Войти
Фиксированные свинцовые диски и многослойные керамические чип-конденсаторы (MLCC) A керамический конденсатор с фиксированным значением конденсатор, в котором керамический материал действует как диэлектрик. Он состоит из двух или более чередующихся слоев керамики и слоя металла, действующих как электроды . Состав керамического материала определяет электрические характеристики и, следовательно, области применения. Керамические конденсаторы делятся на два класса применения:
Керамические конденсаторы, особенно многослойные керамические конденсаторы (MLCC), являются наиболее производимыми и используемыми конденсаторами в электронном оборудовании, которые составляют примерно один триллион (10) штук в год.
Керамические конденсаторы особых форм и стилей используются в качестве конденсаторов для подавления RFI / EMI, в качестве проходных конденсаторов и в больших размерах в качестве силовых конденсаторов для передатчиков.
Исторические керамические конденсаторы С начала изучения электричества непроводящих материалов, таких как стекло, фарфор, бумага и слюда Были использованы как изоляторы. Эти материалы несколько десятилетий спустя также хорошо подходили для дальнейшего использования в качестве диэлектрика для первых конденсаторов.
Даже в первые годы существования беспроводного передающего устройства Маркони фарфоровые конденсаторы использовались для высоковольтных и высокочастотных приложений в передатчиках. На стороне приемника для резонансных контуров использовались слюдяные конденсаторы меньшего размера. Слюдяные диэлектрические конденсаторы были изобретены в 1909 году Уильямом Дубилье. До Второй мировой войны слюда была наиболее распространенным диэлектриком для конденсаторов в Соединенных Штатах.
Слюда - это природный материал, доступный в неограниченных количествах. Таким образом, в середине 1920-х годов дефицит слюды в Германии и опыт в производстве фарфора - особого класса керамики - привели в Германии к первым конденсаторам, в которых керамика использовалась в качестве диэлектрика, что привело к созданию нового семейства керамических конденсаторов. Параэлектрик диоксид титана (рутил ) был использован в качестве первого керамического диэлектрика, поскольку он имел линейную температурную зависимость емкости для температурной компенсации резонансных цепей и может заменить слюду. конденсаторы. 1926 г. Эти керамические конденсаторы производились в небольших количествах, и в 1940-х их количество увеличивалось. Стилем этой ранней керамики был диск с металлизацией с обеих сторон, контактировавший с луженой проволокой. Этот стиль появился еще до транзистора и широко использовался в ламповом оборудовании (например, радиоприемниках) примерно с 1930 по 1950-е годы.
Но этот параэлектрический диэлектрик имел относительно низкую диэлектрическую проницаемость, так что могли быть реализованы только небольшие значения емкости. Расширяющийся рынок радиоприемников в 1930-х и 1940-х годах создает спрос на более высокие значения емкости, но ниже электролитических конденсаторов для приложений ВЧ развязки. Обнаруженный в 1921 году сегнетоэлектрический керамический материал титанат бария с диэлектрической проницаемостью в диапазоне 1000, что примерно в десять раз больше, чем диоксид титана или слюда, начал играть гораздо большую роль в электронике.
Более высокая диэлектрическая проницаемость привела к гораздо более высоким значениям емкости, но это было связано с относительно нестабильными электрическими параметрами. Таким образом, эти керамические конденсаторы могли заменить обычно используемые слюдяные конденсаторы только там, где стабильность была менее важна. Меньшие размеры по сравнению с слюдяными конденсаторами, более низкая стоимость производства и независимость от наличия слюды ускорили их принятие.
Керамический трубчатый конденсатор, типичный стиль керамических конденсаторов 1950-х и 1970-х годов. Быстро развивающаяся отрасль вещания после Второй мировой войны привела к более глубокому пониманию кристаллографии, фазовых переходов и химических и механическая оптимизация керамических материалов. Благодаря сложной смеси различных основных материалов электрические свойства керамических конденсаторов могут быть точно отрегулированы. Чтобы различать электрические свойства керамических конденсаторов, стандартизация определила несколько различных классов применения (Класс 1, Класс 2, Класс 3). Примечательно, что отдельные разработки во время войны и в последующее время в США и на европейском рынке привели к различным определениям этих классов (EIA и IEC), и только недавно (с 2010 г.) произошла всемирная гармонизация стандартизации IEC. состоялось.
Типичным стилем керамических конденсаторов под диском (в то время называемых конденсаторами) в радиоприложениях после войны с 1950-х по 1970-е годы была керамическая трубка, покрытая оловом или серебром с обеих сторон. и внешняя поверхность. Он включал в себя относительно длинные клеммы, образующие вместе с резисторами и другими компонентами клубок разомкнутой проводки.
Керамический материал, легко поддающийся формованию, позволил разработать специальные керамические конденсаторы большого размера для высоковольтных, высокочастотных (ВЧ) и силовых приложений.
MLCC как развязывающие конденсаторы вокруг микропроцессора С развитием полупроводниковой технологии в 1950-х годах, конденсаторы с барьерным слоем или класс 3 по IEC / класс IV EIA Конденсаторы, были разработаны с использованием легированной сегнетокерамики. Поскольку этот легированный материал не подходил для изготовления многослойных материалов, десятилетия спустя их заменили конденсаторы Y5V класса 2.
Керамический дисковый конденсатор первого типа можно было производить дешевле, чем обычные керамические трубчатые конденсаторы 1950-х и 1970-х годов. Американская компания, участвовавшая в программе Apollo, запущенной в 1961 году, впервые применила штабелирование нескольких дисков для создания монолитного блока. Этот «многослойный керамический конденсатор» (MLCC) был компактным и предлагал конденсаторы с высокой емкостью. Производство этих конденсаторов с использованием процессов литья из ленты и керамического электрода совместного обжига было сложной производственной задачей. MLCC расширили диапазон приложений до тех, которые требуют больших значений емкости в небольших корпусах. Эти керамические конденсаторы микросхемы стали движущей силой перехода электронных устройств с монтажа в сквозные отверстия на технологию поверхностного монтажа в 1980-х годах. Поляризованные электролитические конденсаторы можно заменить неполяризованными керамическими конденсаторами, что упростит установку.
В 1993 году TDK Corporation удалось заменить палладиевые электроды гораздо более дешевыми никелевыми электродами, что значительно снизило производственные затраты и обеспечило массовое производство MLCC.
По состоянию на 2012 год, ежегодно производилось более 10 MLCC. Наряду с керамическими микросхемными конденсаторами, керамические дисковые конденсаторы часто используются в качестве предохранительных конденсаторов в устройствах подавления электромагнитных помех. Помимо этого, также можно найти большие керамические силовые конденсаторы для приложений высокого напряжения или высокочастотных передатчиков.
Новые разработки в керамических материалах были сделаны с использованием антисегнетоэлектрической керамики. Этот материал имеет нелинейное изменение фазы антисегнето / сегнетоэлектрик, что позволяет увеличить накопление энергии с более высокой объемной эффективностью. Они используются для накопления энергии (например, в детонаторах).
Различные керамические материалы, используемые для керамических конденсаторов, параэлектрические или сегнетоэлектрическая керамика, влияет на электрические характеристики конденсаторов. Использование смесей параэлектрических веществ на основе диоксида титана приводит к очень стабильному и линейному поведению значения емкости в заданном температурном диапазоне и низким потерям на высоких частотах. Но эти смеси имеют относительно низкую диэлектрическую проницаемость , так что значения емкости этих конденсаторов относительно малы.
Более высокие значения емкости керамических конденсаторов могут быть достигнуты за счет использования смесей сегнетоэлектрических материалов, таких как титанат бария, вместе с определенными оксидами. Эти диэлектрические материалы имеют гораздо более высокие диэлектрические проницаемости, но в то же время их значения емкости более или менее нелинейны в диапазоне температур, а потери на высоких частотах намного выше. Эти разные электрические характеристики керамических конденсаторов требуют сгруппировать их по «классам применения». Определение классов приложения происходит от стандартизации. По состоянию на 2013 год использовались два набора стандартов: один от Международной электротехнической комиссии (IEC), а другой - от ныне не существующего Electronic Industries Alliance (EIA).
Определения классов приложений, данные в двух стандартах, различаются. В следующей таблице показаны различные определения классов применения керамических конденсаторов:
| Определение относительно. IEC / EN 60384-1. и IEC / EN 60384- 21.08.22 | Определение, относящееся к. EIA RS-198 |
|---|---|
| Класс 1 керамические конденсаторы. обеспечивают высокую стабильность и низкие потери для приложений с резонансными цепями. | Керамические конденсаторы класса I (или записанный класс 1). обеспечивают высокую стабильность и низкие потери для применения в резонансных цепях. |
| Керамические конденсаторы класса 2 . обеспечивают высокий объемный КПД. для сглаживания за счет -проходные, связанные и развязочные приложения | Керамические конденсаторы класса II (или записано как класс 2). обеспечивают высокий объемный КПД с изменением емкости от -15% до + 15% и температурным диапазоном более - От 55 ° C до +125 ° C,. для сглаживания, байпаса, связи и развязки |
| Керамические конденсаторы класса 3 . барри Слойные конденсаторы, которые больше не стандартизированы | Класс III (или записанный класс 3), керамические конденсаторы. обеспечивают более высокий объемный КПД, чем класс II EIA, и типичное изменение емкости от −22% до + 56% по сравнению с нижний температурный диапазон от 10 ° C до 55 ° C.. Их можно заменить конденсаторами EIA класса 2- Y5U / Y5V или Z5U / Z5V |
| - | Керамические конденсаторы класса IV (или записанного класса 4). представляют собой конденсаторы с барьерным слоем, которые больше не стандартизированы |
Производители, особенно в США, предпочитают стандарты Electronic Industries Alliance (EIA). Во многих частях, очень похожих на стандарт IEC, EIA RS-198 определяет четыре класса приложений для керамических конденсаторов.
