MLCC贴片电容选择及应用问题

MLCC贴片电容选择及应用问题(選型資料)

MLCC（片状多层陶瓷电容）现在已经成为了电子电路最常用的元件之一。MLCC表面看来，非常简单，可是，很多情况下，设计工程师或生产、工艺人员对MLCC的认识却有不足的地方。以下谈谈MLCC选择及应用上的一些问题和注意事项。

MLCC虽然是比较简单的，但是，也是失效率相对较高的一种器件。失效率高，一方面是MLCC 结构固有的可靠性问题，另外还有选型问题以及应用问题。

由于电容算是“简单”的器件，所以有的设计工程师由于不够重视，从而对MLCC的独有特性不了解。在理想化的情况下，电容选型时，主要考虑容量及耐压两个参数就够了。但是对于MLCC，仅仅考虑这两个参数是远远不够的。

使用MLCC，不能不了解MLCC的不同材质和这些材质对应的性能。MLCC的材质有很多种，每种材质都有自身的独特性能特点。不了解这些，所选用的电容就很有可能满足不了电路要求。举例来说，MLCC常见的有C0G(也称NP0)材质，X7R材质，Y5V材质。C0G的工作温度范围和温度系数最好，在-55°C至+125°C的工作温度范围内时温度系数为0 ±30ppm/°C。X7R次之，在-55°C至+125°C的工作温度范围内时容量变化为±15%。Y5V的工作温度仅为-30°C至

+85°C，在这个工作温度范围内时其容量变化可达-22%至+82%。当然，C0G、X7R、Y5V的成本也是依次减低的。在选型时，如果对工作温度和温度系数要求很低，可以考虑用Y5V的，但是一般情况下要用X7R的，要求更高时必须选择COG的。一般情况下，MLCC厂家都设计成使X7R、Y5V材质的电容在常温附近的容量最大，但是随着温度上升或下降，其容量都会下降。

仅仅了解上面知识的还不够。由于C0G、X7R、Y5V的介质的介电常数是依次减少的，所以，同样的尺寸和耐压下，能够做出来的最大容量也是依次减少的。有的没经验的工程师，以为想要什么容量都有，选型时就会犯错误，选了不存在的规格。比如想用0603/C0G/25V/3300pF的电容，但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF。其实只要仔细看了厂家的选型手册，就不会犯这样的错误。另外，对于入门不久的设计工程师，对元件规格的数序（E12、E24等）没概念，会给出0.5uF之类的不存在的规格出来。即使是有经验的工程师，对于规格的压缩也没概念。比如说，在滤波电路上，原来有人用到了3.3uF的电容，他的电路也能用3.3uF的电容，但他有可能偏偏选了一个没人用过的4.7uF或2.2uF的电容规格。不看厂家选型手册选型的人，还会犯下面这种错误，比如选了一个0603/X7R/470pF/16V的电容，而事实上一般厂家

0603/X7R/470pF的电容只生产50V及其以上的电压而不生产16V之类的电压了。

另外注意片状电容的封装有两种表示方法，一种是英制表示法，一种是公制表示法。美国的厂家用英制的，日本厂家基本上都用公制的，而国产的厂家有用英制的也有用公制的。一个公司所用到的电容封装，只能统一用一种制式来表示，不能这个工程师用英制那个工程师用公制。否则会搞混乱。极端的情况下，还会弄错。比如说，英制的有0603的封装，公制的也有0603的封装，但是两者实际上是完全不同的尺寸的。英制的0603封装对应公制的是1608，而公制的0603封装对应英制的却是0201！其实英制封装的数字大约乘以2.5（前2位后2位分开乘）就成为了公制封装规格。现在流行的是用英制的封装表达法。比如我们常说的0402封装就是英制的表达法，其对应的公制封装为1005（1.0*0.5mm）。

另外，设计工程师除了要了解MLCC的温度性能外，还应该了解更多的性能。比如Y5V介质的电容，虽然容量很大，但是，这种铁电陶瓷有一个缺点，在就是其静态容量随其直流偏置工作电压的增大而减少，最大甚至会下降70%。比如一个Y5V/50V/10uF的电容，在50V的直流电压下，其容量可能只有3uF！当然，不同的厂家的特性有差异，有的下降可能没这么严重。如果你一定要用Y5V的电容，除了要知道其容量随温度的变化曲线图外，还必须向厂家索取其容量随直流偏置电压变化的曲线图（甚至是要容量温度直流偏置综合图）。使用Y5V电容要有足够的电压降额。X7R的容量随其直流偏置工作电压的增大也减少，不过没有Y5V的那么明显。同时，MLCC尺寸越小，这种效应就越明显。

