一、陶瓷電容器的由來

 

1900年意大利L.隆巴迪發明陶瓷介質電容器。30年代末人們發現在陶瓷中添加鈦酸鹽可使介電常數成倍增長,因而製造出較便宜的瓷介質電容器。

 

1940年前後人們發現了現在的陶瓷電容器的主要原材料BaTiO3(鈦酸鋇)具有絕緣性後，開始將陶瓷電容器使用於對既小型、精度要求又極高的軍事用電子設備當中。

 

而陶瓷疊片電容器於1960年左右作為商品開始開發。到了1970年，隨著混合IC
、計算機、以(yi)及(ji)便(bian)攜(xie)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)進(jin)步(bu)也(ye)隨(sui)之(zhi)迅(xun)速(su)的(de)發(fa)展(zhan)起(qi)來(lai)，成(cheng)為(wei)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)中(zhong)不(bu)可(ke)缺(que)少(shao)的(de)零(ling)部(bu)件(jian)。現(xian)在(zai)的(de)陶(tao)瓷(ci)介(jie)質(zhi)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)全(quan)部(bu)數(shu)量(liang)約(yue)占(zhan)電(dian)容(rong)器(qi)市(shi)場(chang)的(de)70%左右。

 

陶瓷介質電容器的絕緣體材料主要使用陶瓷，其基本構造是將陶瓷和內部電極交相重疊。

 

陶瓷材料有幾個種類
，自從考慮電子產品無害化特別是無鉛化後
，高介電係數的PB(鉛)退出陶瓷電容器領域
，現在主要使用TiO2(二氧化鈦)
、BaTiO3,CaZrO3(鋯酸鈣)等。和其它的電容器相比具有體積小、容量大、耐熱性好、適合批量生產、價格低等優點。

 

由於原材料豐富，結構簡單，價格低廉，而且電容量範圍較寬(一般有幾個PF到上百μF)

，損耗較小
，電容量溫度係數可根據要求在很大範圍內調整。

 

陶瓷電容器品種繁多，外形尺寸相差甚大從0402(約1×0.5mm)封裝的貼片電容器到大型的功率陶瓷電容器。

 

按使用的介質材料特性可分為Ⅰ型、Ⅱ型和半導體陶瓷電容器;按無功功率大小可分為低功率、高功率陶瓷電容器;按工作電壓可分為低壓和高壓陶瓷電容器;按結構形狀可分為圓片形、管型
、鼓形、瓶形、筒形、板形、疊片
、獨石
、塊狀、支柱式、穿心式等。

 

二、陶瓷電容器的分類

 

陶瓷電容器從介質類型主要可以分為兩類，即Ⅰ類陶瓷電容器和Ⅱ類陶瓷電容器。

Ⅰ類陶瓷電容器(ClassⅠceramiccapacitor)，過去稱高頻陶瓷電容器(High-freqencyceramiccapacitor)
，是指用介質損耗小
、絕緣電阻高、jiedianchangshusuiwenduchengxianxingbianhuadetaocijiezhizhizaodedianrongqi。tatebieshiyongyuxiezhenhuilu，yijiqitayaoqiusunhaoxiaohedianrongliangwendingdedianlu，huoyongyuwendubuchang。

 

Ⅱ類陶瓷電容器(ClassⅡceramiccapacitor)過去稱為為低頻陶瓷電容器(Lowfrequencycermiccapacitor)，zhiyongtiediantaocizuojiezhidedianrongqi


，yinciyechengtiediantaocidianrongqi。zheleidianrongqidebidianrongda，dianrongliangsuiwenduchengfeixianxingbianhua，sunhaojiaoda，changzaidianzishebeizhongyongyupanglu、耦合或用於其它對損耗和電容量穩定性要求不高的電路中。

 

Ⅰ類陶瓷電容器

 

按美國電工協會(EIA)標準為C0G(是數字0，不是字母O，有些文獻筆誤為COG)或NP0(是數字0，不是字母O
，有些文獻筆誤為NPO)以及我國標準的CC係列等型號的陶瓷介質(溫度係數為0±30PPM/℃)。

 

這種介質極其穩定，溫度係數極低，而且不會出現老化現象，損耗因數不受電壓、頻率
、溫度和時間的影響
，介電係數可以達到400，介電強度相對高。

 