Различные номера классов в обоих стандартах являются причиной многих недоразумений при интерпретации описаний классов в даташиты многих производителей. EIA прекратила свою деятельность 11 февраля 2011 г., но прежние секторы продолжают обслуживать международные организации по стандартизации.
В дальнейшем определения стандарта IEC будут предпочтительнее и в важных случаях по сравнению с определениями стандарта EIA.
Керамические конденсаторы класса 1 представляют собой точные конденсаторы с температурной компенсацией. Они предлагают наиболее стабильное напряжение, температуру и, в некоторой степени, частоту. Они имеют самые низкие потери и поэтому особенно подходят для применения в резонансных цепях, где важна стабильность или где требуется точно определенный температурный коэффициент, например, для компенсации температурных эффектов для цепи. Основные материалы керамических конденсаторов класса 1 состоят из смеси мелко измельченных гранул параэлектрических материалов, таких как диоксид титана (TiO. 2), модифицированных добавками цинка, циркония, ниобия, магния, тантала., Кобальт и стронций, которые необходимы для достижения желаемых линейных характеристик конденсатора.
Общее температурное поведение емкости конденсаторов класса 1 зависит от основного параэлектрического материала, например TiO. 2. Добавки химического состава используются для точного регулирования желаемой температурной характеристики. Керамические конденсаторы класса 1 имеют самый низкий объемный КПД среди керамических конденсаторов. Это результат относительно низкой диэлектрической проницаемости (от 6 до 200) параэлектрических материалов. Следовательно, конденсаторы класса 1 имеют значения емкости в нижнем диапазоне.
| Химическая-. формула | Относительная диэлектрическая проницаемость. ε | Температура-. коэффициент α. 10 / K |
|---|---|---|
| MgNb 2O6 | 21 | −70 |
| ZnNb 2O6 | 25 | −56 |
| MgTa 2O6 | 28 | 18 |
| ZnTa 2O6 | 38 | 9 |
| (ZnMg) TiO 3 | 32 | 5 |
| (ZrSn) TiO 4 | 37 | 0 |
| Ba2Ti9O20 | 40 | 2 |
Конденсаторы класса 1 имеют температурный коэффициент, который обычно довольно линейно зависит от температуры. Эти конденсаторы имеют очень низкие электрические потери с коэффициентом рассеяния примерно 0,15%. Они не подвергаются значительным процессам старения, а значение емкости практически не зависит от приложенного напряжения. Эти характеристики позволяют применять фильтры с высокой добротностью в резонансных цепях и генераторах (например, в цепях с фазовой автоподстройкой частоты ).
Стандарт EIA RS-198 кодирует керамические конденсаторы класса 1 трехзначным кодом, который указывает температурный коэффициент. Первая буква дает значащую цифру изменения емкости в зависимости от температуры (температурный коэффициент α) в ppm / K. Второй символ дает множитель температурного коэффициента. Третья буква обозначает максимальное отклонение от указанного в ppm / K. Все номиналы от 25 до 85 ° C:
| Температурный коэффициент α. 10 / K. буквенный код | Множитель. температурного коэффициента. Числовой код | Допуск ppm / K. температурного коэффициента. Буквенный код |
|---|---|---|
| C: 0,0 | 0: -1 | G: ± 30 |
| B: 0,3 | 1: -10 | H: ± 60 |
| L: 0,8 | 2: −100 | J: ± 120 |
| A: 0,9 | 3: −1000 | K: ± 250 |
| M : 1.0 | 4: +1 | L: ± 500 |
| P: 1.5 | 6: +10 | M: ± 1000 |
| R: 2,2 | 7: +100 | N: ± 2500 |
| S: 3,3 | 8: +1000 | |
| T: 4,7 | ||
| В : 5.6 | ||
| U: 7.5 |
В дополнение к коду EIA, температурный коэффициент зависимости емкости керамических конденсаторов класса 1 обычно выражается керамическими названиями, такими как "NP0", "N220" и т. Д. Эти названия включают температурный коэффициент (α). В стандарте IEC / EN 60384-8 / 21 температурный коэффициент и допуск заменены двухзначным буквенным кодом (см. Таблицу), в который добавлен соответствующий код EIA.
| Керамика. названия | Температура. коэффициент α. 10 / K | α-Tolerance. 10 / K | Sub-. класс | IEC / EN-. буква. код | EIA. буква. код |
|---|---|---|---|---|---|
| P100 | 100 | ± 30 | 1B | AG | M7G |
| NP0 | 0 | ± 30 | 1B | CG | C0G |
| N33 | −33 | ± 30 | 1B | HG | H2G |
| N75 | −75 | ± 30 | 1B | LG | L2G |
| N150 | −150 | ± 60 | 1B | PH | P2H |
| N220 | −220 | ± 60 | 1B | RH | R2H |
| N330 | −330 | ± 60 | 1B | SH | S2H |
| N470 | −470 | ± 60 | 1B | TH | T2H |
| N750 | −750 | ± 120 | 1B | UJ | U2J |
| N1000 | -1000 | ± 250 | 1F | QK | Q3K |
| N1500 | −1500 | ± 250 | 1F | VK | P3K |
Например, конденсатор «NP0» с кодом EIA «C0G» будет имеют дрейф 0 с допуском ± 30 ppm / K, тогда как "N1500" с кодом "P3K" будет иметь - Дрейф 1500 ppm / K с максимальным допуском ± 250 ppm / ° C. Обратите внимание, что коды конденсаторов IEC и EIA являются отраслевыми кодами конденсаторов, а не кодами военных конденсаторов.
Конденсаторы класса 1 включают конденсаторы с разными температурными коэффициентами α. В частности, большой интерес с технической точки зрения представляют конденсаторы NP0 / CG / C0G с α ± 0 • 10 / K и допуском α 30 ppm. Эти конденсаторы имеют изменение емкости dC / C ± 0,54% в диапазоне температур от -55 до +125 ° C. Это обеспечивает точную частотную характеристику в широком диапазоне температур (например, в резонансных цепях). Другие материалы с их особыми температурными характеристиками используются для компенсации противотока параллельно соединенных компонентов, таких как катушки в цепях генератора. Конденсаторы класса 1 имеют очень малые допуски по номинальной емкости.
Идеализированные кривые для различных керамических конденсаторов класса 1
представление диапазона допуска температурного коэффициента α
Керамические конденсаторы класса 2 с их типичными допусками на зависящую от температуры емкость (цветные области) Керамические конденсаторы класса 2 имеют диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, более высокую объемную эффективность, чем конденсаторы класса 1, но более низкую точность и стабильность. Керамический диэлектрик характеризуется нелинейным изменением емкости в диапазоне температур. Величина емкости также зависит от приложенного напряжения. Они подходят для приложений байпаса, связи и развязки или для схем с частотной дискриминацией, где низкие потери и высокая стабильность емкости менее важны. Обычно они обладают микрофоном..
Конденсаторы класса 2 изготовлены из сегнетоэлектрических материалов, таких как титанат бария (BaTiO. 3), и подходящих добавок, таких как силикат алюминия, силикат магния и оксид алюминия. Эта керамика имеет диэлектрическую проницаемость от высокой до очень высокой (от 200 до 14000), которая зависит от напряженности поля. Следовательно, значение емкости конденсаторов класса 2 нелинейно. Это зависит от температуры и приложенного напряжения. Кроме того, конденсаторы класса 2 со временем стареют.
Однако высокая диэлектрическая проницаемость поддерживает высокие значения емкости в небольших устройствах. Конденсаторы класса 2 значительно меньше устройств класса 1 при одинаковой номинальной емкости и напряжении. Они подходят для приложений, в которых требуется, чтобы конденсатор поддерживал только минимальное значение емкости, например, для буферизации и фильтрации в источниках питания, а также для связи и развязки электрических сигналов.
Конденсаторы класса 2 маркируются в соответствии с изменением емкости в диапазоне температур. Наиболее широко используемая классификация основана на стандарте EIA RS-198 и использует трехзначный код. Первый символ - это буква, обозначающая нижнюю рабочую температуру . Второй символ указывает на максимальную рабочую температуру, а последний символ указывает на изменение емкости в этом диапазоне температур:
| Буквенный код. низкая температура | Цифровой код. верхняя температура | Буквенный код. изменение емкости. в диапазоне температур |
|---|---|---|
| X = -55 ° C (-67 ° F) | 4 = +65 ° C (+149 ° F) | P = ± 10% |
| Y = -30 ° C (-22 ° F) | 5 = +85 ° C (+185 ° F) | R = ± 15% |
| Z = +10 ° C (+50 ° F) | 6 = +105 ° C (+221 ° F) | L = ± 15%, + 15 / -40% выше 125 ° C |
| 7 = +125 ° C (+257 ° F) | S = ± 22% | |
| 8 = +150 ° C (+302 ° F) | T = + 22 / -33% | |
| 9 = +200 ° C (+392 ° F) | U = + 22 / -56% | |
| V = + 22 / -82% |
Например, конденсатор Z5U будет работать от +10 ° C до +85 ° C с изменением емкости от + 22% до -56%. Конденсатор X7R может работать от -55 ° C до +125 ° C с изменением емкости не более ± 15%.