不同的材质的频率特性也不同。设计师必须了解不同材质的不同频率特性。比如C0G（又称高频热补偿型介质）的高频特性好，X7R的次之，Y5V的差。在做平滑（电源滤波）用途时，要求容量尽量大，所以可用Y5V电容，也就是说，Y5V电容可以取代电解电容。在做旁路用途时，比如IC的VCC引脚旁的旁路电容，至少要选用X7R电容。而振荡电路则必须用C0G电容。由于Y5V的性能较差，我一般都是不推荐使用的，要求设计工程师尽量考虑用X7R电容（或X5R电容）。如果对容量体积比要求高的场合，则考虑用钽电容而尽量避免用Y5V电容。当然，如果你们公司要求不高，还是可以考虑Y5V电容，但是要特别小心。

一般说MLCC的ESL(等效串联电感)、ESR(等效串联电阻)小，是相对于电解电容（包括钽电解电容）而言的。事实上，高频时，MLCC的ESL、ESR不可以忽略。一般C0G电容的谐振点能达上百MHz,一般X7R电容的谐振点能达几十MHz,而Y5V电容的谐振点仅仅是数MHz甚至不到1MHz。谐振点意味着，超过了这个频率，电容已经不是电容特性了，而是电感特性了。如果想使MLCC 用于更高频率，比如微波，那么，就必须用专门的微波材料和工艺制造的MLCC。微波电容要求ESL、ESR必须更小。

MLCC一直在小型化的方向进展。现在0402的封装已经是主流产品。但是小型化可能带来其它的一些危害。事实上，不是所有的电子产品都是那么在意和欢迎小型化MLCC的。在意小型化的电子产品，比如手机、数码产品等等，这些产品成为MLCC小型化的主要推动力。对于MLCC 厂家来说，小型化MLCC占有主要的出货量。但是从整个电子业界来说，还有很多电子设备，对小型化不是那么在乎，性能和可靠性才是关键考虑因素，MLCC小型化带来了可靠性的隐患。比如通信设备、医疗设备、工控设备、电源等。这些电子设备空间够大，对MLCC小型化不是很感兴趣；而且，这些电子设备不像个人消费品那样追赶时髦且更新换代快，而是更在乎长久使用的可靠性，所以对于元件的余量要求更高（为了保证可靠性，余量要大，所以尺寸更大的MLCC 才满足要求。另外，更大的尺寸使得MLCC厂家在提高电容的可靠性上更有发挥的空间）。这点恰好与MLCC厂家追求小型化的方向不一致。这是个矛盾。这些高可靠性要求的电子设备的特点是量不是很大，但是价格昂贵（个别种类电源除外），可靠性要求也高。如果是知名的电子设备厂，日子会好过一点，因为MLCC厂会为他们保存一些大尺寸的规格的MLCC生产。如果不是知名的电子设备厂，也不用那么悲观，毕竟，还有少数MLCC厂定位不同，依然会继续生产大尺寸的电容。所以，作为这种电子设备的厂家，要善于寻找定位于高性能高可靠的较大尺寸的MLCC 厂家。但是有一个注意事项是，所选用的规格不可以是独家才有的规格，至少是有两家满足自己公司要求的MLCC厂家在生产这种规格。另外，对于小型化不影响性能和可靠性要求时，还是优先考虑小型化的M LCCC.

