一样。
陶瓷介质类型
内电极：它与陶瓷介质交替叠层，提供电极板正对面积;pme-ag/pd：主要在x7r和y5v中高压mlcc产品系列中，材料成本高。bme-ni：目前大部分产品均为ni内电极，材料成本低，但需要还原气氛烧结。 端电极 基层：铜金属电极或银金属电极，与内电极相连接，引出容量。 阻挡层：镍镀层，热阻挡作用，可焊的镍阻挡层能避免焊接时sn层熔落。 焊接层：sn镀层，提供焊接金属层。
视频第8秒开始出现，mlcc电容实物切开后的模样
3 mlcc制造
3.1 选材
瓷粉：它是产品质量水平高低的决定性因素，采用技术不成熟的瓷粉材料会存在重大的质量事故隐患。 进口材料：北美中温烧结瓷粉、日本高温烧结瓷粉均较成熟。国产材料：i 类低k值瓷粉较成熟。 内浆：它是产品质量水平关键因素，基本要求是与瓷粉材料的匹配性好，若采用与瓷粉材料匹配性不良的内浆制作mlcc，其可靠性会大大下降。 端浆：它是产品性能高低的重要因素，如端浆选用不当，则所制作的端电极电气及机械性能低。
3.2 工艺流程
mlcc工艺流程图
4 mlcc分类、应用及性能
4.1 mlcc分类
按照温度特性、材质、生产工艺。mlcc可以分成如下几种：np0、c0g、y5v、z5u、x7r、x5r等。 np0、c0g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。 4.2不同材质有不同的应用领域 -c0g电容器具有高温度补偿特性，适合作为旁路电容和耦合电容 -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
4.3 几个值得注意的参数
选用mlcc电容时，不单单是关注电容容量和耐压，还需要考量温度容量特性tcc、q值、df损耗值、esr等效串联电阻、esl等效串联电感。另外还要注意bv直流击穿电压，绝缘电阻ir。 在实际电路中选用mlcc电容后，还要格外注意高压寿命测试(击穿失效)、抗弯曲测试(压电效应)、耐焊接热测试。
5 温度-容量特性
由于mlcc选材以及配方的不同，k值都会出现不同的特性。具体而言，通过调整配方将居里点尖峰移至室温附近的高k介质在25℃时展现出极高的介电常数，但同时，不管是升温还是降温，k值都会出现非常大的变化。而低k介质，其配方系统使得居里尖峰被压低和宽化，因此能如人们所希望的那样表现出更佳的稳定性。
ⅰ类瓷的温度系数(t.c.)用 ppm/℃表示，而ⅱ类瓷用%δc。
5.1 测量方法 测量温度系数的方法是将片式电容器样品置于温度可控的温度实验室或“t.c.”实验室中，精确地读取不同温度(通常 为-55℃、25℃、125℃)下的电容量。显然，精密的夹具和测试仪器就变得非常重要了，特别是测量小电容量时，其 ppm/℃数值非常小，容量较基准值的变化往往远小于1pf。由于存在去老化性，因此在测高k的ⅱ类介质时就必须注意。如果在加热过程中对去老化的样品进行测量，其 t.c.结果肯定是错误的;所以t.c.测量必须在对电容器去老化后至少一个小时才能进行。 采用下面的表达式就可以计算出任何给定的温度范围内ⅰ类介质的温度系数，单位为 ppm/℃：
举例：某一样品的电容量测量值如下：
ⅱ类介质的温度系数是以在室温基准值上变化的百分数来表示的，其变化量较线性介质大了好几个数量级。 5.2 介质分类 ⅰ类介质由于采用非铁电(顺电)配方，以tio2为主要成分(介电常数小于150)，因此具有最稳定的性能。通过添加少量其他(铁电体)氧化物，如catio3或srtio3，构成“扩展型”温度补偿陶瓷则可表现出近似线性的温度系数，介电常数增加至500。 两种类型的介质都适用于电路中对稳定性要求很高的电容器，即介电常数无老化或老化可忽略不计，低损耗(df<0.001，或对于扩展型t.c.介质df<0.002)，容量或介质损耗随电压或频率的变化为零或可忽略不计以及线性温度特性不超出规定的公差。 用“字母—数字—字母”这种代码形式来表示ⅰ类陶瓷温度系数的方法已经被广泛应用，并被美国电子工业协会(eia)标准198所采用。