Некоторые обычно используемые материалы керамических конденсаторов класса 2 перечислены ниже:
IEC / EN 60384 - Стандарт 9/22 использует другой двузначный код.
| Код для изменения емкости | Макс. изменение емкости. ΔC / C 0 при U = 0 | Макс. изменение емкости. ΔC / C 0 при U = U N | Код для диапазона температур | Диапазон температур |
|---|---|---|---|---|
| 2B | ± 10% | + 10 / - 15% | 1 | −55… +125 ° C |
| 2C | ± 20% | + 20 / −30% | 2 | −55… +85 ° C |
| 2D | + 20 / −30% | + 20 / −40% | 3 | −40… +85 ° C |
| 2E | +22/−56% | + 22 / −70% | 4 | −25… +85 ° C |
| 2F | +30/−80% | + 30 / −90% | 5 | (-10… +70) ° C |
| 2R | ± 15% | − | 6 | +10… +85 ° C |
| 2X | ±15% | + 15 / −25% | - | - |
В большинстве случаев можно преобразовать код EIA в код IEC / EN. Возможны небольшие ошибки перевода, но обычно они допустимы.
Поскольку керамические конденсаторы класса 2 имеют более низкую точность измерения емкости и стабильность, для них требуется более высокий допуск.
Для военного типа диэлектрики класса 2 определяют температурную характеристику (TC), но не температурно-вольтную характеристику (TVC). Подобно X7R, военный тип BX не может отклоняться от температуры более чем на 15% и, кроме того, должен оставаться в пределах +15% / - 25% при максимальном номинальном напряжении. Тип BR имеет ограничение TVC +15% / - 40%.
Класс 3 барьерный слой или полупроводниковые керамические конденсаторы имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость, до 50000, и, следовательно, лучшую объемную эффективность чем конденсаторы класса 2. Однако эти конденсаторы имеют худшие электрические характеристики, в том числе меньшую точность и стабильность. Диэлектрик характеризуется очень высоким нелинейным изменением емкости в диапазоне температур. Величина емкости дополнительно зависит от приложенного напряжения. Кроме того, у них очень большие потери и со временем они стареют.
Керамические конденсаторы с барьерным слоем изготовлены из легированных сегнетоэлектрических материалов, таких как титанат бария (BaTiO. 3). По мере совершенствования этой керамической технологии в середине 1980-х годов стали доступны конденсаторы с барьерным слоем емкостью до 100 мкФ, и в то время казалось, что они могут заменить меньшие электролитические конденсаторы.
, потому что невозможно Для изготовления многослойных конденсаторов из этого материала на рынке предлагаются только однослойные свинцовые конденсаторы.
По состоянию на 2013 год конденсаторы с барьерным слоем считаются устаревшими, поскольку современная многослойная керамика класса 2 может предложить более высокую емкость и лучшие характеристики в более компактном корпусе. Как следствие, эти конденсаторы больше не стандартизированы МЭК.
Конструкция многослойного керамического чип-конденсатора (MLCC), 1 = металлические электроды, 2 = диэлектрическая керамика, 3 = соединительные клеммы
керамический дисковый конденсатор
Керамические конденсаторы состоят из смеси мелко измельченных гранул параэлектрических или сегнетоэлектрических материалов, надлежащим образом смешанных с другими материалами для достижения желаемых характеристик. Из этих порошковых смесей керамику спекают при высоких температурах. Керамика образует диэлектрик и служит носителем для металлических электродов. Минимальная толщина диэлектрического слоя, которая сегодня (2013 г.) для низковольтных конденсаторов находится в диапазоне размеров 0,5 микрометров, ограничена снизу размером зерна керамического порошка. Толщина диэлектрика для конденсаторов с более высоким напряжением определяется электрической прочностью требуемого конденсатора.
Электроды конденсатора нанесены на керамический слой путем металлизации. В случае MLCC чередующиеся слои металлизированной керамики накладываются друг на друга. Превосходная металлизация электродов с обеих сторон корпуса соединена с контактной клеммой. Лаковое или керамическое покрытие защищает конденсатор от влаги и других внешних воздействий.
Керамические конденсаторы бывают разных форм и стилей. Вот некоторые из наиболее распространенных:
Многослойный керамический чип-конденсатор (MLCC)
Керамический дисковый конденсатор (однослойный)
Проходной керамический конденсатор
Высоковольтный керамический силовой конденсатор
Детальная конструкция многослойного керамического конденсатора микросхемы (MLCC). 
Образцы многослойных керамических чип-конденсаторов
MLCC состоит из ряда отдельные конденсаторы уложены вместе параллельно и контактируют через контактные поверхности. Исходный материал для всех чипов MLCC представляет собой смесь тонко измельченных гранул параэлектрического или сегнетоэлектрического сырья, модифицированного точно определенными добавками. Эти порошкообразные материалы смешиваются однородно. Состав смеси и размер частиц порошка до 10 нм отражают опыт производителя.
Тонкую керамическую фольгу отливают из суспензии порошка с подходящим связующим. Эта пленка свернута для транспортировки. Снова развернув, он разрезается на листы одинакового размера, на которые наносится трафаретная печать с использованием металлической пасты. Эти листы становятся электродами. В автоматизированном процессе эти листы укладываются в необходимое количество слоев и затвердевают под давлением. Помимо относительной диэлектрической проницаемости, размер и количество слоев определяют более позднее значение емкости. Электроды уложены стопкой в чередующемся расположении с небольшим смещением от соседних слоев, так что каждый из них впоследствии может быть соединен со смещенной стороной, один слева, один справа. Многослойная стопка прессуется, а затем разрезается на отдельные компоненты. Высокая механическая точность требуется, например, для изготовления стопки из 500 или более слоев размером «0201» (0,5 мм × 0,3 мм).
После резки скоросшиватель выгорает из стопки. Затем следует спекание при температурах от 1200 до 1450 ° C с получением окончательной, в основном кристаллической, структуры. Этот процесс горения создает желаемые диэлектрические свойства. После обжига следует очистка и металлизация обеих торцевых поверхностей. Благодаря металлизации концы и внутренние электроды соединяются параллельно, и конденсатор получает свои выводы. Наконец, будет выполнено 100% измерение электрических величин и нанесение ленты для автоматизированной обработки на производственном устройстве.
Формула емкости (C) конденсатора MLCC основана на формуле для пластинчатого конденсатора с увеличенным количеством слоев:. 
Более тонкий диэлектрик или большая площадь электрода увеличивают значение емкости, как и диэлектрический материал с более высокой диэлектрической проницаемостью.
С прогрессивной миниатюризацией цифровой электроники в последние десятилетия, компоненты на периферии интегральных логических схем также были уменьшены в масштабе. Усадка MLCC включает уменьшение толщины диэлектрика и увеличение количества слоев. Оба варианта требуют огромных усилий и связаны с большим опытом.
В 1995 году минимальная толщина диэлектрика составляла 4 мкм. К 2005 году некоторые производители выпускали чипы MLCC с толщиной слоя 1 мкм. По состоянию на 2010 год минимальная толщина составляет около 0,5 мкм. Напряженность поля в диэлектрике увеличилась до 35 В / мкм.
Уменьшение размера этих конденсаторов достигается за счет уменьшения размера зерна порошка, что предполагает уменьшение толщины керамических слоев. Кроме того, производственный процесс стал более точно контролироваться, так что можно складывать все больше и больше слоев.
Между 1995 и 2005 годами емкость конденсатора Y5V MLCC размером 1206 была увеличена с 4,7 мкФ до 100 мкФ. Между тем (2013 г.) многие производители могут поставлять конденсаторы MLCC класса 2 со значением емкости 100 мкФ в размере микросхемы 0805.
MLCC не имеют выводов, и в результате они обычно меньше своих аналогов с выводами. Они не требуют доступа через отверстие в печатной плате для установки и предназначены для работы с машинами, а не людьми. В результате компоненты для поверхностного монтажа, такие как MLCC, обычно дешевле.
