【導(dǎo)讀】小型化一直是多層陶瓷片式電容器(MLCC)產(chǎn)品的熱門趨勢。但縮小尺寸并非易事，特別是需要考慮到許多臨界條件。雖然數(shù)字工具可以為用戶提供很多的協(xié)助，但如果用戶完全依賴這些工具，住往會忽略一些關(guān)鍵的技術(shù)問題。
多層陶瓷片式電容器(MLCC)的體積很小，有利于實(shí)現(xiàn)小型化。然而，考慮ESD保護(hù)、EM干擾和熱管理等因素，以及與這些因素相關(guān)的典型特性和漂移，也是很重要的。雖然越來越多的開發(fā)人員使用數(shù)字工具來簡化選擇組件的過程，但仍然需要考慮到上述各個方面，才能夠快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)并避免不必要的重復(fù)設(shè)計(jì)。
首先，建議用戶在縮小尺寸時，不要簡單地沿用MLCC的現(xiàn)值組合，尤其是在電容(C值)和電壓方面，而是要根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際需求甚至單個組件的功能來做出決定。理想情況下，應(yīng)當(dāng)考慮供應(yīng)商的首選型款。除了C值和電壓外，其他的重要數(shù)值還包括阻抗和等效串聯(lián)電阻(ESR)。
特別是對于高電容(hi-cap)器件，即C值以μF為單位的MLCC產(chǎn)品，其直流偏置效應(yīng)也是需要考慮的重要因素。直流偏置是基于施加的直流電壓而導(dǎo)致電容降低的效應(yīng)。在額定電壓下，電容有可能下降到標(biāo)稱值的20%左右，具體數(shù)值取決于組件，因此在操作期間必須注意絕對最小C值。
圖1顯示了多個直流偏置曲線示例，表明使用較小的組件可使直流偏置率提高很多。
圖1：較小結(jié)構(gòu)MLCC具有較高的直流偏置率
圖源：村田
影響直流偏置性能的另一個因素是工作溫度，如圖2的圖表所示，對于標(biāo)稱值較高的較小結(jié)構(gòu)MLCC電容，直流偏置的剩余電容和溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)稱值較低的較大結(jié)構(gòu)MLCC電容。
圖2：相比較大結(jié)構(gòu)電容，較小結(jié)構(gòu)電容具有更高的剩余電容。圖源：村田
在針對標(biāo)C值MLCC進(jìn)行分級時，開發(fā)人員應(yīng)根據(jù)基本指導(dǎo)數(shù)值(表1至3)進(jìn)行選擇，這表示，在理想情況下應(yīng)僅使用具有標(biāo)準(zhǔn)容差的首選數(shù)值。事實(shí)上，用戶已經(jīng)不用再關(guān)注Z5U和Y5V陶瓷類型電容了，因?yàn)檫@類器件逐漸停產(chǎn)，實(shí)際上有些已經(jīng)停產(chǎn)了。
表1：電容分級
表2：容差代碼
表3：首選MLCC參數(shù)組合(電容>1μF：首選E3系列)
除了直流偏置問題外，二類陶瓷電容器(如X7R 和X5R)還需要考慮溫度漂移和老化問題。
使用表4可以比較容易確定溫度漂移。例如，這個表格顯示X5RMLCC在–55°C至+85°C的溫度范圍內(nèi)具有±15%的可預(yù)測溫度漂移。
表4：不同MLCC器件的溫度漂移
圖源：三星
圖3：將MLCC放置在非常高的溫度下一段時間之后，可以逆轉(zhuǎn)老化效應(yīng)。圖源：三星
MLCC—它們也會老化
老化現(xiàn)象會導(dǎo)致MLCC的電容值隨著時間的推移而損失，在每個對數(shù)尺度差距(perlogarithmic decade)下的損失大約在1%到6%之間，這意味著我們可以按此估算1小時后、10小時后、100小時后的電容數(shù)值損失，依此類推。因此，MLCC的C值越高且內(nèi)層越薄，MLCC就越容易老化。也就是說，與直流偏置和溫度漂移的影響相比，老化基本上是可以忽略不計(jì)的因素，盡管它在測量用于容差測試的C值時發(fā)揮關(guān)鍵作用。
與生物的老化不同，MLCC器件的老化是可逆轉(zhuǎn)的。適當(dāng)?shù)募訜崽幚砜梢阅孓D(zhuǎn)老化效應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)去老化，MLCC組件通常會放置在+150°C溫度下1小時，然后靜置24小時。電焊操作也可以去老化。
從整體來看各種C值漂移，很明顯應(yīng)該提倡使用標(biāo)稱容差范圍為±10%的二類電容器，而不是標(biāo)準(zhǔn)容差范圍為±5%的，即使一些供應(yīng)商仍然提供和交付標(biāo)準(zhǔn)容差范圍為±5%的電容產(chǎn)品。這會引起對于是否遵守容差范圍的無意義辯論。在測量過程中，用戶經(jīng)常無法滿足有關(guān)測量設(shè)備和測量條件的要求。例如測量電壓(通常定義為1.0V的有效值)在測量過程中出現(xiàn)下降，從而導(dǎo)致顯示的電容值過低。
最好根據(jù)電壓要求留有余地
指定電壓通常是直流電壓(即使沒有明確標(biāo)示)。如果該數(shù)值為交流電壓則會標(biāo)明，例如“250V AC”。供應(yīng)商通常會在其詳細(xì)數(shù)據(jù)表或規(guī)格/應(yīng)用信息中提供其他的詳細(xì)信息，例如與紋波電流或峰峰值相關(guān)的信息。需要注意的是，具有相同C值但介電強(qiáng)度更高(不考慮可預(yù)測性或錯誤率方面)的MLCC往往具有更厚的內(nèi)層，從而減弱了直流偏置效應(yīng)。
也就是說，一些供應(yīng)商繼續(xù)為目前支持50V電壓的電容器提供較低電壓規(guī)格。在這兩種情況中，規(guī)格超過電壓要求都不是問題，例如，對于16V電壓要求，可以使用指定規(guī)范電壓為25 V或50 V的MLCC電容器。
除了此處考慮的基本參數(shù)外，在選擇MLCC組件時還有許多其他方面的因素，例如，取決于應(yīng)用和使用領(lǐng)域的所需質(zhì)量水平或特性。此類特性可能包括汽車等級要求(通常符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn))或軟端接要求(也稱為flexiterm、抗撓裂、樹脂外部電極和聚合物端接，以及其他類似表達(dá))，可以防止在彎曲PCB時形成明顯可見的裂縫(圖4)。
圖4：具有特定屬性的MLCC可以滿足特殊要求
圖源：村田
實(shí)現(xiàn)小型化的動力
小型化背后的動機(jī)還有其他含義；雖然業(yè)界一直推動現(xiàn)代電子產(chǎn)品提供越來越多的性能以滿足要求，這日益限制了PCB上的空間，然而，現(xiàn)今推動小型化的主要因素更有可能是供貨和成本效益(圖5)，尤其是在供應(yīng)商之間。對于開發(fā)人員來說，這意味著他們越來越需要適應(yīng)供應(yīng)商的步伐，如果他們想保持靈活性和成本效益，就必須留出足夠的余地，以便在需要時可找到替代品，而雙來源采購是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。在充滿挑戰(zhàn)的市場條件下尤其如此，這種情況總是會出現(xiàn)，即使只是暫時的。
圖 5：各種結(jié)構(gòu)尺寸MLCC電容的成本效益比較
圖源：威世
(本文作者系儒卓力陶瓷電容器技術(shù)支持Jürgen Geier）
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