片式多层陶瓷电容器MLCC

片式多层陶瓷电容器MLCC

多层陶瓷电容器MLCC是英文字母Multi-Layer Ceramic Capacitor的首写字母。在英文表达中又有Chip Monolithic Ceramic Capacitor。两种表达都是以此类电容器外形和内部结构特点进行，也就是内部多层、整体独石(单独细小的石头)的结构，独石电容包括多层陶瓷电容器、圆片陶瓷电容器等，由于元件小型化、贴片化的飞速发展，常规圆片陶瓷电容器逐步被多层陶瓷电容器取代，人们把多层陶瓷电容器简称为独石电容或贴片电容。

片式多层陶瓷电容器(Multi-layer Ceramic Capacitor 简称MLCC)是电子整机中主要的被动贴片元件之一，它诞生于上世纪60年代，最先由美国公司研制成功，后来在日本公司(如村田Murata、TDK、太阳诱电等)迅速发展及产业化，至今依然在全球MLCC领域保持优势，主要表现为生产出MLCC具有高可靠、高精度、高集成、高频率、智能化、低功耗、大容量、小型化和低成本等特点。

(片式多层陶瓷电容器，独石电容，片式电容，贴片电容) MLCC —简称片式电容器，是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极），从而形成一个类似独石的结构体，故也叫独石电容器。

MLCC除有电容器“隔直通交”的通性特点外，其还有体积小，比容大，寿命长，可靠性高，适合表面安装等特点。?随着世界电子行业的飞速发展，作为电子行业的基础元件，片式电容器也以惊人的速度向前发展，?每年以10%～15%的速度递增。目前，世界片式电容的需求量在2000亿支以上，70%出自日本（如MLCC大厂村田muRata），其次是欧美和东南亚（含中国）。随着片容产品可靠性和集成度的提高，其使用的范围越来越广，?广泛地应用于各种军民用电子整机和电子设备。如电脑、电话、程控交换机、精密的测试仪器、雷达通信等。

简单的平行板电容器的基本结构是由一个绝缘的中间介质层加外两个导电的金属电极，基本结构如下：

下图-(片式多层陶瓷电容器，独石电容，片式电容，贴片电容) MLCC实物结构图

为了满足电子整机不断向小型化、大容量化、?高可靠性和低成本的方向发展。MLCC 也随之迅速向前发展：种类不断增加，?体积不断缩小，性能不断提高，技术不断进步，材料不断更新，?轻薄短小系列产品已趋向于标准化和通用化。?其应用逐步由消费类设备向投资类设备渗透和发展。移动通信设备更是大量采用片式元件。

(片式多层陶瓷电容器，独石电容，片式电容，贴片电容) MLCC具有容量大，体积小，容易片式化等特点，?是当今通讯器材、计算机板卡及家电遥控器及中使用最多的元件之一。随着SMT的迅速发展，其用量越来越大，仅每部流动电话中的用量就达200个之多。因此，片式多层瓷介电容器(片式电容)MLCC 2002年全球量达4000亿只，最小尺寸为?0402 ，甚至0201。

随着世界电子信息产业的迅速发展，MLCC的发展方向呈现多元化：

1.为了适应便携式通信工具的需求，片式多层电容器也正在向低压大容量、超小超薄的方向发展。

2.为了适应某些电子整机和电子设备向大功率高耐压的方向发展（军用通信设备居多），?高耐压大电流、大功率、超高Q值低ESR型的中高压片式电容器也是目前的一个

重要的发展方向。

3.为了适应线路高度集成化的要求，多功能复合片式电容器（LTCC）正成为技术研究热点。

1.材料技术(陶瓷粉料的制备)

现在MLCC用陶瓷粉料主要分为三大类(Y5V、X7R和COG)。其中X7R材料是各国竞争最激烈的规格，也是市场需求、电子整机用量最大的品种之一，其制造原理是基于纳米级的钛酸钡陶瓷料(BaTiO3)改性。日本厂家（如村田muRata）根据大容量(10μF以上)的需求，在D50为100纳米的湿法BaTiO3基础上添加稀土金属氧化物改性，制造成高可靠性

的X7R陶瓷粉料，最终制作出10μF-100μF小尺寸(如0402、0201等)MLCC。国内厂家则在D50为300-500纳米的BaTiO3基础上添加稀土金属氧化物改性制作X7R陶瓷粉料，跟国外先进粉体技术还有一段差距。