MLCC производятся стандартных форм и размеров для сопоставимого обращения. Поскольку на ранних этапах стандартизации доминировали американские стандарты EIA, размеры микросхем MLCC были стандартизированы EIA в дюймах. Прямоугольный чип с размерами 0,06 дюйма в длину и 0,03 дюйма в ширину кодируется как «0603». Этот код является международным и широко используется. JEDEC (IEC / EN), разработан второй метрический код. Код EIA и метрический эквивалент обычных размеров многослойных керамических чип-конденсаторов, а также размеры в мм показаны в следующей таблице. В таблице отсутствует мера высоты "H". Обычно это не указывается, потому что высота микросхем MLCC зависит от количества слоев и, следовательно, от емкости. Однако обычно высота H не превышает ширину W.
| Чертеж | EIA. код дюйма | Размеры. Д × Ш. дюйм × дюйм | IEC / EN. код метрики | Размеры. Д × Ш. мм × мм | EIA. код дюйма | Размеры. ДxШ. дюйм × дюйм | IEC / EN. код метрики | Размеры. L × Ш. мм × мм | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Размеры Д × Ш × В многослойных керамических конденсаторов микросхемы | 01005 | 0,016 × 0,0079 | 0402 | 0,4 × 0,2 | 1806 | 0,18 × 0,063 | 4516 | 4,5 × 1,6 | |
| 015015 | 0,016 × 0,016 | 0404 | 0,4 × 0,4 | 1808 | 0,18 × 0,079 | 4520 | 4,5 × 2,0 | ||
| 0201 | 0,024 × 0,012 | 0603 | 0,6 × 0,3 | 1812 | 0,18 × 0,13 | 4532 | 4,5 × 3,2 | ||
| 0202 | 0,02 × 0,02 | 0505 | 0,5 × 0,5 | 1825 | 0,18 × 0,25 | 4564 | 4,5 × 6,4 | ||
| 0302 | 0,03 × 0,02 | 0805 | 0,8 × 0,5 | 2010 | 0,20 × 0,098 | 5025 | 5,0 × 2,5 | ||
| 0303 | 0,03 × 0,03 | 0808 | 0,8 × 0,8 | 2020 | 0,20 × 0,20 | 5050 | 5,08 × 5,08 | ||
| 0504 | 0,05 × 0,04 | 1310 | 1,3 × 1,0 | 2220 | 0,225 × 0,197 | 5750 | 5,7 × 5,0 | ||
| 0402 | 0,039 × 0,020 | 1005 | 1,0 × 0,5 | 2225 | 0,225 × 0,25 | 5664/5764 | 5,7 × 6,4 | ||
| 0603 | 0,063 × 0,031 | 1608 | 1,6 × 0,8 | 2512 | 0,25 × 0,13 | 6432 | 6,4 × 3,2 | ||
| 0805 | 0,079 × 0,049 | 2012 | 2,0 × 1,25 | 2520 | 0,25 × 0,197 | 6450 | 6,4 × 5,0 | ||
| 1008 | 0,098 × 0,079 | 2520 | 2,5 × 2,0 | 2920 | 0,29 × 0,197 | 7450 | 7,4 × 5,0 | ||
| 1111 | 0,11 × 0,11 | 2828 | 2,8× 2,8 | 3333 | 0,33 × 0,33 | 8484 | 8,38 × 8,38 | ||
| 1206 | 0,126 × 0,063 | 3216 | 3,2 × 1,6 | 3640 | 0,36 × 0,40 | 9210 | 9,2 × 10,16 | ||
| 1210 | 0,126 × 0,10 | 3225 | 3,2 × 2,5 | 4040 | 0,4 × 0,4 | 100100 | 10,2 × 10,2 | ||
| 1410 | 0,14 × 0,10 | 3625 | 3,6 × 2,5 | 5550 | 0,55 × 0,5 | 140127 | 14,0 × 12,7 | ||
| 1515 | 0,15 × 0,15 | 3838 | 3,81 × 3,81 | 8060 | 0,8 × 0,6 | 203153 | 20,3 × 15,3 |
Структура электродов и NME соответственно металлизация BME выводов микросхем MLCC
Влияние металлизации NME или BME для микросхем X7R MLCC класса 2 на зависимость емкости от напряжения.
А особой проблемой при производстве многослойных керамических конденсаторов для микросхем в конце 1990-х было резкое повышение цен на металлы, используемые для электродов и клемм. Первоначально были выбраны неокисляющиеся благородные металлы серебро и палладий, которые могут выдерживать высокие температуры спекания от 1200 до 1400 ° C. Они назывались «NME» (электроды из благородных металлов) и обеспечивали очень хорошие электрические свойства конденсаторам класса 2. Рост цен на эти металлы значительно увеличил цены на конденсаторы.
Давление на стоимость привело к разработке BME (электродов из недрагоценных металлов) с использованием гораздо более дешевых материалов никель и медь.
Но металлизация BME дала другие электрические свойства; например, зависимость конденсаторов X7R от напряжения значительно увеличилась (см. рисунок). Даже коэффициент потерь и поведение импеданса керамических конденсаторов класса 2 были уменьшены за счет металлизации BME.
Для керамических конденсаторов класса 2, из-за их использования в приложениях, где это обычно не очень важно для стабильности электрических свойств, эти отрицательные изменения по причинам стоимости были окончательно приняты рынком, в то время как Металлизация NME сохранена в керамических конденсаторах 1 класса.
Максимально доступные значения емкости микросхем MLCC в корпусе 2012 г. (по состоянию на апрель 2017 г.) Емкость микросхем MLCC зависит от диэлектрика, размера и требуемого напряжения (номинальное напряжение). Значения емкости начинаются примерно с 1 пФ. Максимальное значение емкости определяется технологией производства. Для X7R это 47 мкФ, для Y5V: 100 мкФ.
На рисунке справа показана максимальная емкость для многослойных керамических конденсаторов класса 1 и класса 2. В следующих двух таблицах, каждая для керамики NP0 / C0G и X7R, перечислены для каждого типичного размера корпуса максимально доступное значение емкости и номинальное напряжение ведущих производителей Murata, TDK, KEMET, AVX. (По состоянию на апрель 2017 г.)
| Номинальное-. напряжение | Размер корпуса, код EIA | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 01005 | 0201 | 0402 | 0603 | 0805 | 1206 | 1210 | 1812 | 2220 | |
| Размеры в мм | |||||||||
| 0,4 × 0,2 | 0,6 × 0,3 | 1,0 ×0,5 | 1,6 × 0,8 | 2,0 × 1,25 | 3,2 × 1,6 | 3,2 × 2,5 | 4,5 × 3,2 | 5,7 × 5,0 | |
| Макс. емкость | |||||||||
| 6,3 В | 220 пФ | – | – | 33 нФ | – | – | – | – | – |
| 10 В | 220 пФ | – | 4,7 нФ | 33 нФ | 100 нФ | 100 нФ | 220 нФ | – | – |
| 16 В | 220 пФ | – | 2,2 нФ | 15 нФ | 47 нФ | 120 нФ | 220 нФ | – | – |
| 25 В | 220 пФ | 1,0 нФ | 2,2 нФ | 47 нФ | 47 нФ | 120 нФ | 220 нФ | – | – |
| 50 В | 100 пФ | 220 pF | 1,5 нФ | 10 нФ | 47 нФ | 100 нФ | 150 нФ | 220 нФ | 470 нФ |
| 100 В | – | 100 пФ | 1,0 нФ | 4,7 нФ | 22 нФ | 100 нФ | 100 нФ | 150 нФ | 330 нФ |
| 250 В | – | – | 330 пФ | 2,2 нФ | 8,2 нФ | 22 нФ | 47 нФ | 100 нФ | – |
| 500 В | – | – | – | – | 820 пФ | 4,7 нФ | 10 нФ | 22 нФ | 47 нФ |
| 630 В | – | – | – | – | 1,2 нФ | 4,7 нФ | 15 нФ | 22 нФ | 47 нФ |
| 1000 В | – | – | – | – | 270 пФ | 1,0 нФ | 2,7 нФ | 5,6 нФ | 12 нФ |
| 2000 В | – | – | – | – | – | 270 пФ | 680 пФ | 1,5 нФ | 3,9 нФ |
| 3000 В | – | – | – | – | – | – | – | 390 пФ | 1,0 нФ |
| Номинальное-. напряжение | Размер корпуса, код EIA | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 01005 | 0201 | 0402 | 0603 | 0805 | 1206 | 1210 | 1812 | 2220 | |
| Размеры в мм | |||||||||
| 0,4 × 0,2 | 0,6 × 0,3 | 1,0 × 0,5 | 1,6 × 0,8 | 2,0 × 1,25 | 3,2 × 1,6 | 3,2 × 2,5 | 4,5 × 3,2 | 5,7 × 5,0 | |
| Макс. емкость | |||||||||
| 4 В | – | – | 2,2 мкФ | 2,2 мкФ | 22 мкФ | 100 мкФ | 100 мкФ | – | – |
| 6,3 В | – | 0,1 мкФ | 2,2 мкФ | 10 мкФ | 22 мкФ | 47 мкФ | 100 мкФ | – | – |
| 10 В | 1,0 нФ | 0,1 мкФ | 2,2. МкФ | 10 мкФ | 22 мкФ | 22 мкФ | 47 мкФ | – | – |
| 16 В | 1,0 нФ | 0,1 мкФ | 2,2 мкФ | 4,7 мкФ | 10 мкФ | 22 мкФ | 22 мкФ | – | – |
| 25 В | – | 10 нФ | 0,1 мкФ | 2,2 мкФ | 10 мкФ | 10 мкФ | 22 мкФ | – | 22 мкФ |
| 50 В | – | 1,5 нФ | 0,1 мкФ | 0,47 мкФ | 4,7 мкФ | 4,7 мкФ | 10 мкФ | – | 10 мкФ |
| 100 В | – | – | 4,7 нФ | 0,1 мкФ | 0,1 мкФ | 4,7 мкФ | 10 мкФ | 3,3 мкФ | 10 мкФ |
| 200 В | – | – | – | 10 нФ | 56 нФ | 0,15 мкФ | 0,22 мкФ | 1,0 мкФ | 1,0 мкФ |
| 250 В | – | – | – | 2,2 нФ | 22 нФ | 0,1 мкФ | 0,22 мкФ | 0,47 мкФ | 1,0 мкФ |
| 500 В | – | – | – | 3,9 нФ | 22 нФ | 68 нФ | 0,1 мкФ | 0,22 мкФ | 0,47 мкФ |
| 630 В | – | – | – | 1,5 нФ | 12 нФ | 33 нФ | 0,1 мкФ | 0,15 мкФ | 0,33 мкФ |
| 1000 В | – | – | – | 1,0 нФ | 4,7 нФ | 22 нФ | 68 нФ | 0,1 мкФ | 0,12 мкФ |
| 2000 В | – | – | – | – | – | 2,2 нФ | 6,8 nF | 10 nF | 22 nF |
| 3000 V | – | – | – | – | – | – | – | 1,2 nF | 15 nF |
Стандартная конструкция микросхемы MLCC
Конструкция микросхемы MLCC с низким уровнем ESL
массив микросхем MLCC
В области своей резонансной частоты конденсатор обладает лучшими характеристиками развязки для шума или электромагнитные помехи. Резонансная частота конденсатора определяется индуктивностью компонента. Индуктивные части конденсатора суммируются в эквивалентной последовательной индуктивности, или ESL. (Обратите внимание, что L - это электрический символ индуктивности.) Чем меньше индуктивность, тем выше резонансная частота.