這種介質非常適用於高頻(特別是工業高頻感應加熱的高頻功率振蕩、高頻無線發射等應用的高頻功率電容器)、超高頻和對電容量、穩定性有嚴格要求定時、振蕩電路的工作環境。

 

這種介質電容器唯一的缺點是電容量不能做得很大(由於介電係數相對小)
，通常1206表麵貼裝C0G介質電容器的電容量從0.5PF~0.01μF。

 

Ⅱ類陶瓷電容器

 

Ⅱ類的穩定級陶瓷介質材料如美國電工協會(EIA)標準的X7R
、X5R以及我國標準的CT係列等型號的陶瓷介質(溫度係數為±15.0%)。

 

這種介質的介電係數隨溫度變化較大
，不適用於定時、振蕩等對溫度係數要求高的場合
，但由於其介電係數可以做得很大(可以達到1200)，因而電容量可以做得比較大，適用於對工作環境溫度要求較高(X7R：-55~+125℃)的耦合、旁路和濾波。

 

通常1206的SMD封裝的電容量可以達到10μF或在再高一些;

 

II類的可用級陶瓷介質材料如美國電工協會(EIA)標準的Z5U
、Y5V以及我國標準的CT係列的低檔產品型號等陶瓷介質(溫度係數為Z5U的+22%，-56%和Y5V的+22%
，-82%)。

 

這種介質的介電係數隨溫度變化較大，不適用於定時、振蕩等對溫度係數要求高的場合
，但由於其介電係數可以做得很大(可以達到1000~12000)，因而電容量可以做得比更大
，適用於一般工作環境溫度要求(-25~+85℃)的耦合、旁路和濾波。

 

通常1206表麵貼裝Z5U
、Y5V介質電容器量甚至可以達到100μF，在某種意義上是取代鉭電解電容器的有力競爭對手。

 

三
、陶瓷電容器的溫度特性

 

應用陶瓷電容器首先要注意的就是其溫度特性;

 

不同材料的陶瓷介質，其溫度特性有極大的差異。

 

第一類陶瓷介質電容器的溫度性質

 

根據美國標準EIA-198-D，在用字母或數字表示陶瓷電容器的溫度性質有三部分：第一部分為(例如字母C)溫度係數α的有效數字;第二位部分有效數字的倍乘(如0即為100);第三部分為隨溫度變化的容差(以ppm/℃表示)。

 

這三部分的字母與數字所表達的意義如表。

 

 

例如，C0G(有時也稱為NP0)表示為：第一位字母C為溫度係數的有效數字為0，第二位數字0為有效溫度係數的倍乘為100=1，第三位字母G為隨溫度變化的容差為±30ppm/℃，即0±30ppm/℃。

 

C0H分別表示為：第一位字母C為溫度係數的有效數字為0，第二位數字0為有效溫度係數的倍乘為100=1，第三位字母H為隨溫度變化的容差為±60ppm/℃
，即0±60ppm/℃。

 

S2H則分別表示為：第一位字母S為溫度係數的有效數字為3.3，第二位數字2為有效溫度係數的倍乘為102=100，第三位字母H為隨溫度變化的容差為±60ppm/℃，即-330±60ppm/℃

 

第一類陶瓷電容器的電容量幾乎不隨溫度變化，下麵以C0G介質為例。

 

C0G介質的變化量僅0±30ppm/℃
，實際上C0G的電容量隨溫度變化小於0±30ppm/℃，大約為0±30ppm/℃的一半

 

 

第二類陶瓷介質電容器的溫度性質

 

根據美國標準EIA-198-D，在用字母或數字表示陶瓷電容器的溫度性質有三部分：第一部分為(例如字母X)最低工作溫度;第二位部分有效數字為最高工作溫度;第三部分為隨溫度變化的容差(以ppm/℃表示)。

 

這三部分的字母與數字所表達的意義如表。

 

 

常見的Ⅱ類陶瓷電容器有：X7R、X5R

、Y5V、Z5U

 

其中：X7R表示為：第一位X為最低工作溫度-55℃，第二位的數字7位最高工作溫度+125℃，第三位字母R為隨溫度變化的容值偏差±15%;

 

X5R表示為：第一位X為最低工作溫度-55℃，第二位的數字5位最高工作溫度+85℃，第三位字母R為隨溫度變化的容值偏差±15%;

