原创 转贴:电容的选型

2011-3-22 16:29 1908 0 1 分类: 模拟

从电子产品的设计到采购来看,无源元件只是一个配角,其在整个电子产品中所占的物料成本仅约一成,但电子产品中的无源元件数量却是最多的。以电容为例,从2G发展到3G,仅一部手机中的MLCC数量就从平均165个增加到了288个;电视机中的电容数量从CRT时代的200多颗增加到了液晶电视时代的1000多颗。由于数量众多,按可靠性累积的结果使得无源器件的可靠性远远低于IC,任何一个微小的无源器件的失效都可能导致整个系统的失效。

无源器件的可靠性问题可以通过优选供应商,对供应商产品定期抽样检测等措施把来料质量风险降到最低,但事情并没有结束。所选的元件参数符合电路要求了,也可以工作了,但问题是所选的这些元件能否让系统工作在最佳状态,ESD是否满足要求了,增减和调整阻容元件是否让手机获得了完美的音频效果。

如果说性能也满足了,那么元件价格是否合适?对于高端电子产品来说,性能要求高于价格要求;对于低端电子产品而言,价格要求高于性能要求。如何掌握平衡点?质量好的产品价格高,价格低的产品质量总是让人放心不下。如果价格也令人满意,但是供应商供货周期有点长,那又怎么办?

这一环套一环的问题都是无源元件选型过程中要解决的问题。选型是个复杂的系统工程,是个设计工程师、物料认证工程师、采购和供应商乃至第三方检测机构互动的过程,脱离了任何一个角色的参与,这个过程可能就会进行的很艰难。经常在论坛里看到采购人员抱怨:设计工程师给出的规格难找。事实上很多刚入行的开发设计工程师只是按理论计算,并不了解供应商的实际生产状况,常常列出一些很少生产甚至不存在的规格。例如按理论计算得到0603/C0G/25V/3300pF规格的MLCC,但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF。由于设计工程师对选型的一些情况不了解,造成采购成本上升而且影响交期。

元件选型中各个角色要对整个过程相当熟悉。设计工程师既要了解供应商的情况,也要了解产品情况。采购要判断设计工程师给出的规格是否切合实际。正是基于这样的状况,电子元件技术网推出了选型专题系列,本期推出的是电容的选型要领,以后会陆续推出电感、连接器、MOSFET等元器件的选型话题。我们认为选型是基础电路创新的开始。

电容是电子设备中用量最大的无源元件。中国生产世界上超过4成的电容,国产电容与国外电容的质量水平差距在缩小。在国产元件替代中,电容扮演着重要的角色。而且电容中以MLCC与铝电解电容的数量最多,应用最广,所以本期电容的选型选择的是MLCC与铝电解电容。国外电容大厂网站通常都提供有选型工具进行辅助选型,一般有两种:按参数选型和按应用选型,本期专题将介绍一些主流的选型工具。另外元件的最终选用还要通过仿真工具优化,有哪些主流的仿真工具以及各自的特点也将在本专题中介绍。

《MLCC选型》

购买商品的一般决策逻辑是:能不能用,好不好用,耐不耐用,价格。其实这个逻辑也可以套用到MLCC的选型过程中:首先MLCC参数要满足电路要求,其次就是参数与介质是否能让系统工作在最佳状态;再次,来料MLCC是否存在不良品,可靠性如何;最后,价格是否有优势,供应商配合是否及时。许多设计工程师不重视无源元件,以为仅靠理论计算出参数就行,其实,MLCC的选型是个复杂的过程,并不是简单的满足参数就可以的。

选型要素:参数(电容值、容差、耐压、使用温度、尺寸)、材质、直流偏置效应、失效、价格和供货等。

不同介质性能决定了MLCC不同的应用:C0G电容器具有高温度补偿特性,适合作旁路电容和耦合电容;X7R电容器是温度稳定型陶瓷电容器,适合要求不高的工业应用;Z5U电容器特点是小尺寸和低成本,尤其适合应用于去耦电路;Y5V电容器温度特性最差,但容量大,可取代低容铝电解电容。

MLCC常用的有C0G(NP0)、X7R、Z5U、Y5V等不同的介质规格,不同的规格有不同的特点和用途。C0G、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的不同作用来选用不同的电容器。

