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MLCC贴片电容如何选型

2012年10月1日  2196次点击


MLCC(片状多层陶瓷电容)现在已经成为了电子电路最常用的元件之一。MLCC表面看来,非常简单,可是,很多情况下,设计工程师对MLCC的认识却有不足的地方。以下谈谈MLCC选择上的一些问题和注意事项。­

MLCC虽然是比较简单的,但是,也是失效率相对较高的一种器件。失效率高,一方面是MLCC结构固有的可靠性问题,另外还有选型问题以及应用问题。­

由于电容算是“简单”的器件,所以有的设计工程师由于不够重视,从而对MLCC的独有特性不了解。在理想化的情况下,电容选型时,主要考虑容量及耐压两个参数就够了。但是对于MLCC,仅仅考虑这两个参数是远远不够的。­

使用MLCC,不能不了解MLCC的不同材质和这些材质对应的性能。MLCC的材质有很多种,每种材质都有自身的独特性能特点。不了解这些,所选用的电容就很有可能满足不了电路要求。举例来说,MLCC常见的有C0G(也称NP0)材质,X7R材质,Y5V材质。C0G的工作温度范围和温度系数最好,在-55°C至+125°C的工作温度范围内时温度系数为0 ±30ppm/°C。X7R次之,在-55°C至+125°C的工作温度范围内时容量变化为±15%。Y5V的工作温度仅为-30°C至+85°C,在这个工作温度范围内时其容量变化可达-22%至+82%。当然,C0G、X7R、Y5V的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的,要求更高时必须选择COG的。一般情况下,MLCC厂家都设计成使X7R、Y5V材质的电容在常温附近的容量最大,但是随着温度上升或下降,其容量都会下降。­

仅仅了解上面知识的还不够。由于C0G、X7R、Y5V的介质的介电常数是依次减少的,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。有的没经验的工程师,以为想要什么容量都有,选型时就会犯错误,选了不存在的规格。比如想用0603/C0G/25V/3300pF的电容,但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF。其实只要仔细看了厂家的选型手册,就不会犯这样的错误。另外,对于入门不久的设计工程师,对元件规格的数序(E12、E24等)没概念,会给出0.5uF之类的不存在的规格出来。即使是有经验的工程师,对于规格的压缩也没概念。比如说,在滤波电路上,原来有人用到了3.3uF的电容,他的电路也能用3.3uF的电容,但他有可能偏偏选了一个没人用过的4.7uF或2.2uF的电容规格。不看厂家选型手册选型的人,还会犯下面这种错误,比如选了一个0603/X7R/470pF/16V的电容,而事实上一般厂家0603/X7R/470pF的电容只生产50V及其以上的电压而不生产16V之类的电压了。­

另外注意片状电容的封装有两种表示方法,一种是英制表示法,一种是公制表示法。美国的厂家用英制的,日本厂家基本上都用公制的,而国产的厂家有用英制的也有用公制的。一个公司所用到的电容封装,只能统一用一种制式来表示,不能这个工程师用英制那个工程师用公制。否则会搞混乱。极端的情况下,还会弄错。比如说,英制的有0603的封装,公制的也有0603的封装,但是两者实际上是完全不同的尺寸的。英制的0603封装对应公制的是1608,而公制的0603封装对应英制的却是0201!其实英制封装的数字大约乘以2.5(前2位后2位分开乘)就成为了公制封装规格。现在流行的是用英制的封装表达法。比如我们常说的0402封装就是英制的表达法,其对应的公制封装为1005(1.0*0.5mm)。­

另外,设计工程师除了要了解MLCC的温度性能外,还应该了解更多的性能。比如Y5V介质的电容,虽然容量很大,但是,这种铁电陶瓷有一个缺点,在就是其静态容量随其直流偏置工作电压的增大而减少,最大甚至会下降70%。比如一个Y5V/50V/10uF的电容,在50V的直流电压下,其容量可能只有3uF!当然,不同的厂家的特性有差异,有的下降可能没这么严重。如果你一定要用Y5V的电容,除了要知道其容量随温度的变化曲线图外,还必须向厂家索取其容量随直流偏置电压变化的曲线图(甚至是要容量温度直流偏置综合图)。使用Y5V电容要有足够的电压降额。X7R的容量随其直流偏置工作电压的增大也减少,不过没有Y5V的那么明显。同时,MLCC尺寸越小,这种效应就越明显。­

