MLCC貼片電容選擇及應(yīng)用問(wèn)題

MLCC(片狀多層陶瓷電容)現(xiàn)在已經(jīng)成為了電子電路最常用的元件之一.MLCC表面看來(lái),非常簡(jiǎn)單,可是,很多情況下,設(shè)計(jì)工程師或生產(chǎn)、工藝人員對(duì)MLCC的認(rèn)識(shí)卻有不足的地方.以下談?wù)凪LCC選擇及應(yīng)用上的一些問(wèn)題和注意事項(xiàng)。
MLCC雖然是比較簡(jiǎn)單的,但是,也是失效率相對(duì)較高的一種器件.失效率高,一方面是MLCC結(jié)構(gòu)固有的可靠性問(wèn)題,另外還有選型問(wèn)題以及應(yīng)用問(wèn)題。

由于電容算是“簡(jiǎn)單”的器件,所以有的設(shè)計(jì)工程師由于不夠重視,從而對(duì)MLCC的獨(dú)有特性不了解.在理想化的情況下,電容選型時(shí),主要考慮容量及耐壓兩個(gè)參數(shù)就夠了.但是對(duì)于MLCC,僅僅考慮這兩個(gè)參數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

使用MLCC,不能不了解MLCC的不同材質(zhì)和這些材質(zhì)對(duì)應(yīng)的性能.MLCC的材質(zhì)有很多種,每種材質(zhì)都有自身的獨(dú)特性能特點(diǎn).不了解這些,所選用的電容就很有可能滿(mǎn)足不了電路要求.舉例來(lái)說(shuō),MLCC常見(jiàn)的有C0G(也稱(chēng)NP0)材質(zhì),X7R材質(zhì),Y5V材質(zhì).C0G的工作溫度范圍和溫度系數(shù)最好,在-55°C至+125°C的工作溫度范圍內(nèi)時(shí)溫度系數(shù)為0 ±30ppm/°C.X7R次之,在-55°C至+125°C的工作溫度范圍內(nèi)時(shí)容量變化為±15%.Y5V的工作溫度僅為-30°C至+85°C,在這個(gè)工作溫度范圍內(nèi)時(shí)其容量變化可達(dá)-22%至+82%.當(dāng)然,C0G、X7R、Y5V的成本也是依次減低的.在選型時(shí),如果對(duì)工作溫度和溫度系數(shù)要求很低,可以考慮用Y5V的,但是一般情況下要用X7R的,要求更高時(shí)必須選擇COG的.一般情況下,MLCC廠家都設(shè)計(jì)成使X7R、Y5V材質(zhì)的電容在常溫附近的容量最大,但是隨著溫度上升或下降,其容量都會(huì)下降。

僅僅了解上面知識(shí)的還不夠.由于C0G、X7R、Y5V的介質(zhì)的介電常數(shù)是依次減少的,所以,同樣的尺寸和耐壓下,能夠做出來(lái)的最大容量也是依次減少的.有的沒(méi)經(jīng)驗(yàn)的工程師,以為想要什么容量都有,選型時(shí)就會(huì)犯錯(cuò)誤,選了不存在的規(guī)格.比如想用0603/C0G/25V/3300pF的電容,但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF.其實(shí)只要仔細(xì)看了廠家的選型手冊(cè),就不會(huì)犯這樣的錯(cuò)誤.另外,對(duì)于入門(mén)不久的設(shè)計(jì)工程師,對(duì)元件規(guī)格的數(shù)序(E12、E24等)沒(méi)概念,會(huì)給出0.5uF之類(lèi)的不存在的規(guī)格出來(lái).即使是有經(jīng)驗(yàn)的工程師,對(duì)于規(guī)格的壓縮也沒(méi)概念.比如說(shuō),在濾波電路上,原來(lái)有人用到了3.3uF的電容,他的電路也能用3.3uF的電容,但他有可能偏偏選了一個(gè)沒(méi)人用過(guò)的4.7uF或2.2uF的電容規(guī)格.不看廠家選型手冊(cè)選型的人,還會(huì)犯下面這種錯(cuò)誤,比如選了一個(gè)0603/X7R/470pF/16V的電容,而事實(shí)上一般廠家0603/X7R/470pF的電容只生產(chǎn)50V及其以上的電壓而不生產(chǎn)16V之類(lèi)的電壓了。