Поскольку, особенно при цифровой обработке сигналов, частота переключения продолжает расти, потребность в высокочастотной развязке или конденсаторах фильтра возрастает. С помощью простого изменения конструкции можно уменьшить ESL микросхемы MLCC. Поэтому уложенные друг на друга электроды соединяются продольной стороной с соединительными выводами. Это уменьшает расстояние, на которое носители заряда протекают через электроды, что снижает индуктивность компонента.
Например, результат для X7R с 0,1 мкФ и размером 0805 с резонансной частотой около 16 МГц увеличивается примерно до 22 МГц, если микросхема имеет размер 0508 с выводами на продольной стороне.
Другая возможность - сформировать устройство в виде массива конденсаторов. Здесь несколько отдельных конденсаторов встроены в общий корпус. При их параллельном подключении уменьшаются результирующие значения ESL, а также ESR компонентов.
Конденсаторы развязки X2Y с разными размерами корпуса
Внутренняя конструкция конденсатора X2Y
Принципиальная схема конденсатора X2Y в цепи развязки
Стандартный многослойный керамический конденсатор имеет множество противоположных электродных слоев, уложенных внутри, соединенных с двумя внешними выводами. Однако керамический конденсатор X2Y представляет собой 4-контактное устройство. Он построен как стандартный двухконтактный MLCC из уложенных друг на друга керамических слоев с дополнительным третьим набором экранирующих электродов, встроенных в чип. Эти экранирующие электроды окружают каждый существующий электрод в стопке пластин конденсатора и имеют низкоомный контакт с двумя дополнительными боковыми выводами напротив выводов конденсатора. Конструкция X2Y приводит к трехузловой емкостной цепи, которая обеспечивает одновременную фильтрацию между линиями и фаза-земля.
Керамические конденсаторы X2Y, способные заменить 2 или более обычных устройств, идеально подходят для частотная фильтрация или подавление шумов напряжения питания в цифровых схемах, и может оказаться неоценимым для удовлетворения строгих требований EMC в двигателях постоянного тока, в автомобильной, звуковой, сенсорной и других областях.
Площадь основания X2Y приводит к более низкой установленной индуктивности. Это особенно интересно для использования в высокоскоростных цифровых схемах с тактовой частотой порядка 100 МГц и выше. Разделение отдельных напряжений питания на печатной плате трудно реализовать из-за паразитных индуктивностей линий питания. Стандартное решение с обычными керамическими конденсаторами требует параллельного использования многих обычных микросхем MLCC с разными значениями емкости. Здесь конденсаторы X2Y могут заменить до пяти керамических конденсаторов одинакового размера на печатной плате. Однако этот конкретный тип керамического конденсатора запатентован, поэтому эти компоненты все еще сравнительно дороги.
Альтернативой конденсаторам X2Y может быть трехконтактный конденсатор.
Керамика, с одной стороны, очень прочный материал; с другой стороны, он ломается даже при относительно небольшом механическом напряжении. Микросхемы MLCC в качестве монтируемых на поверхность компонентов чувствительны к напряжениям изгиба, поскольку они устанавливаются непосредственно на подложку. Они застревают между паяными соединениями на печатной плате (PCB) и часто подвергаются механическим нагрузкам, например, при ударе по печатной плате от вибрации или удара. Они также более чувствительны к термическим нагрузкам, чем свинцовые компоненты. Избыточная высота галтели припоя может увеличить эти напряжения и вызвать растрескивание стружки. Из всех влияющих факторов наиболее критичным оказалось механическое воздействие на печатную плату. Причина в том, что силы, вызванные такими видами напряжений, более или менее передаются без демпфирования компонентам через печатную плату и паяные соединения.
Правильно смонтированный и припаянный чип MLCC на печатной плате
Микрофотография сломанной керамики в микросхеме MLCC
Упрощенный рисунок испытания на изгиб для припаянного MLCC
Способность микросхем MLCC выдерживать механические нагрузки проверяется с помощью так называемого испытания подложки на изгиб. Здесь тестовая печатная плата с припаянной микросхемой MLCC между двумя точками опоры сгибается пробойником на длину пути от 1 до 3 мм. Длина пути зависит от требований, исходящих от приложения. Если трещины не появятся, конденсаторы способны выдержать требуемые требования. Трещины обычно обнаруживают по короткому замыканию или изменению значения емкости в отклоненном состоянии.
Прочность на изгиб микросхемы MLCC зависит от свойств керамики, размера кристалла и конструкции конденсаторов. Без каких-либо особых конструктивных особенностей керамические чипы MLCC NP0 / C0G класса 1 достигают типичной прочности на изгиб 2 мм, в то время как более крупные типы керамических чипов X7R, Y5V класса 2 достигают только прочности на изгиб примерно 1 мм. Меньшие чипы, такие как размер 0402, достигаются во всех типах керамики более высоких значений прочности на изгиб.
Благодаря особенностям конструкции, в частности специальной конструкции электродов и выводов, прочность на изгиб может быть улучшена. Например, внутреннее короткое замыкание возникает из-за контакта двух электродов с противоположной полярностью, которое возникает при разрыве керамики в области выводов. Этого можно избежать, если уменьшить перекрывающиеся поверхности электродов. Это достигается, например, разработкой «открытого режима» (OMD). Здесь обрыв в области выводов лишь немного снижает значение емкости (AVX, KEMET).
Стандартный чип MLCC, короткое замыкание возможно, если керамика сломается из-за механического напряжения
Микросхема MLCC «Open-Mode-Design», разрыв только снижает значение емкости
«Конструкция с плавающим электродом» - MLCC, разрыв только снижает значение емкости
«Гибкое соединение» - микросхемы MLCC, гибкий контактный слой предотвращает разрыв керамики.
С аналогичной конструкцией, называемой «плавающий электрод» Конструкция »(FED) или« Многослойные последовательные конденсаторы »(MLSC), также, только уменьшение емкости приводит к поломке частей корпуса конденсатора. Эта конструкция работает с плавающими электродами без какого-либо проводящего соединения с оконечной нагрузкой. приводят к короткому замыканию, только к уменьшению емкости. Однако обе структуры приводят к созданию более крупных конструкций по сравнению со стандартной версией MLCC с тем же значением емкости.
Такой же объем по сравнению со стандартными MLCC достигается за счет введения гибкого интервала Промежуточный слой из проводящего полимера между электродами и заделкой, называемый «гибкими заделками» (FT-Cap) или «мягкими заделками». В этой конструкции жесткое металлическое паяное соединение может перемещаться по гибкому полимерному слою и, таким образом, может поглощать изгибающие усилия, не вызывая разрушения керамики.
Подавляющие конденсаторы являются эффективными компонентами уменьшения помех, поскольку их электрический импеданс уменьшается с увеличением частоты, так что на более высоких частотах они замыкают электрические помехи и переходные процессы между линиями или на землю. Таким образом, они предотвращают посылку и прием электромагнитных и радиочастотных помех, а также переходных процессов в линиях (X конденсаторы) для оборудования и механизмов (включая двигатели, инверторы и электронные балласты, а также демпферы твердотельных реле и искрогасители).) и заземление (Y-конденсаторы). Конденсаторы X эффективно поглощают симметричные, симметричные или дифференциальные помехи. Конденсаторы Y подключаются в байпас линии между фазой линии и точкой нулевого потенциала для поглощения асимметричных, несимметричных или синфазных помех.
