MLCC内部结构(一种价格波动跟比特币一样的电容)

作者:孙宇晨 来源:www.5idf.cn 2020-04-07   阅读:

由于多层陶瓷需要烧结瓷化,形成一体化结构,所以引线(Lead)封装的多层陶瓷电容。多层陶瓷电容,也就是MLCC,片状(Chip)的多层陶瓷电容是目前世界上使用量最大的电容类型,其标准化封装,尺寸小,适用于自动化高密度贴片生产。片式叠层陶瓷介质电容器(Multi-layers Ceramic Capacitor,缩写为MLCC),俗称“独石电容器”,是陶瓷电容器中的一种。

正是由于MLCC使用量巨大,被称为电子行业的大米。2019年全球MLCC全球出货量4.5万亿只(约120亿美金)。家里刚囤完大米,现在又要囤电容。并且今天爆出“村田”马来工厂有一例感染,导致停工。

MLCC 它是电子信息产业最为核心的电子元件之一,除具有一般瓷介电容器的优点外,还具有体积小、容量大、机械强度高、耐湿性好、内感小、高频特性好、可靠性高等一系列优点,并且可制成不同容量温度系数、不同结构形式的片形、管形、穿心形及高压的小型独石电容器。n各种类型独石电容器被作为外贴元件广泛地应用于混合集成电路和其他小型化、可靠性要求高的电子设备中。其技术质量水平的高低对于一个国家的电子信息产业的制造水平有着重大的影响。

MLCC电容为什么被称为“独石”电容

独石电容器是多层陶瓷电容器的别称,英文名称 monolithic ceramic capacitor或multi-layerceramic capacitor。其中前一个英文名称按照英文直译过来就是:整体的陶瓷电容,意思应该是把多层陶瓷电容做成一个整体。

但是monolithic怎么就翻译成“独石”了呢?如果我们把“monolithic”拆开,mono是单独的意思,lithic是石质的。这样的话,最初这个电子方面的专有名词可能是由会英语的非电子专业人员翻译的,所以他们错误的把“monolithic”理解成“mono  lithic”翻译为 “单独的石质的电容” 简称,独石电容。然后,沿用至今。其实应该叫 “ 多层陶瓷电容”或者“整体陶瓷电容” 更合适。因为已经无法考证,所以我们沿用了“独石电容”的称呼很多年。

简单的平行板电容器基本结构是:两个金属电极,中间加一层绝缘体做电介质。从结构上看MLCC是多层叠合结构,它是由多个简单平行板电容器的并联体。就是N多个平板电容进行了并联。并且中间的电介质是陶瓷。

MLCC的结构主要包括三大部分:陶瓷介质,内电极,外电极。所以我们可以在制造MLCC的过程中,可能选择不同材料的电介质和平板,以及连接平板的引线。即:内电极、外电极、焊接端子、介质材料。

MLCC根据电极材料可以分为两类:贵金属电极、贱金属电极。

贵金属电极(Precious Metal Electrode)简称 PME,一般是银、钯银、金。

贱金属电极( Base Metal Electrode)简称 BME ,一般是 铜、镍等。

传统MLCC采用贵金属作为电极。电极材料是陶瓷电容器又一重要的组成部分,传统的MLCC内电极材料为银和钯,其市场价格很高,成本占整个MLCC的50%以上,在MLCC毛利率不断下滑的情况下,各厂商纷纷致力于开发BME(贱金属电极)制程技术,力求以铜、镍等贱金属来取代银钯,BME制程技术将成为未来全球MLCC厂商提升市场竞争力的关键。

而贱金属镍电极以高介电常数,容量大,体积小,低电压,绝缘电阻低,成本低的优势越来越受到MLCC生产商的青睐。然而由于镍电极工艺起步晚,其寿命和可靠性不及传统的银钯电极,主要原因在于片式多层瓷介电容器多采用BaTiO3系列陶瓷作介质,此系列陶瓷材料一般都在 900℃~1300℃左右烧结而成,在这个烧结温度中,贵金属的PME电容不会被氧化。使用普通金属的BME电容,像金属镍,则会在较高烧结温度时发生氧化从而失去作为内电极的功能。