另外注意片狀電容的封裝有兩種表示方法,一種是英制表示法,一種是公制表示法.美國(guó)的廠家用英制的,日本廠家基本上都用公制的,而國(guó)產(chǎn)的廠家有用英制的也有用公制的.一個(gè)公司所用到的電容封裝,只能統(tǒng)一用一種制式來(lái)表示,不能這個(gè)工程師用英制那個(gè)工程師用公制.否則會(huì)搞混亂.極端的情況下,還會(huì)弄錯(cuò).比如說(shuō),英制的有0603的封裝,公制的也有0603的封裝,但是兩者實(shí)際上是完全不同的尺寸的.英制的0603封裝對(duì)應(yīng)公制的是1608,而公制的0603封裝對(duì)應(yīng)英制的卻是0201!其實(shí)英制封裝的數(shù)字大約乘以2.5(前2位后2位分開(kāi)乘)就成為了公制封裝規(guī)格.現(xiàn)在流行的是用英制的封裝表達(dá)法.比如我們常說(shuō)的0402封裝就是英制的表達(dá)法,其對(duì)應(yīng)的公制封裝為1005(1.0*0.5mm)。

另外,設(shè)計(jì)工程師除了要了解MLCC的溫度性能外,還應(yīng)該了解更多的性能.比如Y5V介質(zhì)的電容,雖然容量很大,但是,這種鐵電陶瓷有一個(gè)缺點(diǎn),在就是其靜態(tài)容量隨其直流偏置工作電壓的增大而減少,最大甚至?xí)陆?0%.比如一個(gè)Y5V/50V/10uF的電容,在50V的直流電壓下,其容量可能只有3uF!當(dāng)然,不同的廠家的特性有差異,有的下降可能沒(méi)這么嚴(yán)重.如果你一定要用Y5V的電容,除了要知道其容量隨溫度的變化曲線(xiàn)圖外,還必須向廠家索取其容量隨直流偏置電壓變化的曲線(xiàn)圖(甚至是要容量溫度直流偏置綜合圖).使用Y5V電容要有足夠的電壓降額.X7R的容量隨其直流偏置工作電壓的增大也減少,不過(guò)沒(méi)有Y5V的那么明顯.同時(shí),MLCC尺寸越小,這種效應(yīng)就越明顯。

不同的材質(zhì)的頻率特性也不同.設(shè)計(jì)師必須了解不同材質(zhì)的不同頻率特性.比如C0G(又稱(chēng)高頻熱補(bǔ)償型介質(zhì))的高頻特性好,X7R的次之,Y5V的差.在做平滑(電源濾波)用途時(shí),要求容量盡量大,所以可用Y5V電容,也就是說(shuō),Y5V電容可以取代電解電容.在做旁路用途時(shí),比如IC的VCC引腳旁的旁路電容,至少要選用X7R電容.而振蕩電路則必須用C0G電容.由于Y5V的性能較差,我一般都是不推薦使用的,要求設(shè)計(jì)工程師盡量考慮用X7R電容(或X5R電容).如果對(duì)容量體積比要求高的場(chǎng)合,則考慮用鉭電容而盡量避免用Y5V電容.當(dāng)然,如果你們公司要求不高,還是可以考慮Y5V電容,但是要特別小心。

一般說(shuō)MLCC的ESL(等效串聯(lián)電感)、ESR(等效串聯(lián)電阻)小,是相對(duì)于電解電容(包括鉭電解電容)而言的.事實(shí)上,高頻時(shí),MLCC的ESL、ESR不可以忽略.一般C0G電容的諧振點(diǎn)能達(dá)上百M(fèi)Hz,一般X7R電容的諧振點(diǎn)能達(dá)幾十MHz,而Y5V電容的諧振點(diǎn)僅僅是數(shù)MHz甚至不到1MHz.諧振點(diǎn)意味著,超過(guò)了這個(gè)頻率,電容已經(jīng)不是電容特性了,而是電感特性了.如果想使MLCC用于更高頻率,比如微波,那么,就必須用專(zhuān)門(mén)的微波材料和工藝制造的MLCC.微波電容要求ESL、ESR必須更小。