Подключение конденсатора класса I для устройства
Подключение конденсатора класса II
Конденсаторы для подавления электромагнитных / радиопомех сконструированы таким образом, чтобы любые оставшиеся помехи или электрические помехи не превышали пределы, указанные в директиве EN 50081 по электромагнитной совместимости. подключаются непосредственно к электросети на срок от 10 до 20 лет и более и поэтому подвержены потенциально опасным перенапряжениям и переходным процессам. По этой причине ограничительные конденсаторы должны соответствовать требованиям безопасности и негорючести международных стандартов безопасности, таких как
Конденсаторы RFI, отвечающие всем указанным требованиям, имеют маркировку знак сертификации различных национальных агентств по стандартам безопасности. Для линий электропередач особые требования предъявляются к негорючести покрытия и эпоксидной смоле, пропитывающей или покрывающей корпус конденсатора. Для получения сертификатов безопасности конденсаторы X и Y, рассчитанные на питание от сети, подвергаются разрушающим испытаниям до момента отказа. Даже при воздействии больших скачков перенапряжения эти конденсаторы с классом безопасности должны выходить из строя отказоустойчивым способом, который не подвергает опасности персонал или имущество.
По состоянию на 2012 год большинство керамических конденсаторов, используемых для подавления электромагнитных / радиопомех, были свинцовыми для монтажа в сквозные отверстия на печатной плате, технология поверхностного монтажа становится все более важной. По этой причине в последние годы многие микросхемы MLCC для подавления EMI / RFI от различных производителей получили одобрения и соответствуют всем требованиям, указанным в применимых стандартах.
высоковольтный керамический конденсатор дверной ручки
силовой керамический конденсатор дискового типа
трубчатый или горшечный керамический конденсатор
Хотя материалы, используемые для больших мощных керамических конденсаторов, в основном очень похожи на материалы, используемые для меньшие, керамические конденсаторы с высокой и очень высокой мощностью или номинальным напряжением для применения в энергосистемах, передатчиках и электрических установках часто классифицируются отдельно по историческим причинам. Стандартизация керамических конденсаторов для более низкой мощности ориентирована на электрические и механические параметры в качестве компонентов для использования в электронном оборудовании. Стандартизация силовых конденсаторов, в отличие от этого, в значительной степени сосредоточена на защите персонала и оборудования, установленном местным регулирующим органом.
Силовые керамические конденсаторы в радиочастотной передающей станции Поскольку современное электронное оборудование получило возможность работать с уровнями мощности, которые ранее были исключительной областью «электрических» компонентов, различие между «электронным» и «электрическим» "рейтинги мощности стали менее четкими. Раньше граница между этими двумя семействами проходила примерно при реактивной мощности 200 вольт-ампер, но современная силовая электроника может справиться с увеличивающейся мощностью.
Силовые керамические конденсаторы в основном рассчитаны на ток намного выше 200 вольт. Высокая пластичность керамического сырья и высокая диэлектрическая прочность керамики позволяют найти решения для многих областей применения и являются причинами огромного разнообразия стилей в семействе силовых керамических конденсаторов. Эти силовые конденсаторы присутствуют на рынке десятилетиями. Они производятся в соответствии с требованиями как силовые керамические конденсаторы класса 1 с высокой стабильностью и низкими потерями или силовые керамические конденсаторы класса 2 с высоким объемным КПД.
Силовые керамические конденсаторы класса 1 используются для резонансного контура в передающих станциях. Силовые керамические конденсаторы класса 2 используются для автоматических выключателей, для распределительных линий, для высоковольтных источников питания в лазерных приложениях, для индукционных печей. и в схемах удвоения напряжения. Силовые керамические конденсаторы могут поставляться с высоким номинальным напряжением в диапазоне от 2 кВ до 100 кВ.
Размеры этих силовых керамических конденсаторов могут быть очень большими. В приложениях с высокой мощностью потери в этих конденсаторах могут выделять много тепла. По этой причине некоторые особые стили силовых керамических конденсаторов имеют трубы для водяного охлаждения.
Последовательная эквивалентная схема керамического конденсатора Все электрические характеристики керамических конденсаторов могут быть определены и указаны с помощью последовательной эквивалентной схемы, составленной из идеализированной емкости и дополнительных электрических компонентов, которые моделируют все потери и индуктивные параметры конденсатора. В этой последовательной эквивалентной схеме электрические характеристики конденсаторов определяются как
Использование последовательной эквивалентной цепи вместо параллельной эквивалентной схемы определено в IEC / EN 60384-1.
«Номинальная емкость» C R или «номинальная емкость» C N - это значение, для которого конденсатор был разработан. Фактическая емкость зависит от частоты измерения и температуры окружающей среды. Стандартными условиями для конденсаторов являются низковольтный метод измерения переменного тока при температуре 20 ° C с частотами
Доступны конденсаторы с разными геометрически возрастающими предпочтительными значениями, как указано в стандартах серии E, указанных в МЭК / EN 60063. По количеству значений на декаду они назывались сериями E3, E6, E12, E24 и т. Д. Единицы, используемые для определения емкости конденсатора, включают в себя все: пикофарад (пФ), нанофарад (нФ), микрофарад (мкФ) и фарад (Ф).
Процент допустимого отклонения емкости от номинального значения называется емкостью допуском. Фактическое значение емкости должно быть в пределах допуска, в противном случае конденсатор не соответствует спецификации. Для сокращенной маркировки в ограниченном пространстве буквенный код для каждого допуска указан в IEC / EN 60062.
| серия E | Допуск | |||
|---|---|---|---|---|
| CR>10 пФ | Буквенный код | CR< 10 pF | Буквенный код | |
| E96 | 1% | F | 0,1 пФ | B |
| E48 | 2% | G | 0,25 пФ | C |
| E24 | 5% | J | 0,5 пФ | D |
| E12 | 10% | K | 1 пФ | F |
| E6 | 20% | M | 2 пФ | G |
| E3 | -20 / + 50% | S | - | - |
| -20 / + 80% | Z | - | - | |
Требуемый допуск емкости определяется конкретным применением. Узкие допуски от E24 до E96 будут использоваться для высококачественных конденсаторов класса 1 в таких схемах, как прецизионные генераторы и таймеры. С другой стороны, для общих применений, таких как некритические схемы фильтрации или связи, для конденсаторов класса 2 достаточно серий допусков от E12 до E3.
Емкость керамических конденсаторов зависит от температуры. Различные диэлектрики многих типов конденсаторов показывают большие различия в температурной зависимости. Температурный коэффициент выражается в частях на миллион (ppm) на градус Цельсия для керамических конденсаторов класса 1 или в процентах (%) от общего диапазона температур для конденсаторов класса 2.
| Тип конденсатора,. диэлектрический материал | Температурный коэффициент. C / C 0 | Применение. диапазон температур |
|---|---|---|
| Керамические конденсаторы класс 1. параэлектрический NP0 | ± 30 ppm / K (± 0,5%) | −55… + 125 ° C |
| Керамические конденсаторы класса 2,. сегнетоэлектрический X7R | >15% | −55… + 125 ° C |
| Керамические конденсаторы класса 2,. сегнетоэлектрики Y5V | + 22% / −82% | −30… + 85 ° C |
Частотная зависимость емкости керамических конденсаторов X7R и Y5V класса 2 (кривая NP0 класса 1 для сравнения) Большинство типов дискретных конденсаторов имеют большие или меньшие изменения емкости с увеличением частоты. Диэлектрическая прочность керамической и пластиковой пленки класса 2 уменьшается с увеличением частоты. Следовательно, их значение емкости уменьшается с увеличением частоты. Это явление связано с диэлектрической релаксацией, в которой постоянная времени электрических диполей является причиной частотной зависимости диэлектрической проницаемости. На графике справа показано типичное частотное поведение конденсаторов класса 2 и конденсаторов класса 1.
Характеристика смещения постоянного тока сегнетоэлектрических керамических материалов Емкость керамических конденсаторов также может изменяться с приложенным напряжением. Этот эффект более распространен в керамических конденсаторах класса 2. Сегнетоэлектрический материал зависит от приложенного напряжения. Чем выше приложенное напряжение, тем ниже диэлектрическая проницаемость. Емкость, измеренная или приложенная с более высоким напряжением, может упасть до значений -80% от значения, измеренного при стандартизированном измерительном напряжении 0,5 или 1,0 В. Такое поведение является небольшим источником нелинейности в фильтрах с низким уровнем искажений и других аналоговых приложениях. В аудиоприложениях это может быть причиной гармонических искажений.
Упрощенная диаграмма изменения емкости в зависимости от приложенного напряжения для конденсаторов на 25 В. из керамики различных марок
Упрощенная диаграмма изменения емкости в зависимости от приложенного напряжения для керамики X7R с различным номинальным напряжением
Зависимость емкости от напряжения на обеих диаграммах выше показывает кривые для керамических конденсаторов с металлизацией NME. Для конденсаторов с металлизацией из BME зависимость емкости от напряжения значительно увеличилась.
Для большинства конденсаторов физически обусловленная диэлектрическая прочность или напряжение пробоя обычно могут быть указаны для каждого диэлектрического материала и толщины.. Это невозможно с керамическими конденсаторами. Напряжение пробоя керамического диэлектрического слоя может варьироваться в зависимости от материала электрода и условий спекания керамики до 10 раз. Для сохранения разброса электрических свойств в современных условиях необходимы высокая степень точности и контроль параметров процесса. очень тонкие керамические слои в заданных пределах.
