陶瓷電容與鉭質電容及電解電容簡介

陶瓷電容與鉭質電容及電解電容簡介1第1頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月一.電容概述1.電容結構自1746年荷蘭科學家發(fā)現(xiàn)電容以來，經(jīng)過不斷的發(fā)展，電容種類已經(jīng)非常豐富，但其基本結構仍然保持不變，如下圖所示：電容用于存儲電荷，它只能允許交流電經(jīng)過，直流電被阻擋。在電路中，通常用于調諧、濾波、極間耦合等方面，是主要元件之一。2第2頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月2.容值、電壓、電量關係當對電容進行充電時，兩個電極分別聚集了等量的正負電荷，從而在兩極之間產(chǎn)生一個電壓，電壓與電量的關係可以用如下公式表示：Q=CVV表示電容兩極之間的電壓Q表示電容兩極閒的電荷，單位是庫侖，1庫侖=6×1019個電荷。C是電容的容值，是一個常數(shù)。3第3頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月3.電容的分類與符號按電容量可否調整分為：固定電容器、可變電容器和微調電容器固定電容可變電容微調電容電解電容按所用介質不同分為：有機介質電容器、無機介質電容器、電解電容器和空氣介質電容器等。按用途分有：高頻旁路、低頻旁路、濾波、調諧、高頻耦合、低頻耦合、小型電容器。按電容有無極性分為：無極性電容和有極性電容兩大類

4第4頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月電容器的單位是法拉(F),常用單位還有微法(μF)、納法(nF)和皮法(pF),換算:1F=106μF=109nF=1012pF4.電容器的單位與標示電容器的標識方法有三種：直標法：直接標注在表面，如果數(shù)字是整數(shù)，則單位是pF;數(shù)字帶小數(shù)點，單位是μF。文字符號法：用文字與數(shù)字混合標注，若字母在中央，則充當小數(shù)點。色標法：與電阻相同，讀取方向由電容體引腳。5第5頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月電容器的參數(shù)標稱容量：在外殼上標明的，由國家規(guī)定的電容器電容量的標準值。允許誤差范圍：實際電容量與標稱電容量的允許最大偏差范圍，分三級I-±5%,II-±10%,III-±20%。額定工作電壓：在允許的環(huán)境溫度范圍內，能夠長期施加在電容器上的最大電壓有效值稱為額定電壓（一般為直流電壓）。溫度系數(shù)：在一定溫度范圍內，溫度每變化1℃，電容量的相對變化值。絕緣電阻：指兩個電極間絕緣介質的電阻，越大越好。損耗：在電場的作用下，電容器在單位時間內發(fā)熱而消耗的能量。頻率特性：電容器的電參數(shù)隨電場頻率而變化的性質。等效串聯(lián)阻抗:對非理想電容,其內部電極與端電極之間存在的電阻值.6第6頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月1.定義:片式多層瓷介電容器(MLCC)---簡稱片式電容器,是由印好電極（內電極）的陶瓷介質膜片以錯位的方式疊合起來，經(jīng)過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極），從而形成一個類似獨石的結構體，故也叫獨石電容器。二、片式多層瓷介電容器(MLCC)7第7頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1尺寸根據(jù)EIA分法有13種通用的SIZE：英制：01005,0201,0402,0603,0805,1206,1210,1805,1808,1812,1825,2220,2225公制：0402,0603,1005,1608,2012,3216,3225,4512,4520,4532,4564,5650,56642.2外形8第8頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月結構主要包括三大部分:陶瓷介質，金屬內電極，金屬外電極。而多層片式陶瓷電容器它是一個多層疊合的結構，是由多個簡單平行板電容器的并聯(lián)體。3.結構9第9頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月內部構造10第10頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月電極材質11第11頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月陶瓷是一個絕緣體，而作為電容器介質用的陶瓷除了具有絕緣特性外，還有一個很重要的特性：就是極化。即它在外加電場的作用下，正負電荷會偏離原有的位置，從而表現(xiàn)出正負兩個極性。絕緣體的極化特性我們一般用介電常數(shù)ε來表示，即介質的K值。4.陶瓷介質的特性下面例舉不同材料的介電常數(shù)：真空：1.0空氣：1.004紙：4~6玻璃：3.7~19三氧化二鋁（Al2O3）：9鈦酸鋇（BaTiO3）：1500結構陶瓷：10~2000012第12頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月5.瓷介的分類陶瓷是一種質硬、性脆的無機燒結體，一般分為兩大類：功能陶瓷和結構陶瓷。用來制造片式多層瓷介電容（MLCC）的陶瓷是一種結構陶瓷，是電子陶瓷，也叫電容器瓷。1)照EIA三級分類,有五種通用的介質,COG(NPO),X7R,X5R,Z5U,Y5VⅠ類電容器瓷(COG)，它是順電材料Ⅱ類電容器瓷(X7R、X5R、)，它是鉄電物質材料Ⅲ類電容器瓷（Y5V、Z5U），它是鉄電物質材料