MLCC一直在小型化的方向進(jìn)展.現(xiàn)在0402的封裝已經(jīng)是主流產(chǎn)品.但是小型化可能帶來(lái)其它的一些危害.事實(shí)上,不是所有的電子產(chǎn)品都是那么在意和歡迎小型化MLCC的.在意小型化的電子產(chǎn)品,比如手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品等等,這些產(chǎn)品成為MLCC小型化的主要推動(dòng)力.對(duì)于MLCC廠家來(lái)說(shuō),小型化MLCC占有主要的出貨量.但是從整個(gè)電子業(yè)界來(lái)說(shuō),還有很多電子設(shè)備,對(duì)小型化不是那么在乎,性能和可靠性才是關(guān)鍵考慮因素,MLCC小型化帶來(lái)了可靠性的隱患.比如通信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、工控設(shè)備、電源等.這些電子設(shè)備空間夠大,對(duì)MLCC小型化不是很感興趣;而且,這些電子設(shè)備不像個(gè)人消費(fèi)品那樣追趕時(shí)髦且更新?lián)Q代快,而是更在乎長(zhǎng)久使用的可靠性,所以對(duì)于元件的余量要求更高(為了保證可靠性,余量要大,所以尺寸更大的MLCC才滿(mǎn)足要求.另外,更大的尺寸使得MLCC廠家在提高電容的可靠性上更有發(fā)揮的空間).這點(diǎn)恰好與MLCC廠家追求小型化的方向不一致.這是個(gè)矛盾.這些高可靠性要求的電子設(shè)備的特點(diǎn)是量不是很大,但是價(jià)格昂貴(個(gè)別種類(lèi)電源除外),可靠性要求也高.如果是知名的電子設(shè)備廠,日子會(huì)好過(guò)一點(diǎn),因?yàn)镸LCC廠會(huì)為他們保存一些大尺寸的規(guī)格的MLCC生產(chǎn).如果不是知名的電子設(shè)備廠,也不用那么悲觀,畢竟,還有少數(shù)MLCC廠定位不同,依然會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)大尺寸的電容.所以,作為這種電子設(shè)備的廠家,要善于尋找定位于高性能高可靠的較大尺寸的MLCC廠家.但是有一個(gè)注意事項(xiàng)是,所選用的規(guī)格不可以是獨(dú)家才有的規(guī)格,至少是有兩家滿(mǎn)足自己公司要求的MLCC廠家在生產(chǎn)這種規(guī)格.另外,對(duì)于小型化不影響性能和可靠性要求時(shí),還是優(yōu)先考慮小型化的M LCCC。

有的公司在MLCC的應(yīng)用上也會(huì)有一些誤區(qū).有人以為MLCC是很簡(jiǎn)單的元件,所以工藝要求不高.其實(shí),MLCC是很脆弱的元件,應(yīng)用時(shí)一定要注意。

MLCC廠家在生產(chǎn)過(guò)程中,如果工藝不好,就有可能會(huì)有隱患.比如介質(zhì)空洞、燒結(jié)紋裂、分層等都會(huì)帶來(lái)隱患.這點(diǎn)只能通過(guò)篩選優(yōu)秀的供應(yīng)商來(lái)保證(后面還會(huì)談到供應(yīng)商選擇問(wèn)題)。

另外就是陶瓷本身的熱脆性和機(jī)械應(yīng)力脆性的故有可靠性,導(dǎo)致電子設(shè)備廠在使用MLCC時(shí),使用不當(dāng)也容易失效。

MLCC現(xiàn)在做到幾百層甚至上千層了,每層是微米級(jí)的厚度.所以稍微有點(diǎn)形變就容易使其產(chǎn)生裂紋.另外同樣材質(zhì)、尺寸和耐壓下的MLCC,容量越高,層數(shù)就越多,每層也越薄,于是越容易斷裂.另外一個(gè)方面是,相同材質(zhì)、容量和耐壓時(shí),尺寸小的電容要求每層介質(zhì)更薄,導(dǎo)致更容易斷裂.裂紋的危害是漏電,嚴(yán)重時(shí)引起內(nèi)部層間錯(cuò)位短路等安全問(wèn)題.而且裂紋有一個(gè)很麻煩的問(wèn)題是,有時(shí)比較隱蔽,在電子設(shè)備出廠檢驗(yàn)時(shí)可能發(fā)現(xiàn)不了,到了客戶(hù)端才正式暴露出來(lái).所以防止MLCC產(chǎn)生裂紋意義重大。