Доказательство напряжения керамических конденсаторов определяется как номинальное напряжение (UR). Это максимальное постоянное напряжение, которое может непрерывно подаваться на конденсатор до верхнего предела температуры. Эта гарантированная проверка напряжения проверяется в соответствии с напряжениями, указанными в соседней таблице.
Кроме того, при периодических испытаниях на долговечность (испытания на долговечность) доказательство напряжения керамических конденсаторов проверяется повышенным испытательным напряжением (от 120 до 150% от U R) для обеспечения безопасности конструкции.
| Тип | Номинальное напряжение | Испытательное напряжение |
|---|---|---|
| Керамика-. многослойная. микросхема. конденсаторы. (MLCC) | UR≤ 100 В | 2,5 U R |
| 100 В < UR≤ 200 В | 1,5 U R + 100 В | |
| 200 В < UR≤ 500 В | 1,3 U R + 100 В | |
| 500 В < UR | 1,3 U R | |
| Однослойные-. керамические конденсаторы | UR≤ 500 В | 2,5 U R |
| UR>500 В | 1,5 U R + 500 В |
Упрощенная схема последовательного замещения конденсатора для более высоких частот (вверху); векторная диаграмма с электрическими реактивными сопротивлениями X_ESL и X_C, сопротивлением ESR и для иллюстрации импедансом Z и коэффициентом рассеяния tan δ Частотно-зависимое сопротивление конденсатора переменному току называется импедансом 
Импеданс - это мера способности конденсатора пропускать переменные токи. В этом смысле импеданс можно использовать как закон Ома
для вычисления пикового или действующего значения тока или напряжения.
Как показано на схеме последовательного замещения конденсатора, реальный компонент включает в себя идеальный конденсатор 
. Для расчета импеданса
где емкостное реактивное сопротивление (Емкость ) равно
и индуктивное реактивное сопротивление (Индуктивность ) равно
.В частном случае резонанса, в котором оба реактивных сопротивления имеют одинаковое значение (
Типичные кривые импеданса X7R и NP0-MLCC-Chips В технических паспортах керамических конденсаторов указывается только величина импеданса
Суммарные потери в керамических конденсаторах представляют собой омические потери переменного тока. DC потери определяются как «ток утечки » или «сопротивление изоляции» и пренебрежимо малы для спецификации переменного тока. Эти потери переменного тока нелинейны и могут зависеть от частоты, температуры, возраста, а для некоторых специальных типов - от влажности. Потери возникают из-за двух физических условий: потери в линии
Наибольшую долю этих потерь в больших конденсаторах обычно составляют частотно-зависимые омические диэлектрические потери. Что касается стандарта IEC 60384-1, омические потери конденсаторов измеряются на той же частоте, что и для измерения емкости. Это:
Результаты суммарных резистивных потерь конденсатора могут быть указывается либо как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), как коэффициент рассеяния (DF, tan δ), либо как коэффициент качества (Q), в зависимости от применения требования.
Конденсаторы класса 2 в основном указываются с коэффициентом рассеяния, tan δ. Коэффициент рассеяния определяется как тангенс реактивного сопротивления 
Если индуктивность 
Конденсаторы класса 1 с очень низкими потерями указываются с коэффициентом рассеяния и часто с коэффициентом качества (Q). Коэффициент качества определяется как величина, обратная коэффициенту рассеяния.
Q Фактор представляет собой влияние электрического сопротивления и характеризует ширину полосы 
В соответствии с IEC 60384-8 / -21 / -9 / -22 керамические конденсаторы не могут превышать следующие коэффициенты рассеяния:
| Температурный коэффициент. керамики | Максимальный. коэффициент рассеяния |
|---|---|
| 100 ≥ α>−750 | tan δ ≤ 15 • 10 |
| −750 ≥ α>−1500 | tan δ ≤ 20 • 10 |
| −1500 ≥ α>−3300 | tan δ ≤ 30 • 10 |
| −3300 ≥ α>−5600 | tan δ ≤ 40 • 10 |
| ≤ −5600 | tan δ ≤ 50 • 10 |
| Для значений емкости < 50 pF. рассеяние коэффициент может быть больше | |
| Номинальное напряжение. конденсатора | максимальный. коэффициент рассеяния |
|---|---|
| ≥ 10 В | tan δ ≤ 350 • 10 |
| Для значений емкости < 50 pF. коэффициент рассеяния может быть больше | |
Омические потери керамических конденсаторов зависит от частоты, температуры и напряжения. Кроме того, измерения конденсаторов класса 2 изменяются из-за старения. Различные керамические материалы имеют разные потери в диапазоне температур и рабочей частоты. Изменения в конденсаторах класса 1 выражаются в однозначном диапазоне, в то время как у конденсаторов класса 2 изменения намного выше.
Электрический резонанс возникает в керамическом конденсаторе на определенной резонансной частоте, где мнимые части конденсатора импеданс и допуски компенсируют друг друга. Эта частота, когда X C достигает X L, называется собственной резонансной частотой и может быть вычислена с помощью:
где ω = 2πf, где f - резонансная частота в Герцах, L - индуктивность в Генри, и C - емкость в фарадах.
. Чем меньше емкость C и индуктивность L, тем выше резонансная частота. Саморезонансная частота - это самая низкая частота, при которой импеданс проходит через минимум. Для любого применения переменного тока собственная резонансная частота - это самая высокая частота, на которой конденсатор может использоваться в качестве емкостного компонента. На частотах выше резонанса сопротивление снова увеличивается из-за ESL: конденсатор становится индуктором с индуктивностью, равной ESL конденсатора, и сопротивлением, равным ESR на данной частоте.
ESL в промышленных конденсаторах в основном вызывается выводами и внутренними соединениями, используемыми для подключения пластин к внешнему миру. Конденсаторы большего размера имеют тенденцию к более высокому ESL, чем маленькие, потому что расстояния до пластины больше, и каждый миллиметр увеличивает индуктивность.
Керамические конденсаторы, которые доступны в диапазоне очень малых значений емкости (пФ и выше), уже вышли из своих меньших значений емкости, подходящих для более высоких частот до нескольких 100 МГц (см. Формулу выше). Из-за отсутствия выводов и близости к электродам микросхемы MLCC имеют значительно меньшую паразитную индуктивность, чем f. е. выводные типы, что делает их подходящими для высокочастотных приложений. Дальнейшее снижение паразитной индуктивности достигается за счет контакта электродов на продольной стороне чипа, а не на боковой стороне.
Примерные собственные резонансные частоты для одного набора NP0 / C0G и одного набора керамических конденсаторов X7R:
| 10 пФ | 100 пФ | 1 нФ | 10 нФ | 100 нФ | 1 мкФ | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| C0G (класс 1) | 1550 МГц | 460 МГц | 160 МГц | 55 МГц | ||
| X7R (класс 2) | 190 МГц | 56 МГц | 22 МГц | 10 МГц |
Обратите внимание, что у X7R лучше частотная характеристика. C0Gs. Однако это имеет смысл, поскольку конденсаторы класса 2 намного меньше, чем класса 1, поэтому они должны иметь меньшую паразитную индуктивность.
Старение различных керамических конденсаторов класса 2 по сравнению с керамическим конденсатором NP0-класса 1 В сегнетоэлектрических керамических конденсаторах класса 2 со временем уменьшается емкость. Такое поведение называется «старением». Старение происходит в сегнетоэлектрических диэлектриках, где области поляризации в диэлектрике вносят вклад в общую поляризацию. Деградация поляризованных доменов в диэлектрике со временем снижает диэлектрическую проницаемость, так что емкость керамических конденсаторов класса 2 уменьшается по мере старения компонента.
Старение происходит по логарифмическому закону. Этот закон определяет уменьшение емкости в процентах в течение десяти лет после времени восстановления пайки при определенной температуре, например, в период от 1 до 10 часов при 20 ° C. Поскольку закон является логарифмическим, процентная потеря емкости будет в два раза в диапазоне от 1 часа до 100 часов и в 3 раза в диапазоне от 1 часа до 1000 часов и так далее. Таким образом, старение происходит быстрее всего в самом начале, и значение емкости эффективно стабилизируется с течением времени.
Скорость старения конденсаторов класса 2 в основном зависит от используемых материалов. Как показывает практика, чем выше температурная зависимость керамики, тем выше процент старения. Типичное старение керамических конденсаторов X7R составляет около 2,5% за десятилетие. Скорость старения керамических конденсаторов Z5U значительно выше и может достигать 7% за десятилетие.
Процесс старения конденсаторов класса 2 можно обратить вспять, нагревая компонент выше точки Кюри..
Конденсаторы класса 1 не подвержены ферроэлектрическому старению, как конденсаторы класса 2. Но влияние окружающей среды, такое как более высокая температура, высокая влажность и механическое напряжение, может в течение более длительного периода времени привести к небольшому необратимому снижению емкости, иногда также называемому старением. Изменение емкости для конденсаторов P 100 и N 470 класса 1 менее 1%, для конденсаторов из керамики N 750 - N 1500 - ≤ 2%.