 

Y5V表示為：第一位Y為最低工作溫度-30℃，第二位的數字5位最高工作溫度+85℃
，第三位字母V為隨溫度變化的容值偏差+22%

，-82%±15%。

 

Z5U表示為：第一位Z為最低工作溫度+10℃
，第二位的數字5位最高工作溫度+85℃，第三位字母U為隨溫度變化的容值偏差+22%，-56%
，

 

四
、陶瓷電容器的阻抗頻率特性

 

第一類介質的陶瓷電容器的ESR隨頻率而上升，如圖：

 

 

陶瓷電容器的ESR頻率特性：

 

 

第一類介質的陶瓷電容器阻抗頻率特性：

 

 

第二類陶瓷電容器的阻抗頻率特性：

 

 

陶瓷電容器的損耗因數與頻率的關係：

 

 

陶瓷電容器的阻抗頻率特性：

 

 

陶瓷電容器的絕緣電阻與溫度的關係：

 

 

損耗因數與溫度的關係：

 

 

五、電容量與直流偏置電壓的關係

 

第一類介質電容器的電容量與直流偏置電壓無關。

 

第二類介質電容器的電容量隨直流偏置電壓變化
，如圖。

 

 

Y5V介質電容器的電容量隨直流偏置電壓變化非常大，從無偏置時的100%電容量下降到額定電壓下的直流偏置電壓時得不到額定電容量的25%
，也就是說10μF的電容量在額定電壓時僅為不到2.5μF!

 

在高溫時由於電容量已經下降到很低
，所以這時的電容量隨直流偏置電壓的變化不大。

 

X7R介質電容器的電容量隨直流偏置電壓變化雖比較大
，但是比Y5V好得多。

 

六、陶瓷電容器所允許加載的交流電壓與電流同頻率的關係

 

主要受電容器的ESR影響;

 

相對而言

，C0G的ESR比較低
，故可以承受比較大的電流

，相應的所允許施加的交流電壓相對比較大;

 

X7R、X5R
、Y5V、Z5U則ESR相對比較大
，可承受比C0G要小

，與此同時
，由於電容量遠大於C0G，故所施加的電壓將遠小於C0G。

 

第一類介質電容器的允許電壓
、電流與頻率的關係：

 

 

七
、第一類介質電容器的允許電壓
、電流與頻率的解讀

 

當dang加jia載zai頻pin率lv相xiang對dui較jiao低di時shi，即ji使shi加jia載zai交jiao流liu電dian壓ya為wei額e定ding交jiao流liu電dian壓ya時shi，流liu過guo電dian容rong器qi的de電dian流liu低di於yu額e定ding電dian流liu時shi
，電dian容rong器qi允yun許xu加jia載zai額e定ding交jiao流liu電dian壓ya
，即ji左zuo圖tu的de平ping直zhi部bu分fen;

 

當dang加jia載zai頻pin率lv升sheng高gao到dao即ji使shi加jia載zai電dian壓ya沒mei有you達da到dao交jiao流liu額e定ding電dian壓ya時shi的de電dian容rong器qi中zhong流liu過guo的de交jiao流liu電dian流liu已yi達da到dao額e定ding電dian流liu值zhi，這zhe是shi需xu要yao降jiang低di電dian容rong器qi的de加jia載zai交jiao流liu電dian壓ya
，以yi保bao證zheng流liu過guo電dian容rong器qi的de電dian流liu不bu超chao過guo額e定ding電dian流liu值zhi，即ji左zuo圖tu的de曲qu線xian開kai始shi下xia降jiang部bu分fen;

 

而(er)加(jia)載(zai)頻(pin)率(lv)繼(ji)續(xu)上(shang)升(sheng)，電(dian)容(rong)器(qi)的(de)損(sun)耗(hao)因(yin)數(shu)而(er)導(dao)致(zhi)的(de)發(fa)熱(re)則(ze)成(cheng)為(wei)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)加(jia)載(zai)電(dian)壓(ya)的(de)主(zhu)要(yao)限(xian)製(zhi)因(yin)素(su)

，這(zhe)是(shi)加(jia)載(zai)電(dian)壓(ya)將(jiang)隨(sui)頻(pin)率(lv)的(de)上(shang)升(sheng)而(er)急(ji)劇(ju)下(xia)降(jiang)，即(ji)中(zhong)左(zuo)圖(tu)的(de)曲(qu)線(xian)急(ji)劇(ju)下(xia)降(jiang)部(bu)分(fen)。