MLCC受到溫度沖擊時(shí),容易從焊端開(kāi)始產(chǎn)生裂紋.在這點(diǎn)上,小尺寸電容比大尺寸電容相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)好一點(diǎn),其原理就是大尺寸的電容導(dǎo)熱沒(méi)這么快到達(dá)整個(gè)電容,于是電容本體的不同點(diǎn)的溫差大,所以膨脹大小不同,從而產(chǎn)生應(yīng)力.這個(gè)道理和倒入開(kāi)水時(shí)厚的玻璃杯比薄玻璃杯更容易破裂一樣.另外,在MLCC焊接過(guò)后的冷卻過(guò)程中,MLCC和PCB的膨脹系數(shù)不同,于是產(chǎn)生應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋.要避免這個(gè)問(wèn)題,回流焊時(shí)需要有良好的焊接溫度曲線(xiàn).如果不用回流焊而用波峰焊,那么這種失效會(huì)大大增加.MLCC更是要避免用烙鐵手工焊接的工藝.然而事情總是沒(méi)有那么理想.烙鐵手工焊接有時(shí)也不可避免.比如說(shuō),對(duì)于PCB外發(fā)加工的電子廠家,有的產(chǎn)品量特少,貼片外協(xié)廠家不愿意接這種單時(shí),只能手工焊接;樣品生產(chǎn)時(shí),一般也是手工焊接;特殊情況返工或補(bǔ)焊時(shí),必須手工焊接;修理工修理電容時(shí),也是手工焊接.無(wú)法避免地要手工焊接MLCC時(shí),就要非常重視焊接工藝。
首先必須告知工藝和生產(chǎn)人員電容熱失效問(wèn)題,讓其思想上高度重視這個(gè)問(wèn)題.其次,必須由專(zhuān)門(mén)的熟練工人焊接.還要在焊接工藝上嚴(yán)格要求,比如必須用恒溫烙鐵,烙鐵不超過(guò)315°C(要防止生產(chǎn)工人圖快而提高焊接溫度),焊接時(shí)間不超過(guò)3秒選擇合適的焊焊劑和錫膏,要先清潔焊盤(pán),不可以使MLCC受到大的外力,注意焊接質(zhì)量,等等.最好的手工焊接是先讓焊盤(pán)上錫,然后烙鐵在焊盤(pán)上使錫融化,此時(shí)再把電容放上去,烙鐵在整個(gè)過(guò)程中只接觸焊盤(pán)不接觸電容(可移動(dòng)靠近),之后用類(lèi)似方法(給焊盤(pán)上的鍍錫墊層加熱而不是直接給電容加熱)焊另一頭。

機(jī)械應(yīng)力也容易引起MLCC產(chǎn)生裂紋.由于電容是長(zhǎng)方形 的(和PCB平行的面),而且短的邊是焊端,所以自然是長(zhǎng)的那邊受到力時(shí)容易出問(wèn)題.于是,排板時(shí)要考慮受力方向.比如分板時(shí)的變形方向于電容的方向的關(guān)系.在生產(chǎn)過(guò)程中,凡是PCB可能產(chǎn)生較大形變的地方都盡量不要放電容.比如PCB定位鉚接、單板測(cè)試時(shí)測(cè)試點(diǎn)機(jī)械接觸等等都會(huì)產(chǎn)生形變.另外半成品PCB板不能直接疊放.等等。

下面談?wù)凪LCC的廠家選擇與樣品認(rèn)證

MLCC作為相對(duì)低端的元件,歐美廠家一般不太愿意生產(chǎn)了或被日本品牌收購(gòu)了.美國(guó)只剩下極少數(shù)的廠家還在生產(chǎn)MLCC,但是市場(chǎng)占有量少,貨期長(zhǎng).所以,MLCC做得最好的是日本品牌.當(dāng)然,臺(tái)灣和大陸也有一些知名廠家的MLCC市場(chǎng)占有率不錯(cuò).在普通的規(guī)格上,臺(tái)灣和大陸的名牌MLCC的技術(shù)和質(zhì)量差不多向日本的廠家靠攏了.但是如果要用一些技術(shù)和質(zhì)量更優(yōu)良的MLCC,可能只能選擇美國(guó)和日本的品牌.總體來(lái)說(shuō),MLCC可供選擇的廠家很多,由于MLCC價(jià)格不高,所以,選擇知名企業(yè)一般公司還是很樂(lè)意的.如果選擇的是一流企業(yè)的產(chǎn)品,那用起來(lái)自然是省心.但是,如果對(duì)一個(gè)品牌的MLCC質(zhì)量不放心,或不是一流企業(yè),那么選擇供應(yīng)商時(shí)就必須對(duì)他們的產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證.電容不貴,樣品數(shù)量可以多要點(diǎn).要測(cè)試樣品的溫度特性、頻率特性、直流偏置電壓特性等等.有的參數(shù)自己的公司測(cè)不了,可以到供應(yīng)商處測(cè),或讓他們出測(cè)試報(bào)告.事實(shí)上,MLCC的可靠性才是最關(guān)鍵的.通過(guò)上面的內(nèi)容可知,MLCC的失效主要是熱應(yīng)力失效和機(jī)械應(yīng)力失效.那么,樣品也重點(diǎn)要測(cè)這些性能:抗熱沖擊和抗彎曲能力測(cè)試.注意,產(chǎn)生裂紋時(shí),電容的容量等普通參數(shù)可能還是好的.這時(shí)主要是要測(cè)漏電(特別是有潮氣進(jìn)入時(shí))才能測(cè)出來(lái).當(dāng)然,如果對(duì)可靠性要。

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