片式电容器中最常用的ⅰ类介质是c0g，温度系数为0ppm/℃±30ppm/℃，也就是mil标准中的np0(负—正—零)，其具有很平的温度系数。实际测量的温度系数并非符合完美的线性关系，但只要其数值不超出eia代码最后一个字母所规定的公差范围就可以接受。 举例：
ⅱ类介质由铁电体所组成。这类介质的介电常数比ⅰ类介质高得多，但其性能随温度、电压、频率和时间变化的稳定性较差。由于铁电陶瓷性能的多样化，有必要根据温度特性将此类介质分为两个亚类。 “稳定的中k”ⅱ类瓷，以25℃为基准，在-55℃到125℃的范围内最大温度系数为±15%。此种介质的介电常数在600到4000之间，与eia中x7r的性质相符。 “高k”ⅱ类瓷，温度系数超出x7r的水平。这种高k介质的介电常数高达4000~18000，但温度系数曲线非常陡峭，原因在于居里点移动到室温附近，出现了最大的介电常数。
用于片式电容器制造的最普遍的中k材料为x7r(-55℃到125℃内δc最大值±15%)。而对于高k类材料，z5u(+10℃到+85℃内δc最大值+22%~-56%)和y5v(-30℃到+85℃内δc最大值+22%~-82%)最为常用。
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电容的种类有很多，可以从原理上分为：无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容等，从材料上分主要有：cbb电容(聚乙烯)，涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容(即贴片电容或mlcc)、电解电容、钽电容等。
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常见电容的优缺点对比。
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2 mlcc电容结构
mlcc(multi-layer ceramic capacitors)是片式多层陶瓷电容器的英文缩写。mlcc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。
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mlcc内部结构示意图
2.2 设计原理
mlcc的电容容量，可以通过下面的公式进行计算。
c = k×m×n / t
c代表电容容量;k代表介电常数;m代表正对面积;n代表叠层层数;t代表介质厚度。
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陶瓷介质：电场作用下，极化介电储能，电场变化时极化率随之发生变化，不同介质种类由于它的主要极化类型不一样，其对电场变化的响应速度和极化率亦不一样。
陶瓷介质类型
内电极：它与陶瓷介质交替叠层，提供电极板正对面积;pme-ag/pd：主要在x7r和y5v中高压mlcc产品系列中，材料成本高。bme-ni：目前大部分产品均为ni内电极，材料成本低，但需要还原气氛烧结。 端电极 基层：铜金属电极或银金属电极，与内电极相连接，引出容量。 阻挡层：镍镀层，热阻挡作用，可焊的镍阻挡层能避免焊接时sn层熔落。 焊接层：sn镀层，提供焊接金属层。
视频第8秒开始出现，mlcc电容实物切开后的模样
3 mlcc制造
3.1 选材
瓷粉：它是产品质量水平高低的决定性因素，采用技术不成熟的瓷粉材料会存在重大的质量事故隐患。 进口材料：北美中温烧结瓷粉、日本高温烧结瓷粉均较成熟。国产材料：i 类低k值瓷粉较成熟。 内浆：它是产品质量水平关键因素，基本要求是与瓷粉材料的匹配性好，若采用与瓷粉材料匹配性不良的内浆制作mlcc，其可靠性会大大下降。 端浆：它是产品性能高低的重要因素，如端浆选用不当，则所制作的端电极电气及机械性能低。
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4.1 mlcc分类