13第13頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月6.瓷介代號陶瓷介質的代號是按其陶瓷材料的溫度特性來命名的。目前國際上通用美國EIA標準的叫法，用字母來表示。常用的幾種陶瓷材料的含義如下：Y5V：溫度特性Y代表－25℃；5代表＋85℃；溫度系數(shù)V代表－80％～＋30％Z5U：溫度特性Z代表＋10℃；5代表＋85℃；溫度系數(shù)U代表－56％～＋22％X5R:

溫度特性X代表-55°C;

5代表+85℃溫度係數(shù)R代表±15％X7R：溫度特性X代表－55℃；7代表＋125℃溫度系數(shù)R代表±15％NPO：溫度系數(shù)是30ppm/℃（-55℃～＋125℃）14第14頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月7.電氣特性電容量:電容量的大小表示電容器貯存電荷的能力。7-1.電容量（C）15第15頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月MLCC介質厚度和層數(shù)的發(fā)展16第16頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月MLCC介質常數(shù)k與溫度穩(wěn)定性1.介質常數(shù)k越高,MLCC體極效率越高;但介質常數(shù)k增加時,溫度穩(wěn)定性変差;2.如下所示為COG,Z5U,X7R,Y5V介質的MLCC介質常數(shù)與溫度,容值與溫度的曲綫圖：17第17頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月由圖可知,EIAΙ類順電材料介質COG(NPO),它的介質常數(shù)k幾乎不隨溫度變動,EIAΙΙ類鉄電材料介質X7R的介質常數(shù)變動不大,

EIAΙΙΙ類鉄電材料介質Z5U,Y5V,溫度越高,介質常數(shù)K變小.18第18頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月影響電介常數(shù)k的因素電介質有4種基本的極化結構：電子,原子,偶極或方向性,空間電荷EIA?類電介質是電子或原子支配的極化結構;它可以獲的優(yōu)秀的溫度穩(wěn)定性和低的k值(5~80),很低的損耗.EIA??/???類是偶極或方向性支配的極化結構;它可以獲的最高介電常數(shù)k.例如:BaTiO3有高的k值,適合x7r電介質.19第19頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月MLCC制造流程20第20頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月影響電容量的因素:片式電容器的電容量除了由它本身的設計與材料特性所決定外，在很大程度下同它的測試條件、溫度、電壓和頻率有很大的關系。