C0G(NP0)电容器

C0G是一种最常用的具有温度补偿特性的MLCC。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。C0G电容量和介质损耗最稳定,使用温度范围也最宽,在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃,电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。C0G电容的漂移或滞后小于±0.05%,相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。 C0G电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同,大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。C0G电容器适合用于振荡器、谐振器的旁路电容,以及高频电路中的耦合电容。

X7R电容器

X7R电容器被称为温度稳定型陶瓷电容器。X7R电容器温度特性次于C0G,当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15%,需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。 X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下也是不同的,它随时间的变化而变化,大约每10年变化1%ΔC,表现为10年变化了约5%。 X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用,并且电压变化时其容量变化在可以接受的范围内,X7R的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。

Z5U电容器

Z5U电容器称为“通用”陶瓷单片电容器。这里要注意的是Z5U使用温度范围在+10℃到+85℃之间,容量变化为+22%到-56%,介质损耗最大为4%。Z5U电容器主要特点是它的小尺寸和低成本。对于上述两种MLCC来说在相同的体积下,Z5U电容器有最大的电容量,但它的电容量受环境和工作条件影响较大,它的老化率也是最大,可达每10年下降5%。 尽管它的容量不稳定,由于它具有小体积、等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)低、良好的频率响应等特点,使其具有广泛的应用范围,尤其是在去耦电路中的应用。 Y5V电容器  Y5V电容器是一种有一定温度限制的通用电容器,Y5V介质损耗最大为5%。Y5V材质的电容,温度特性不强,温度变化会造成容值大幅变化,在-30℃到85℃范围内其容量变化可达+22%到-82%,Y5V会逐渐被温度特性好的X7R、X5R所取代。

各种不同材质的比较

从C0G到Y5V,温度特性、可靠性依次递减,成本也依次减低C0G、X7R、Z5U、Y5V的温度特性、可靠性依次递减,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,要求更高时必须选择C0G的。一般情况下,MLCC都设计成使X7R、Y5V材质的电容在常温附近的容量最大,容量相对温度的变化轨迹是开口向下的抛物线,随着温度上升或下降,其容量都会下降。 并且C0G、X7R、Z5U 、Y5V介质的介电常数也是依次减少的,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。实际应用中很多公司的开发设计工程师按理论计算,而不了解MLCC厂家的实际生产状况,常常列出一些很少生产甚至不存在的规格,这样不但造成采购成本上升而且影响交期。比如想用0603/C0G/25V/3300pF的电容,但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF。

MLCC替代电解电容Z5U、Y5V

MLCC可取代低容量铝、钽电解电容器,取代电解电容要注意MLCC温度特性是否合适,英制与公制不能混用,与铝电解电容、钽电容相比,MLCC具有无极、ESR特性值小、高频特性好等优势,而且MLCC正在朝小体积、大容量化发展,如Y5V可以做到较高的容量,通常1206表面贴装Z5U、Y5V介质电容器量甚至可以达到100μF,在某种意义上是取代低容量铝、钽电解电容器的有力竞争对手,但是也要注意这些电容的尺寸比较大,容易产生裂纹。另外,Y5V的MLCC最高温度只有85度,取代电解电容时要注意温度是否合适。 MLCC的尺寸是用一组数字来表示,例如0402、0603。表示方法有两种,一种是英制表示法,一种是公制表示法。美国的厂家用英制,日本厂家基本上都用公制的,而国内厂家有用英制表示的也有用公制表示的,所以要特别注意规格表中标号对照尺寸的单位是英寸还是毫米。 国内工程师一般习惯使用英制表示,但是也要注意工程师与采购之间要统一认识,要用公制都用公制,用英制都用英制,避免发生误会,例如说到0603,英制和公制表示里都有0603,但实际尺寸差别很大。