按照温度特性、材质、生产工艺。mlcc可以分成如下几种：np0、c0g、y5v、z5u、x7r、x5r等。 np0、c0g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。 4.2不同材质有不同的应用领域 -c0g电容器具有高温度补偿特性，适合作为旁路电容和耦合电容 -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
4.3 几个值得注意的参数
选用mlcc电容时，不单单是关注电容容量和耐压，还需要考量温度容量特性tcc、q值、df损耗值、esr等效串联电阻、esl等效串联电感。另外还要注意bv直流击穿电压，绝缘电阻ir。 在实际电路中选用mlcc电容后，还要格外注意高压寿命测试(击穿失效)、抗弯曲测试(压电效应)、耐焊接热测试。
5 温度-容量特性
由于mlcc选材以及配方的不同，k值都会出现不同的特性。具体而言，通过调整配方将居里点尖峰移至室温附近的高k介质在25℃时展现出极高的介电常数，但同时，不管是升温还是降温，k值都会出现非常大的变化。而低k介质，其配方系统使得居里尖峰被压低和宽化，因此能如人们所希望的那样表现出更佳的稳定性。
ⅰ类瓷的温度系数(t.c.)用 ppm/℃表示，而ⅱ类瓷用%δc。
5.1 测量方法 测量温度系数的方法是将片式电容器样品置于温度可控的温度实验室或“t.c.”实验室中，精确地读取不同温度(通常 为-55℃、25℃、125℃)下的电容量。显然，精密的夹具和测试仪器就变得非常重要了，特别是测量小电容量时，其 ppm/℃数值非常小，容量较基准值的变化往往远小于1pf。由于存在去老化性，因此在测高k的ⅱ类介质时就必须注意。如果在加热过程中对去老化的样品进行测量，其 t.c.结果肯定是错误的;所以t.c.测量必须在对电容器去老化后至少一个小时才能进行。 采用下面的表达式就可以计算出任何给定的温度范围内ⅰ类介质的温度系数，单位为 ppm/℃：
举例：某一样品的电容量测量值如下：
ⅱ类介质的温度系数是以在室温基准值上变化的百分数来表示的，其变化量较线性介质大了好几个数量级。 5.2 介质分类 ⅰ类介质由于采用非铁电(顺电)配方，以tio2为主要成分(介电常数小于150)，因此具有最稳定的性能。通过添加少量其他(铁电体)氧化物，如catio3或srtio3，构成“扩展型”温度补偿陶瓷则可表现出近似线性的温度系数，介电常数增加至500。 两种类型的介质都适用于电路中对稳定性要求很高的电容器，即介电常数无老化或老化可忽略不计，低损耗(df<0.001，或对于扩展型t.c.介质df<0.002)，容量或介质损耗随电压或频率的变化为零或可忽略不计以及线性温度特性不超出规定的公差。 用“字母—数字—字母”这种代码形式来表示ⅰ类陶瓷温度系数的方法已经被广泛应用，并被美国电子工业协会(eia)标准198所采用。
片式电容器中最常用的ⅰ类介质是c0g，温度系数为0ppm/℃±30ppm/℃，也就是mil标准中的np0(负—正—零)，其具有很平的温度系数。实际测量的温度系数并非符合完美的线性关系，但只要其数值不超出eia代码最后一个字母所规定的公差范围就可以接受。 举例：
ⅱ类介质由铁电体所组成。这类介质的介电常数比ⅰ类介质高得多，但其性能随温度、电压、频率和时间变化的稳定性较差。由于铁电陶瓷性能的多样化，有必要根据温度特性将此类介质分为两个亚类。 “稳定的中k”ⅱ类瓷，以25℃为基准，在-55℃到125℃的范围内最大温度系数为±15%。此种介质的介电常数在600到4000之间，与eia中x7r的性质相符。 “高k”ⅱ类瓷，温度系数超出x7r的水平。这种高k介质的介电常数高达4000~18000，但温度系数曲线非常陡峭，原因在于居里点移动到室温附近，出现了最大的介电常数。
用于片式电容器制造的最普遍的中k材料为x7r(-55℃到125℃内δc最大值±15%)。而对于高k类材料，z5u(+10℃到+85℃内δc最大值+22%~-56%)和y5v(-30℃到+85℃内δc最大值+22%~-82%)最为常用。
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