21第21頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月電容量與溫度的關係:溫度是影響電容器電容量的一個重要因素，我們把電容量同溫度的這種關系特性叫做電容器的溫度特性(TemperatureCoefficient)。對于較為穩(wěn)定的Ⅰ類電容器，其影響相對較小，幾乎沒有變化;對于Ⅱ類電容器，其影響相對較大。22第22頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月電容量與直流電壓的關系:在電路的實際應用中，電容器兩端可能要放加一個直流電壓，我們把電容器的這種情況下的特性叫做直流偏壓特性。對于較為穩(wěn)定的Ⅰ類電容器，其影響相對較小，幾乎沒有變化;對于Ⅱ類電容器，其影響相對較大。介質厚度越厚，產(chǎn)品的偏壓特性就越好。23第23頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月電容量與交流電壓的關系:Ⅰ類電容器的交流特性比較好，基本不隨施加電壓的變化而變化。但是，對于Ⅱ類電容器，其容量基本是隨所加電壓的升高而加速遞升的，特別X7R此特性比較明顯。交流特性圖24第24頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月電容量與工作頻率的關系:對于Ⅰ類電容器其應用頻率的增加，它的容值不會有什么變化，但對于Ⅱ類電容器，容值下降較為明顯。電容量與頻率的關系曲線圖25第25頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率響應(串聯(lián)諧振)26第26頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率響應(并聯(lián)諧振)：27第27頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月7-2.絕緣電阻(IR)體內漏電流:在電介質中通?；蚨嗷蛏俅嬖谡⒇撾x子，這些離子在電場作用下將定向遷移，形成離子電流，我們稱之為體內漏電流。表面漏電流:在電容器的表面，也會或多或少地存在正負離子，這些離子在外電場的作用下，會發(fā)生定向遷移，形成表面漏電流。電容器的漏電流:是陶瓷介質中體內漏電流與芯片表面的漏電流兩部分組成。介質的絕緣電阻:加在介質兩端的電壓和漏電流之比稱之為介質的絕緣電阻,即Ｒ＝Ｕ／Ｉ電容器的絕緣電阻除了同其本身所固有介質特性相關外，同外界環(huán)境溫度、濕度等有很大的關系。溫度升高時，瓷介的自由離子增多，漏電流急劇增加，介質絕緣電阻迅速降低。濕度對電容器電性能影響最大,會因表面吸潮使表面絕緣電阻下降。28第28頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月7-3.損耗(DF)DF損亦稱損失角正切:因為電容用于交流電路中時會在電路中產(chǎn)生一個相位角θ，此相位角的余角δ即為損失角。DF=tanδDF(耗散因素)用來表明電容將輸入功率轉化為熱量的百分（％）29第29頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月介質損耗同溫度的關系:介質損耗同溫度的關系曲線圖30第30頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月介質損耗同交流電壓/密爾厚度的關系:介質損耗同交流電壓/密爾厚度的關系曲線圖31第31頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月介質損耗同頻率的關系介質損耗同頻率的關系曲線圖32第32頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月7-4.等效串聯(lián)電阻ESR：

ESR:ESR的損耗由介質損耗(Rsd)和金屬損耗(Rsm)兩部分組成。即:ESR=Rsd+Rsm33第33頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月MLCC等效電路34第34頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月ESR對電路的影響35第35頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月交流領域下之電容器等效電路如右圖；其中串聯(lián)等效電阻(RS)，將會隨不同頻率而有所改變。各頻率點之等效串聯(lián)電阻(ESR)如右曲線圖所示。ESR越高，通過電流所消耗功率亦越高，元件越容易發(fā)熱。隨著疊層層數(shù)增加,容值亦增加ESR隨著並聯(lián)而下降。MLCC相同設計下，容值越高，ESR越低，RippleCurrent特性越好。36第36頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月7-5.品質因素(Q)品質因素:Q值就是介質損耗DF的倒數(shù)。即：Q=1/DF。一般高Q即具備低ESR的特性。在設計時，高頻下我們應考慮ESR和Q值對電路設計的影響；低頻下應考慮損耗(DF)對電路設計的影響。37第37頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月7-6.耐電壓(DWV)電容器的耐電壓:是指電容器的陶瓷介質在工作狀態(tài)中能夠承受的最大電壓，即擊穿電壓，也就是電容器的極限電壓電容器的標稱電壓即電容器的工作電壓，標稱電壓一般是相對于直流來說的。而電容器的耐電壓常規(guī)也是相對直流來說的，但有時也常用交流來表示。電容器的標稱電壓遠遠低于其瓷介的耐電壓。標稱電壓遠遠低于芯片的耐電壓。比如，1206B102K101NT其標稱電壓為100V，也就是其工作直流電壓要低于100V，而實際上其耐電壓直流可達1200V左右；交流可達500V左右。38第38頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月8.應用其中高容量,低ESR,ESL的X7RMLCC電容堆,主要用于開關電源的濾波,低ESL允許在高頻濾波39第39頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月三、鉭質電容定義:鉭電解電容是用金屬鉭作電極、氧化鉭作介質的電容器，其示意圖如下特點:化學穩(wěn)定性高，額定耐壓高，耐高溫性能好，機械強度高，體積小。