目前,选择铜材料作为电极是一个潮流趋势。所以有大量的论文谈论铜电极与陶瓷材料的配合问题。

但是由于在烧成后产生较大的内应力,铜内电极MLCC容易产生爆瓷.为了解决爆瓷问题,采用低温烧结瓷粉是很多机构的研究方向。

端头材料也是影响电容电气表现的重要因素,一般的多层陶瓷电容端头电极由三层组成,从里至外分别为银-镍-锡,符合ROSH要求,应用于一般场合,然而有时需要添加不同的材料以满足实际的电路工作环境要求。

MLCC根据所使用的陶瓷材料,可分为三类。

一类为温度补偿类NPO电介质这种电容器电气性能最稳定,基本上随温度、电压、时间的改变很小,属超稳定型、低损耗电容材料类型,适用在对稳定性、可靠性要求较高的高频、特高频、甚高频电路中。

二类为高介电常数类X7R电介质由于X7R是一种强电介质,因而能制造出容量比NPO介质更大的电容器。这种电容器性能较稳定,随温度、电压时间的改变,其特有的性能变化并不显著,属稳定电容材料类型,使用在隔直、耦合、傍路、滤波电路及可靠性要求较高的中高频电路中。

三类为半导体类Y5V电介质这种电容器具有较高的介电常数,常用于生产比容较大、标称容量较高的大容量电容器产品。但其容量稳定性较X7R差,容量、损耗对温度、电压等测试条件较敏感,主要用在电子整机中的振荡、耦合、滤波及旁路电路中。

特点:温度特性好,频率特性好。一般电容随着频率的上升,电容量呈现下降的规律,独石电容下降比较少,容量比较稳定。

NPO与X7R、Z5U的区别:NPO、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。

在频率特性上, C0G的高频特性最好,X7R次之,Y5V最差.在做电源滤波用途时,要求容量尽量大,所以可用Y5V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,要求温度稳定性好则必须用C0G电容。同时我们还需要注意电压对MLCC的容值影响非常大。

陶瓷失效原因有

1.空洞Void

电容内部异物在烧结过程中挥发掉形成的空洞。空洞会导致电极间的短路及潜在电气失效,空洞较大的话不仅降低IR,还会降低有效容值。当上电时,有可能因为漏电导致空洞局部发热,降低陶瓷介质的绝缘性能,加剧漏电,从而发生开裂,爆炸,燃烧等现象。

2.烧结裂纹Crack

烧结裂纹一般缘于烧结过程中快速冷却,在电极边垂直方向上出现。

3.分层Delamination

分层的产生往往是在堆叠之后,因层压不良或排胶、烧结不充分导致,在层与层间混入了空气,外界杂质而出现锯齿状横向开裂。也有可能是不同材料混合后热膨胀不匹配导致。

二、外界因素

1.热冲击

热冲击主要发生在波峰焊时,温度急剧变化,导致电容内部电极间出现裂缝,一般需要通过测量发现,研磨后观察,通常是较小的裂缝,需要借助放大镜确认,少数情况下会出现肉眼可见的裂缝。

这种情况下建议使用回流焊,或者减缓波峰焊时的温度变化(不超过4~5℃/s),在清洗面板前控制温度在60℃以下。

2.外界机械应力

因为MLCC主要成分是陶瓷,在放置元件,分板,上螺丝等工序中,很可能因为机械应力过大导致电容受挤压破裂,从而导致潜在的漏电失效。此时的裂缝一般呈斜线,从端子与陶瓷体的结合处开裂。

3.焊锡迁移

高湿环境下进行焊接有可能导致电容两端焊锡迁移,连接到一起导致漏电短路。

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