 

yujiazaijiaoliudianyazhengxiangfan，dianrongqijiazaidejiaoliudianliuzaipinlvjiaodishijishidianliumeiyoudadaoedingdianliu，dandianrongqishangdejiaoliudianyayidadaoqiedingzhi
，zheshijiazaidejiaoliudianliushoudianrongqideedingdianyaxianzhi
，texingweijiazaijiaoliudianliusuipinlvdezengjiaershangsheng，rutuyoutuzhongdedianliusuipinlvzengjiaershangshengdenabufenquxian。

 

dangjiazaipinlvshangshengdaojishidianrongqishangdejiaoliudianyameidadaoedingdianyashijiazaidejiaoliudianliuyijingdadaoedingdianliuzhizheshijiazaijiaoliudianliuxubaochizaibugaoyuedingdianliuzhi。

 

入夥電容器的損耗因素造成的發熱開始起比較明顯的作用，則加載電流必須降額
，如圖的右圖中電流隨頻率上升而下降的那部分曲線。

 

第二類介質陶瓷電容器由於電容量相對第一類介質電容器大得多，對於用於濾波的μF級的陶瓷電容器通常的加載交流電壓在1V以下
，不可能加載到額定交流電壓值。

 

因此第二類介質電容器大多討論所允許加載的紋波電流電流。

 

 

貼片陶瓷電容器的尺寸與耗散功率：

 

 

八、貼片電容失效原因和解決辦法

 

貼片電容(多層片式陶瓷電容器)是目前用量比較大的常用元件
，生產的貼片電容來講有NPO、X7R、Z5U、Y5V等不同的規格，不同的規格有不同的用途。

 

zaishiyongguochengzhongwomenyejingchanghuiyudaogezhonggeyangdewenti，daigeiwomenbuxiaodeyingxiang
，xiamianzhuyaozhenduideshitiepiandianrongshixiaodeqingxing，fenxiqichanshengdeyuanyinyijiduiciyingduidebanfa，xiwangnenggoubangzhudaodajianenggougengjiakuaisuyouxiaodejiejuezheleidewenti。

 

貼片陶瓷電容最主要的失效模式斷裂

 

貼片陶瓷電容器作常見的失效是斷裂，這是貼片陶瓷電容器自身介質的脆性決定的。

 

由you於yu貼tie片pian陶tao瓷ci電dian容rong器qi直zhi接jie焊han接jie在zai電dian路lu板ban上shang，直zhi接jie承cheng受shou來lai自zi於yu電dian路lu板ban的de各ge種zhong機ji械xie應ying力li，而er引yin線xian式shi陶tao瓷ci電dian容rong器qi則ze可ke以yi通tong過guo引yin腳jiao吸xi收shou來lai自zi電dian路lu板ban的de機ji械xie應ying力li。

 

因此


，對於貼片陶瓷電容器來說
，由於熱膨脹係數不同或電路板彎曲所造成的機械應力將是貼片陶瓷電容器斷裂的最主要因素。

 

陶瓷貼片電容器的斷裂陶瓷貼片，電容器受到機械力後斷裂的示意如下圖：

 

 

陶(tao)瓷(ci)貼(tie)片(pian)電(dian)容(rong)器(qi)機(ji)械(xie)斷(duan)裂(lie)後(hou)，斷(duan)裂(lie)處(chu)的(de)電(dian)極(ji)絕(jue)緣(yuan)間(jian)距(ju)將(jiang)低(di)於(yu)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)，會(hui)導(dao)致(zhi)兩(liang)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)弧(hu)放(fang)電(dian)而(er)徹(che)底(di)損(sun)壞(huai)陶(tao)瓷(ci)貼(tie)片(pian)電(dian)容(rong)器(qi)。

 

機械斷裂後，由於電極間放電的陶瓷貼片電容器剖麵，顯微結構如下圖：

 

 

對於陶瓷貼片電容器機械斷裂的防止方法主要有：盡可能的減少電路板的彎曲
、減小陶瓷貼片電容器在電路板上的應力


、減小陶瓷貼片電容器與電路板的熱膨脹係數的差異而引起的機械應力。

 

 

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