1.定義

2.外形40第40頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月3.各種類型的鉭電容結構1)二氧化錳鉭電容(MnO2)41第41頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月2)有機聚合體鉭電容(KO)42第42頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月3)鋁有機聚合體鉭電容(AO)43第43頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月鉭電容的制造流程1)制壓陰極44第44頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月2)焊接陽極45第45頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月4.各類型鉭電容特性鉭電容具有低的ESR,低的漏電流,noignitionfailuremode,高的溫度穩(wěn)定性;在ESR,noignitionfailuremode方面,KO和AO具有更佳的表現(xiàn).46第46頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月4.鉭質電容的基本電氣參數(shù)4.1Cp(Capacitance)容值一般電解電容器的電容量範圍為其容量從0.47uF到1000uF,測試頻率為120Hz。

4.2電容值誤差Tolerance

4.3D.F(DisspationFactor)損失因素4.4UR(VoltageRating)額定電壓電容器在電路中能夠長期穩(wěn)定、可靠工作，所承受的最大直流電壓。額定電壓壓主要有6.3V、10V、16V、63V幾種。

4.5LC(LeakageCurrent)漏電流4.6ESR(EquivalentSeriesResistance)等效串聯(lián)阻抗4.7RC(RippleCurrent)紋波/濾波電流常指微小的脈沖電流,表示其在電路中之耐沖擊性能。47第47頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月5.溫度及頻率特性鉭質電容的以上電氣參數(shù)通常規(guī)定在20℃,120Hz條件下測得,它們隨溫度及頻率的變化而變化。5.1溫度對參數(shù)的影響溫度升高,Cp值及LC會增大48第48頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對容量的影響:溫度升高,Cp值增大49第49頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對漏電流的影響:溫度升高,LC值增大50第50頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2頻率對參數(shù)的影響頻率升高,Cp值及ESR值會減小,但DF會增大51第51頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率對ESR的影響:頻率升高,ESR值減小52第52頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率對損失因素的影響:頻率升高,DF值會增大53第53頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月6.貼片鉭質電容使用注意事項反相電壓不允許

鉭質電容有極性,有絲印的一方為正極,插入時要確認極性的正確性。過壓不要提供超過額定電壓最大值的電壓，即如圖所示:脈沖電壓的峰值加上直流電壓之和不要超過電容本身的額定電壓。54第54頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月脈沖電流不要提供超過規(guī)格最大值的脈沖電流產(chǎn)品在長時間放置之后,在使用之前一定要確認是否有反?，F(xiàn)象55第55頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月四.鋁電解電容AluminumCAP1.鋁電解電容有液態(tài)和固態(tài)兩類,固態(tài)又有OS-Con和聚合體兩類.2.液態(tài)鋁電解電容的結構56第56頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月3.等效線路57第57頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月4.固態(tài)鋁電解電容1)OS-Con鋁電解電容結構,該類電容的電解液為固態(tài)電解液58第58頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月2)鋁聚合體電解電容結構該類電容的電解液為固態(tài)電解液(聚合體電解液).59第59頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月5.鋁電解電容的特性鋁電解電容具有高容值,高的額定電壓,較小的ESR值,較小的漏電流.固態(tài)鋁電解電容和鋁聚合體電解電容具有更小的ESR值,更佳的溫度穩(wěn)定性.60第60頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月6.電解電容的基本電氣參數(shù):5.1Cp(Capacitance)容值一般電解電容器的電容量範圍為0.47uF-10000uF,測試頻率為120Hz。5.2(Tolerance)電容值誤差Tolerance一般電解電容器的電容值誤差範圍為M即+/-20%5.3D.F(DisspationFactor)損失因素一般電解電容器因為內阻較大故D值較高,其規(guī)格視電容值高低決定,為0.1-0.24以下。5.4UR(VoltageRating)額定電壓電容器在電路中能夠長期穩(wěn)定、可靠工作，所承受的最大直流電壓。對于結構、介質、容量相同的器件，耐壓越高，體積越大。5.5LC(LeakageCurrent)漏電流在規(guī)定的環(huán)境溫度中,最大連續(xù)直流電壓下通過電容的電流。此為電解電容器之特定規(guī)格,一般以電容器本身額定電壓加壓3Min後,串接電流表測試,其漏電流量需在0.01CV(uF電容量值與額定電壓相乘積)或3uA以下(取其較大數(shù)值)。特定低漏電流量使用(Lowleakagetype)則其漏電流量需在0.002CV或0.4uA以下。61第61頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6

