細說積層陶瓷電容(MLCC)

積層陶瓷電容(MLCC)

1) MLCC - Multi-Layer Ceramic Capacitor (多層---陶瓷----電容器)

2) 電容器基本原理:

   C (電容量) = εk( A/D )× n ------------------(公式 1)

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

   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)

產品規格

1)溫度特性分類 : 電容值隨溫度變化情形,可分為 COG(NPO), X7R, Z5U, 5V... 等

2)依產品尺寸大小 : 0402 ; 0603 ; 0805 ; 1206 等

3)依電容量區分: 如 10 PF, 100P, 1nF, 1 µF, 10 µF.... 等

4)依工作電壓分: 如 10V, 16V, 25V, 50V, 100V, 200V, 500V, 1KV, 2KV, 3KV ....

5)依容值允差 :如 ±1% ±5% (J值) ±10%(K值) ±20% (M值) -20% +80% (Z值)

是故, 完整 MLCC 產品描述須至少包括以上全部:

如 : NPO/0603/100PF/J /50V - 此產品為 : NPO 材質, 0603 大小, 容值100PF,  允差為±5% ,50V 之工作電壓 

溫度特性分類

1) Class 1 :溫度補償型

       最常用為 COG (NPO) 系列， COG 為EIA標準,其意義為 : 從 -55C 到 125C 其電容值變化 (以25C 之電值為
       基準) 為 +/-  30 ppm/c
       NPO : 為 COG 一般常用之稱乎, 其意義為 N 表 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.

2) Class 2 系列 : 高介電常數型

    最常用規格為 : X7R, Z5U, Y5V  其三個字母之意義, 依EIA規定如下

產品之長寬定義之, 如 0402- 長 : 0.04 inches, 寬: 0.02 inches ,  定義分為 - 英制及公制 如下表

 依電容量區分

一. 產品之容值範圍: (NPO, X7R, Y5V)

      NPO: 0.47pF - 10nF; 

     X7R: 100pF - 4.7 µF; 

     Y5V: 2.2nF - 47 µF   

     以上之容值, 依產品之尺寸大小而異

二. 容值分類方式 : ( A* 10n PF,  A之值依 E3, E6,  E12系列,  n依電容值大小)

      E3 系列 : A = 1.0, 2.2, 4.7 

      E6 系列 : A = 1.0, 1.5, 2.2, 3.3, 4.7, 6.8

      E12 系列 : A = 1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7, 3.3, 3.9, 4.7, 5.6, 6.8, 8.2 

      一般而言, Y5V容值 以E3為主, X7R以E6為主, NPO 以 E12 為主

    1)以實際容值表之: 如 10pF, 10nF, 10µF....

    2)以代號表之: 如 102, 103, 104, 105, 223, 224, 474 ….. 等 

        EX: 104 = 10 * 104 pF = 100nF, 473 = 47 * 103 pF = 47 nF  以此類推.

依工作電壓區分:一般而言, MLCC 之工作電壓 (Rated Voltage) 分為:

  1) 一般產品之工作電壓 : 10V, 16V, 25V, 50V,... 各種類之產品.

       X7R, Y5V : 10V, 16V, 25V, 50V,... 均有

      NPO :  25V, 50V 之產品, 但以50V為大宗,  

2) 高壓產品: 工作電壓大於 500V以上,  以 NPO 及 X7R 之產品為主 .

note:同一系列之產品, 其工作電壓越高則其介電層厚度須越厚, 相對上其電容值較低

        EX:  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) 

允差範圍 (Tolerance), 指電容值之範圍.

基本表示 : B : ±0.1 pF , C : ±0.25 pF,  D : ±0.5 pF, F : ±1%, G : ±2%, J : ±5% , K : ±10%, M : ±20%,

                   Z : -20%/+80% .

NPO 之允差有 B,C,D,F,G,J,K  由於NPO之容值較小, 故其 一般產品之允差因容值大小而不同, 基本分別為: C>10P 以 J 為主, 而G及K 亦有, C<10PF 以C及D 為主 .

X7R 以 K 為主, M亦有.

Y5V 以 Z 為主, M亦有.

所有允差依客戶要求而定, 其允差範圍可由測試機篩選, 不過基本原則如上當然其範圍越寬, 則產品之收成率越高.

電氣特性介紹

1) 品質係數 (Q 值) 表示 : DF 或  Tanδ.  

    DF 或  Tan δ以 % 表之, 而 Q = 1/DF=1/ Tanδ,一般而言, DF 值會隨產品種類而異:

    NPO < 0.1%   X7R < 2.5 - 5%   Y5V < 5 - 12.5 % 依其容值大小而異.

2) 絕緣電阻值 ( IR ): 通常以 MΩ (10E6 Ω) 和 GΩ (10E9 Ω) 表之.

    MLCC 之 IR 要求: NPO > 100GΩ.

                          X7R : R*C > 1000 MΩ- µF .

                          Y5V : R*C >   500 MΩ- µF.

    note: R*C : R (絕緣電阻值MΩ ) * C (電容量 µF) 之乘積 .

    EX: X7R /100nF 產品之 IR>( 1000 MΩ- µF / 0.1 µF)  = 104 MΩ.

    所示之值, 其實際值以各廠商而異, 不過其值不會太大的差異 .

3) 耐壓值 : 為耐較高電壓之承度 : 一般之值為 : 2.5 倍之工作電壓.

4) 老化率 (Ageing Ratio) : 為電容量隨時間變小之程度 , 其值表為 % (per time decade (hr)), 即每

    一 decade, 電容量衰減程度 .

    NPO = 0 % , X7R = 1% - 3% ,  Y5V = 3% - 7%  依不同容值而異.

    per time decade (hr) : 1-10 小時, 10-100 hr, 100-1000hr , 各為一個 decade.

5) 量測頻率 :  MLCC 一般量測頻率如下

    NPO < 1nF 則 1 MHz.  

    NPO > 1nF 則 1 KHz.

    X7R 及Y5V 通常為 1KHz .

除上所示之特性外, 在客戶使用上, 有時會考慮以下之特性:

  1) 頻率特性 : 各產品之共振頻率, 不同頻率下之 電容值變化, DF 值變化.

  2) ESR, ESL : 等效串聯電阻值及等效串聯電感值.

  3) DC Bias : 電容值及DF 值 在直流電 (不同之伏特數) 下之變化.

NPO, X7R, Y5V 基本之比較

溫度特性及DF值由於介電陶瓷材料之不同而異,電容值之差異主要由於陶瓷材料之介電常數 (K)不同 ,參考(公式 1).
NPO 之 K = 30-100
X7R 之 K = 2400 - 4000
Y5V 之 K = 12000 - 20000

MLCC 所須可靠度測試項目為, 根據 EIA 之規定: 

一般而言, 上述測試為基本測試, 各廠會依其特性加作某些測試
如 : HALT: 產品之加速老性測試 (150C / 7×Vr/ 2hr) ,  steam testing : 為焊焬性之加速老化測試

產品檢驗:
1) 尺寸: 產品尺寸大小.
2) 電性 : 電容值 , DF , 絕緣電阻(IR) , 耐壓測試, 破壞電壓.
3) 剖面 : 孔洞, 離裂, 端電極.
4) 焊錫性 :
5)  外觀 : 崩角, 崩破, 端電極刮傷
6) 加速老化性測試 : 150C/7*Vr/2hr