2.叠层印刷技术(多层介质薄膜叠层印刷)

如何在0805、0603、0402等小尺寸基础上制造更高电容值的MLCC一直是MLCC

业界的重要课题之一，近几年随着材料、工艺和设备水平的不断改进提高，日本公司已在

2μm的薄膜介质上叠1000层工艺实践，生产出单层介质厚度为1μm的100μFMLCC，它

具有比片式钽电容器更低的ESR值，工作温度更宽(-55℃-125℃)。代表国内MLCC制作最高水平的风华高科公司能够完成流延成3μm厚的薄膜介质，烧结成瓷后2μm厚介质的MLCC，与国外先进的叠层印刷技术还有一定差距。当然除了具备可以用于多层介质薄膜叠层印刷的粉料之外，设备的自动化程度、精度还有待提高。

3.共烧技术(陶瓷粉料和金属电极共烧)

MLCC元件结构很简单，由陶瓷介质、内电极金属层和外电极三层金属层构成。MLCC 是由多层陶瓷介质印刷内电极浆料，叠合共烧而成。为此，不可避免地要解决不同收缩率的陶瓷介质和内电极金属如何在高温烧成后不会分层、开裂，即陶瓷粉料和金属电极共烧问题。共烧技术就是解决这一难题的关键技术，掌握好的共烧技术可以生产出更薄介质(2μm以下)、更高层数(1000层以上)的MLCC。当前日本公司在MLCC烧结专用设备技术方面领先于其它各国，不仅有各式氮气氛窑炉(钟罩炉和隧道炉)，而且在设备自动化、精度方面有明显的优势。

片式多层陶瓷电容器，独石电容，片式电容，贴片电容) MLCC的优点：

1.由于使用多层介质叠加的结构，高频时电感非常低，具有非常低的等效串联电阻，因此可以使用在高频和甚高频电路滤波无对手.

2.无极性，可以使用在存在非常高的纹波电路或交流电路.

3.使用在低阻抗电路不需要大幅度降额.

4.击穿时不燃烧爆炸，安全性高.

随着表面贴装技术(SMT)及便携式电子产品迅猛发展，近年来开发出各种尺寸小、性能好的贴片式元器件(SMD)，贴片式多层陶瓷电容器(MLCC)就是十分出色的贴片式元件之一。由于它有极好的性能、多种不同的品种、规格齐全、尺寸小、价格便宜，并且有可能取代铝电解电容器及钽电解电容器等特点，得到极其广泛的应用。目前，全球生产MLCC最大的厂商是日本的村田muRata公司。

MLCC的主要特点：

1.等效串联电阻(ESR)小，阻抗(Z)低

上图是在额定电压和电容量相同的情况下，钽电解电容器与Y5V(III类)MLCC在不同频率下的ESR的比较：在0.1～10MHz范围内，MLCC的ESR要比钽电解电容器小几十倍。

上图是4.7μF的MLCC，47μF的铝电解电容器及10μF的钽电解电容器在不同频率时的阻抗(Z)比较。从图中可以看出在0.1～10MHz范围内，4.7μF的MLCC远比10倍容量的铝电解电容器及2倍以上容量的钽电解电容器阻抗要小得多。因此，在高频工作条件下，它有可能取代尺寸大或价格高的铝电解电容器或钽电解电容器，并有更好的性能。

2.额定纹波电流大

电容器的一个重要功能是用做平滑滤波器，因此额定纹波电流大小是一个重要性能指标。在设计滤波电路中，电容器的额定纹波电流要大于电路的最大纹波电流。由于MLCC 的ESR小，因此它的额定纹波电流大。这里举一个实例来说明。1500μF/25V的铝电解电容器的额定纹波电流(100kHz、105℃)为1.95A，而THC系列15μF/25V的MLCC的额定纹波电流是2A(电容量要差100倍)。这是因为MLCC在100kHz时的ESR小于0.01Ω，大电流的充、放电不会使电容器因过热而损坏。

3.品种、规格齐全

MLCC的品种、规格齐全。有耐高压系列(500～5000V)、EMI滤波系列、低阻抗系列、有高精度调谐系列(RF频段)及多个电容器阵列，适合各方面应用。

4.尺寸小(耐压10V)

MLCC中0402尺寸的电容器的容量可达0.047μF(X5R)、0.1μF(Y5V)，0603尺寸的可达1μF(Y5V)，0805尺寸的可达2.2μF(Y5V)。这对便携产品节省空间具有很大意义，而且10V的耐压也很适合便携应用。