ESR(EquivalentSeriesResistance)等效串聯(lián)阻抗對非理想電容,其內部電極與端電極之間存在的電阻值,它表示轉化成熱能的損失量。ESR=DF/2πfc5.7

DS(DielectricStrength)耐電壓電容的選擇,其耐電壓應大於電路所要求的電壓。注意:但對電解電容而言,高耐電壓值的電容用於低電壓電路中,額定電容量會減少。如一個5V電源電路中用50V額定電壓的電容,其電容量約減少一半。5.8

SV(SurgeVoltage)浪涌電壓給其加的一個沖擊電壓(一般為1.3倍RV,充放電1000個循環(huán))62第62頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月7.溫度及頻率特性:電解電容的以上電氣參數(shù)通常規(guī)定在20℃,120Hz條件下測得,它們隨溫度及頻率的變化而變化.7.1溫度對參數(shù)的影響A.溫度升高,Cp值及LC會增大,但ESR會減小.B.溫度降低,Cp值及LC會減小,但ESR會增大.63第63頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對容量的影響:溫度升高,Cp值增大64第64頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對ESR的影響:溫度升高,ESR值減小65第65頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對漏電流的影響:溫度升高,LC值增大66第66頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對損失因素的影響:溫度升高,DF值減小67第67頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2頻率對參數(shù)的影響A.頻率升高,Cp值及阻抗會減小,但DF會增大.B.頻率降低,脈衝電流產(chǎn)生熱量增加將導致ESR增大68第68頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月8.貼片電解電容使用注意事項8.1

反相電壓不允許電解電容有極性,黑色絲印的一方為負極,插入時要確認極性的正確性8.2充/放電使用標準的電解電容不適合重複充/放電使用8.3

過壓

不要提供超過規(guī)格電壓最大值的電壓8.4脈沖電流不要提供超過規(guī)格最大值的脈沖電流69第69頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月五、電容器的特性比較表70第70頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月電容器的性能比較表類型典型介質吸收優(yōu)點缺點NPO陶瓷電容器吸收＜0.1%外型尺寸小、價格便宜、穩(wěn)定性好、電容值范圍寬、

銷售商多、電感低通常電容值很低，但又無法限制到很小的數(shù)值(10nF)單片陶瓷電容器＞0.2%電感低、電容值范圍寬穩(wěn)定性差、DA性能差、電壓系數(shù)高鋁電解電容器很高電容值高、電流大、電壓高、尺寸小泄漏大、通常有極性、穩(wěn)定性差、精度低鉭電解電容器很高尺寸小、電容值大、電感適中泄漏很大、通常有極性、價格貴、穩(wěn)定性差、精度差71第71頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月MLCC與鉭質電容的頻率特性及溫度特性比較72第72頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月電容器的Z值比較表73第73頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月電容器的ESR的頻率特性比較表74第74頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月去紋波能力比較（Inputpulse1MHz）75第75頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月去紋波能力比較（Inputpulse500KHz）76第76頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月6.電容的失效模式1.液態(tài)電解電容失效模式主要有:電極損壞,焊接過熱電解液蒸發(fā),漏電流變大,DF,ESR,Z變大等77第77頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月2.MLCC電容失效模式主要有:變形破裂,短路,IR值變小,漏電流,ESR,DF值變大等78第78頁，課件共92頁，創(chuàng)作于2023年2月3.鋁聚合體鉭電容失效模式主要有:短路,容值,IR變