MLCC的直流偏置效应

直流偏置效应会引起电容值的改变,因此在选择MLCC时还必须考虑到它的直流偏置效应。电容选择不正确可能对系统的稳定性造成严重破坏。直流偏置效应通常出现在铁电电介质(2类)电容中,如X5R、X7R、及Y5V类电容。 设计人员在考虑无源器件时,他们会想到考量电容的容差,这在理论上是对的,陶瓷电容的容差是在1 kHz频率、1V rms或0.5V rms电压下规定/测试的,但实际应用的条件差异非常大。在较低的rms电压下,电容额定值要小得多。在某一特定频率下,在一个陶瓷电容上加直流偏置电压会改变这些元件的特性,故有“有源的无源器件(active passives)”之称。例如,一个10μF,0603,6.3V的电容在-30°C下直流偏置1.8V时测量值可能只有4μF。 陶瓷电容的基本计算公式如下: C=K×[(S×n)/t] 这里,C=电容量,K=介电常数,n=介电层层数,S=电极面积,t=介电层厚度 影响直流偏置的因子有介电常数、介电层厚度、额定电压的比例因子,以及材料的晶粒度。 电容上的电场使内部分子结构产生“极化”,引起K常数的暂时改变,不幸的是,是变小。电容的外壳尺寸越小,由直流偏置引起的电容量降量百分比就越大。若外壳尺寸一定,则直流偏置电压越大,电容量降量百分比也越大。系统设计人员为节省空间用0603电容代替0805电容时,必须相当谨慎。 因此,请记住应该向厂商索取在应用的预定直流偏置电压下的电容值曲线。电容器生产商往往喜欢出示单独的曲线,如电容量随温度的变化曲线,另一条是电容量随直流偏置的变化曲线。不过,他们不会同时给出两条,但实际应用恰恰需要两条。应该记住向生产厂商索要系统最常用电压的综合曲线。

检测时容量不正常

MLCC的长时间放置会导致特性值的降低,检测方法不当也会引起容量偏差。对于刚入行的采购或者选型工程师来说,可能会经常遇到检测时容量偏差的问题,要么是不良品,要么是因为MLCC的长时间放置导致特性值的降低,可以使用烧结的方法恢复特性值。搬运与储存时要注意防潮,Y5V与X7R产品存放时间太长,容量变化较大。 MLCC测试容量时,检测方法要正确,容量会因检测设备的不同而有偏差。

MLCC的失效问题

MLCC在生产中可能出现空洞、裂纹、分层,有的裂纹很难检测出来。MLCC内在可靠性十分优良,可以长时间稳定使用。但如果器件本身存在缺陷或在组装过程中引入缺陷,则会对其可靠性产生严重影响。例如,MLCC在生产时可能出现介质空洞、烧结纹裂、分层等缺陷。分层和空洞、裂纹为重要的MLCC内在缺陷,这点可以通过筛选优秀的供应商,并对其产品进行定期抽样检测等来保证。 另一种就是组装时引入的缺陷,缺陷主要来自机械应力和热应力。MLCC的特点是能够承受较大的压应力,但抵抗弯曲能力比较差。所以PCB板的弯曲也容易引起MLCC开裂。由于MLCC是长方体,焊端在短边,PCB发生形变时,长边承受应力大于短边,容易发生裂纹。所以,排板时要考虑PCB板的变形方向与MLCC的安装方向。在PCB可能产生较大形变的地方都尽量不要放置电容,比如PCB定位铆接、单板测试时测试点机械接触等位置都容易产生形变。厚的PCB板弯曲小于薄的PCB板,所以使用薄PCB板时更要注意形变问题。常见应力源有:工艺过程中电路板操作;流转过程中的人、设备、重力等因素;通孔元器件的插入;电路测试、单板分割;电路板安装;电路板定位铆接;螺丝安装等。该类裂纹一般起源于器件上下金属化端,沿45℃角向器件内部扩展。该类缺陷也是实际发生最多的一种类型缺陷。 同样材质、尺寸和耐压下的MLCC,容量越高,介质层数就越多,每层也越薄,并且相同材质、容量和耐压时,尺寸小的电容每层介质更薄,越容易断裂。裂纹的危害是漏电,严重时引起内部层间错位短路等安全问题。裂纹通常可以使用ICT设备完成检测,有的裂纹比较隐蔽,无法保证100%的检测效果。 温度冲击裂纹主要由于器件在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致。焊接时MLCC受热不均,容易从焊端开始产生裂纹,大尺寸MLCC尤其如此。这是因为大尺寸的电容导热没有小尺寸的好,造成电容受热不均,膨胀幅度不同,从而产生破坏性应力。 另外,在MLCC焊接过后的冷却过程中,MLCC和PCB的膨胀系数不同,也会产生应力导致裂纹。相对于回流焊,波峰焊时这种失效会大大增加。要避免这个问题,回流焊、波峰焊时需要有良好的焊接温度曲线,一般器件工艺商都会提供相关的建议曲线。通过组装良品率的积累和分析,可以得到优化的温度曲线。

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文章评论 1条评论)

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gujunyi1_407560534 2011-3-22 16:59

看着比较费劲,建议大家复制到我word并放大后观看,去思科面试的时候曾经被问到过着问题,可惜当时没答上来!
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