不同的材质的频率特性也不同。设计工程师必须了解不同材质的不同频率特性。比如C0G(又称高频热补偿型介质)的高频特性好,X7R的次之,Y5V的差。在做平滑(电源滤波)用途时,要求容量尽量大,所以可用Y5V电容,也就是说,Y5V电容可以取代电解电容。在做旁路用途时,比如IC的VCC引脚旁的旁路电容,至少要选用X7R电容。而振荡电路则必须用C0G电容。由于Y5V的性能较差,我一般都是不推荐使用的,要求设计工程师尽量考虑用X7R电容(或X5R电容)。如果对容量体积比要求高的场合,则考虑用钽电容而尽量避免用Y5V电容。当然,如果你们公司要求不高,还是可以考虑Y5V电容,但是要特别小心。­

一般说MLCC的ESL(等效串联电感)、ESR(等效串联电阻)小,是相对于电解电容(包括钽电解电容)而言的。事实上,高频时,MLCC的ESL、ESR不可以忽略。一般C0G电容的谐振点能达上百MHz,一般X7R电容的谐振点能达几十MHz,而Y5V电容的谐振点仅仅是数MHz甚至不到1MHz。谐振点意味着,超过了这个频率,电容已经不是电容特性了,而是电感特性了。如果想使MLCC用于更高频率,比如微波,那么,就必须用专门的微波材料和工艺制造的MLCC。微波电容要求ESL、ESR必须更小。­

MLCC一直在小型化的方向进展。现在0402的封装已经是主流产品。但是小型化可能带来其它的一些危害。事实上,不是所有的电子产品都是那么在意和欢迎小型化MLCC的。在意小型化的电子产品,比如手机、数码产品等等,这些产品成为MLCC小型化的主要推动力。对于MLCC厂家来说,小型化MLCC占有主要的出货量。但是从整个电子业界来说,还有很多电子设备,对小型化不是那么在乎,性能和可靠性才是关键考虑因素,MLCC小型化带来了可靠性的隐患。比如通信设备、医疗设备、工控设备、电源等。这些电子设备空间够大,对MLCC小型化不是很感兴趣;而且,这些电子设备不像个人消费品那样追赶时髦且更新换代快,而是更在乎长久使用的可靠性,所以对于元件的余量要求更高(为了保证可靠性,余量要大,所以尺寸更大的MLCC才满足要求。另外,更大的尺寸使得MLCC厂家在提高电容的可靠性上更有发挥的空间)。这点恰好与MLCC厂家追求小型化的方向不一致。这是个矛盾。这些高可靠性要求的电子设备的特点是量不是很大,但是价格昂贵(个别种类电源除外),可靠性要求也高。如果是知名的电子设备厂,日子会好过一点,因为MLCC厂会为他们保存一些大尺寸的规格的MLCC生产。如果不是知名的电子设备厂,也不用那么悲观,毕竟,还有少数MLCC厂定位不同,依然会继续生产大尺寸的电容。所以,作为这种电子设备的厂家,要善于寻找定位于高性能高可靠的较大尺寸的MLCC厂家。但是有一个注意事项是,所选用的规格不可以是独家才有的规格,至少是有两家满足自己公司要求的MLCC厂家在生产这种规格。另外,对于小型化不影响性能和可靠性要求时,还是优先考虑小型化的MLCC.­

下面谈谈MLCC的厂家选择与样品认证。­

MLCC作为相对低端的元件,欧美厂家一般不太愿意生产了或被日本品牌收购了。美国只剩下极少数的厂家还在生产MLCC,但是市场占有量少,货期长。所以,MLCC做得最好的是日本品牌。当然,台湾大陆也有一些知名厂家的MLCC市场占有率不错。在普通的规格上,台湾和大陆的名牌MLCC的技术和质量差不多向日本的厂家靠拢了。但是如果要用一些技术和质量更优良的MLCC,可能只能选择美国和日本的品牌。总体来说,MLCC可供选择的厂家很多,由于MLCC价格不高,所以,选择知名企业一般公司还是很乐意的。如果选择的是一流企业的产品,那用起来自然是省心。但是,如果对一个品牌的MLCC质量不放心,或不是一流企业,那么选择供应商时就必须对他们的产品进行认证。电容不贵,样品数量可以多要点。要测试样品的温度特性、频率特性、直流偏置电压特性等等。有的参数自己的公司测不了,可以到供应商处测,或让他们出测试报告。事实上,MLCC的可靠性才是最关键的。通过上面的内容可知,MLCC的失效主要是热应力失效和机械应力失效。那么,样品也重点要测这些性能:抗热冲击和抗弯曲能力测试。注意,产生裂纹时,电容的容量等普通参数可能还是好的。这时主要是要测漏电(特别是有潮气进入时)才能测出来。当然,如果对可靠性要求特别高,可以选择某些公司特殊开发的防裂纹品种的MLCC,当然这要增加一些采购成本(同时有货期没那么好的问题),可以综合衡量


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