5.无极性

由于无极性，其装配更为方便。

1. 容量与误差：实际电容量和标称电容量允许的最大偏差范围。一般使用的容量误差有：J 级±5%，K级±10%，M级±20%。精密电容器的允许误差较小，而电解电容器的误差较大，它们采用不同的误差等级。

常用的电容器其精度等级和电阻器的表示方法相同。用字母表示：D级—±0.5%；F级—±1%；G级—±2%；J级—±5%；K级—±10%；M级—±20%。

2. 额定工作电压：电容器在电路中能够长期稳定、可靠工作，所承受的最大直流电压，又称耐压。对于结构、介质、容量相同的器件，耐压越高，体积越大。

3. 温度系数：在一定温度范围内，温度每变化1℃，电容量的相对变化值。温度系数越小越好。

4. 绝缘电阻：用来表明漏电大小的。一般小容量的电容，绝缘电阻很大，在几百兆欧姆或几千兆欧姆。电解电容的绝缘电阻一般较小。相对而言，绝缘电阻越大越好，漏电也小。

5. 损耗：在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量。这些损耗主要来自介质损耗和金属损耗，通常用损耗角正切值来表示。

6. 频率特性：电容器的电参数随电场频率而变化的性质。在高频条件下工作的电容器，由于介电常数在高频时比低频时小，电容量也相应减小。损耗也随频率的升高而增加。另外，在高频工作时，电容器的分布参数，如极片电阻、引线和极片间的电阻、极片的自身电感、引线电感等，都会影响电容器的性能。所有这些，使得电容器的使用频率受到限制。

不同材质电容器，最高使用频率不同。COG(NPO)材质特性温度频率稳定性最好，X7R次之，Y5V(Z5U)最差。

A.电容量

电容器的基本特性是能够储存电荷(Q)，而Q值与电容量(C)和外加电压(V)成正比。

Q = CV

因此充电电流被定义为：

= dQ/dt = CdV/dt

当外加在电容器上的电压为1伏特，充电电流为1安培，充电时间为1秒时，我们将电容量定义为1法拉。

C = Q/V = 库仑/伏特= 法拉

由于法拉是一个很大的测量单位，在实际使用中很难达到，因此通常采用的是法拉的分数，即：

皮法(pF) = 10-12F

纳法(nF) = 10-9F

微法(mF)= 10-6F

B.电容量影响因素

对于任何给定的电压，单层电容器的电容量正比于器件的几何尺寸和介电常数：

C = KA/f(t)

K = 介电常数

A = 电极面积

t = 介质层厚度

f = 换算因子

在英制单位体系中，f = 4.452，尺寸A和t的单位用英寸，电容量用皮法表示。单层电容器为例，电极面积1.0×1.0″，介质层厚度0.56″，介电常数2500，C =

2500(1.0)(1.0)/4.452(0.56)= 10027 pF

如果采用公制体系，换算因子f = 11.31，尺寸单位改为cm，C =

2500(2.54)(2.54)/11.31(0.1422)= 10028 pF

正如前面讨论的电容量与几何尺寸关系，增大电极面积和减小介质层厚度均可获得更大的电容量。然而，对于单层电容器来说，无休止地增大电极面积或减小介质层厚度是不切实际的。因此，平行列阵迭片电容器的概念被提出，用以制造具有更大比体积电容的完整器件。

在这种“多层”结构中，由于多层电极的平行排列以及在相对电极间的介质层非常薄，电极面积A得以大大增加，因此电容量C会随着因子N(介质层数)的增加和介质层厚度t’的减小而增大。这里A’指的是交迭电极的重合面积。

C = KA’N/4.452(t’)

以前在1.0×1.0×0.56″的单片电容器上所获得的容量，现在如果采用相同的介质材料，以厚度为0.001″的30层介质相迭加成尺寸仅为0.050×0.040×0.040″的多层元件即可获得(这里重合电极面积A’为0.030×0.020″)。

C = 2500(0.030)(0.020)30/4.452(0.01)= 10107 pF

上面的实例表明在多层结构电容器尺寸相对于单层电容器小700倍的情况下仍能提供相同的电容量。因此通过优化几何尺寸，选择有很高介电常数和良好电性能(能在形成薄层结构后保持良好的绝缘电阻和介质强度)的介质材料即可设计和制造出具有最大电容量体积系数的元件。