Сопротивление диэлектрика никогда не бывает бесконечным, что приводит к некоторому уровню постоянного «тока утечки», который способствует саморазрядке. разряд. Для керамических конденсаторов это сопротивление, включенное параллельно конденсатору в последовательно-эквивалентной схеме конденсаторов, называется «сопротивлением изоляции R ins ». Сопротивление изоляции не следует путать с внешней изоляцией по отношению к окружающей среде.
Скорость саморазряда при уменьшении напряжения конденсатора определяется по формуле
С сохраненным напряжением постоянного тока 
Это означает, что после 
Сопротивление изоляции, указанное в единицах МОм (10 Ом), а также постоянная саморазряда в секундах являются важными параметрами для качества диэлектрической изоляции. Эти значения времени важны, например, когда конденсатор используется в качестве компонента синхронизации для реле или для хранения значения напряжения, как в схемах выборки и хранения или операционных усилителях.
в соответствии с В соответствии с применимыми стандартами керамические конденсаторы Класса 1 имеют R ins ≥ 10000 МОм для конденсаторов с C R ≤ 10 нФ или τ s ≥ 100 с для конденсаторов с C R>10 нФ. Керамические конденсаторы класса 2 имеют R ins ≥ 4000 МОм для конденсаторов с C R ≤ 25 нФ или τ s ≥ 100 с для конденсаторов с C R>25 нФ.
Сопротивление изоляции и, следовательно, время саморазряда зависят от температуры и уменьшаются с повышением температуры примерно на 1 МОм на 60 ° C.
Диэлектрическая абсорбция - это название эффекта, при котором конденсатор, который заряжался в течение длительного времени, разряжается только частично. Хотя идеальный конденсатор остается при нулевом вольт после разряда, реальные конденсаторы будут вырабатывать небольшое напряжение, возникающее из-за дипольного разряда с задержкой по времени, явление, которое также называется диэлектрической релаксацией, «пропиткой» или «действием батареи».
| Тип конденсатора | Диэлектрическая абсорбция |
|---|---|
| керамические конденсаторы класса 1, NP0 | от 0,3 до 0,6% |
| класс -2 керамических конденсатора, X7R | от 2,0 до 2,5% |
Во многих областях применения конденсаторов диэлектрическая абсорбция не является проблемой, но в некоторых случаях, например, при длительной постоянной времени интеграторы, схемы выборки и хранения, аналого-цифровые преобразователи с переключаемыми конденсаторами и фильтры с очень низким уровнем искажений , это важно что конденсатор не восстанавливает остаточный заряд после полной разрядки, и указаны конденсаторы с низким поглощением. Напряжение на выводах, генерируемое диэлектрической абсорбцией, в некоторых случаях может вызвать проблемы в работе электронной схемы или может представлять опасность для персонала. Чтобы предотвратить удары, большинство очень больших конденсаторов, таких как силовые конденсаторы, поставляются с закорачивающими проводами, которые удаляются перед использованием.
Все керамические конденсаторы класса 2, в которых используется сегнетоэлектрическая керамика, демонстрируют пьезоэлектричество., и пьезоэлектрический эффект, называемый микрофоном, микрофоном или в звуковых приложениях визг. Микрофония описывает явление, при котором электронные компоненты преобразуют механические колебания в электрический сигнал, который во многих случаях является нежелательным шумом. Чтобы избежать этого эффекта, в чувствительных электронных предусилителях обычно используются керамические и пленочные конденсаторы класса 1.
В обратном микрофоническом эффекте переменное электрическое поле между пластинами конденсатора создает физическую силу, перемещая их как динамик. Сильноточные импульсные нагрузки или большие токи пульсации могут генерировать слышимый акустический звук, исходящий от конденсатора, но разряжает конденсатор и вызывает напряжение диэлектрика.
Электрические параметры керамических конденсаторов могут изменяться из-за к напряжению пайки. Тепло ванны с припоем, особенно для SMD-стилей, может вызвать изменение контактного сопротивления между выводами и электродами. Для сегнетоэлектрических керамических конденсаторов класса 2 температура пайки выше точки Кюри. Поляризованные домены в диэлектрике возвращаются, и процесс старения керамических конденсаторов класса 2 начинается снова.
Следовательно, после пайки необходимо время восстановления около 24 часов. После восстановления некоторые электрические параметры, такие как значение емкости, ESR, токи утечки, необратимо изменяются. Изменения находятся в нижнем процентном диапазоне в зависимости от типа конденсатора.
Стандартизация всех электрических, электронных компонентов и связанных технологий следует правилам, установленным Международная электротехническая комиссия (IEC), некоммерческая, негосударственная международная организация по стандартизации.
Определение характеристик и процедура методов испытаний для конденсаторы для использования в электронном оборудовании указаны в общей спецификации:
Испытания и требования, которые необходимо выполнить керамическими конденсаторами для использования в электронном оборудовании для утверждения в качестве стандартизованных типов изложены в следующих спецификациях:
Многослойные керамические конденсаторы все чаще используются для замены танталовые и алюминиевые электролитические конденсаторы с низкой емкостью в таких приложениях, как байпасные или высокочастотные импульсные источники питания, поскольку их стоимость, надежность и размер становятся конкурентоспособными. Во многих случаях их низкое ESR позволяет использовать более низкое значение номинальной емкости.
Особенности и недостатки керамических конденсаторов см. В основной статье Типы конденсаторов № конденсатора Сравнение характеристик конденсатора
Если позволяет место, керамические конденсаторы, как и большинство других электронных компонентов, имеют нанесенную маркировку с указанием производителя, типа, их электрических и тепловых характеристик. характеристики и дата их изготовления. В идеальном случае, если они достаточно большие, конденсатор будет иметь маркировку:
Конденсаторы меньшего размера используют сокращенное обозначение, чтобы отображать всю необходимую информацию в ограниченном пространстве. Наиболее часто используемый формат: XYZ J / K / M VOLTS V, где XYZ представляет собой емкость (рассчитанную как XY × 10 пФ), буквы J, K или M указывают допуск (± 5%, ± 10% и ± 20% соответственно), а VOLTS V представляет рабочее напряжение.
Емкость, допуск и дату изготовления можно идентифицировать с помощью короткого кода в соответствии с IEC / EN 60062. Примеры краткой маркировки номинальной емкости (микрофарад):
Часто печатается дата изготовления в соответствии с международными стандартами.
Код года: " R "= 2003," S "= 2004," T "= 2005," U "= 2006," V "= 2007," W "= 2008," X "= 2009," A "= 2010," B " = 2011, «C» = 2012, «D» = 2013 и т. Д.
Код месяца: от «1» до «9» = с января по сентябрь, «O» = октябрь, «N» = ноябрь., «D» = декабрь
«X5» означает «2009, май»
Для очень маленьких конденсаторов, таких как микросхемы MLCC, маркировка невозможна. Здесь только отслеживание производителей может гарантировать идентификацию типа.
Идентификация современных конденсаторов не имеет подробной цветовой кодировки.
Обзор действующих производителей по всему миру и их ассортимента продукции По состоянию на 2012 год приведен в следующей таблице:
| Производитель | Ассортимент продукции | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| MLCC. <1 kV | MLCC. ≥ 1 кВ | Выводы. конденсаторы | RFI / EMI. подавление. конденсаторы | Проходные. конденсаторы | Силовые. конденсаторы | |
| Apex Intec | X | – | X | X | – | – |
| AVX / Kyocera Ltd., ATC, American Technical Ceramics | X | X | X | X | X | X |
| Cosonic Enterprise | X | X | X | X | – | – |
| Dearborne | – | – | – | – | – | X |
| Dover Technologies (CMP) Novacap, Syfer) | X | X | X | X | X | – |
| Dubilier | X | X | X | X | X | – |
| HolyStone HEC | X | X | X | X | X | – |
| Hua Feng Electronics (CINETECH) | X | X | – | – | – | – |
| Johanson Dielectrics Inc. | X | X | X | X | – | – |
| KEKON | X | X | X | X | X | X |
| KEMET Corporation, Arcotronics, Evox Rifa | X | X | X | X | – | X |
| KOA Corporation Speer Electronics, Inc. | X | – | X | – | X | – |
| Morgan Electro Ceramics | – | – | X | – | – | X |
| Murata Manufacturing Co. Ltd. | X | X | X | X | X | X |
| NIC | X | X | X | X | – | – |
| NCC, Europe Chemi-Con | X | X | X | – | – | – |
| Passive Plus, Inc. | X | X | X | X | – | – |
| Presidio Components, Inc. | X | X | X | – | – | X |
| Prosperity Dielectrics Co. (PDC) | X | X | – | X | – | – |
| Samsung Electro- Механика Ко. Ltd. | X | X | – | – | X | – |
| Samwha Capacitor Group | X | X | X | – | X | – |
| Taiyo Yuden | X | – | – | – | – | – |
| TDK (TDK Corporation) | X | X | X | X | X | X |
| Tecate Group | X | X | X | X | – | – |
| Tusonix | – | X | X | X | X | – |
| Union Technology Corporation (UTC) | X | X | X | X | X | – |
| Vishay Intertechnology Inc., Vitramon, CeraMite | X | X | X | X | – | X |
| Walsin Technology | X | X | X | X | – | – |
| X | X | – | X | – | – | |
| Yageo, Phycomp | X | – | – | – | – | – |
| Yuetone | X | – | X | X | – | – |