有的公司在MLCC的应用上也会有一些误区。有人以为MLCC是很简单的元件，所以工艺要求不高。其实，MLCC是很脆弱的元件，应用时一定要注意。

MLCC厂家在生产过程中，如果工艺不好，就有可能会有隐患。比如介质空洞、烧结纹裂、分层等都会带来隐患。这点只能通过筛选优秀的供应商来保证（后面还会谈到供应商选择问题）。

另外就是陶瓷本身的热脆性和机械应力脆性的故有可靠性，导致电子设备厂在使用MLCC时，使用不当也容易失效。

MLCC现在做到几百层甚至上千层了，每层是微米级的厚度。所以稍微有点形变就容易使其产生裂纹。另外同样材质、尺寸和耐压下的MLCC，容量越高，层数就越多，每层也越薄，于是越容易断裂。另外一个方面是，相同材质、容量和耐压时，尺寸小的电容要求每层介质更薄，导致更容易断裂。裂纹的危害是漏电，严重时引起内部层间错位短路等安全问题。而且裂纹有一个很麻烦的问题是，有时比较隐蔽，在电子设备出厂检验时可能发现不了，到了客户端才正式暴露出来。所以防止MLCC产生裂纹意义重大。

MLCC受到温度冲击时，容易从焊端开始产生裂纹。在这点上，小尺寸电容比大尺寸电容相对来说会好一点，其原理就是大尺寸的电容导热没这么快到达整个电容，于是电容本体的不同点的温差大，所以膨胀大小不同，从而产生应力。这个道理和倒入开水时厚的玻璃杯比薄玻璃杯更容易破裂一样。另外，在MLCC焊接过后的冷却过程中，MLCC和PCB的膨胀系数不同，于是产生应力，导致裂纹。要避免这个问题，回流焊时需要有良好的焊接温度曲线。如果不用回流焊而用波峰焊，那么这种失效会大大增加。MLCC更是要避免用烙铁手工焊接的工艺。然而事情总是没有那么理想。烙铁手工焊接有时也不可避免。比如说，对于PCB外发加工的电子厂家，有的产品量特少，贴片外协厂家不愿意接这种单时，只能手工焊接；样品生产时，一般也是手工焊接；特殊情况返工或补焊时，必须手工焊接；修理工修理电容时，也是手工焊接。无法避免地要手工焊接MLCC时，就要非常重视焊接工艺。

首先必须告知工艺和生产人员电容热失效问题，让其思想上高度重视这个问题。其次，必须由专门的熟练工人焊接。还要在焊接工艺上严格要求，比如必须用恒温烙铁，烙铁不超过315°C（要防止生产工人图快而提高焊接温度），焊接时间不超过3秒选择合适的焊焊剂和锡膏，要先清洁焊盘，不可以使MLCC受到大的外力，注意焊接质量，等等。最好的手工焊接是先让焊盘上锡，然后烙铁在焊盘上使锡融化，此时再把电容放上去，烙铁在整个过程中只接触焊盘不接触电容（可移动靠近），之后用类似方法（给焊盘上的镀锡垫层加热而不是直接给电容加热）焊另一头。

机械应力也容易引起MLCC产生裂纹。由于电容是长方形的（和PCB平行的面），而且短的边是焊端，所以自然是长的那边受到力时容易出问题。于是，排板时要考虑受力方向。比如分板时的变形方向于电容的方向的关系。在生产过程中，凡是PCB可能产生较大形变的地方都尽量不要放电容。比如PCB定位铆接、单板测试时测试点机械接触等等都会产生形变。另外半成品PCB板不能直接叠放。等等。

下面谈谈MLCC的厂家选择与样品认证。

MLCC作为相对低端的元件，欧美厂家一般不太愿意生产了或被日本品牌收购了。美国只剩下极少数的厂家还在生产MLCC，但是市场占有量少，货期长。所以，MLCC做得最好的是日本品牌。当然，台湾和大陆也有一些知名厂家的MLCC市场占有率不错。在普通的规格上，台湾和大

陆的名牌MLCC的技术和质量差不多向日本的厂家靠拢了。但是如果要用一些技术和质量更优良的MLCC，可能只能选择美国和日本的品牌。总体来说，MLCC可供选择的厂家很多，由于MLCC 价格不高，所以，选择知名企业一般公司还是很乐意的。如果选择的是一流企业的产品，那用起来自然是省心。但是，如果对一个品牌的MLCC质量不放心，或不是一流企业，那么选择供应商时就必须对他们的产品进行认证。电容不贵，样品数量可以多要点。要测试样品的温度特性、频率特性、直流偏置电压特性等等。有的参数自己的公司测不了，可以到供应商处测，或让他们出测试报告。事实上，MLCC的可靠性才是最关键的。通过上面的内容可知，MLCC的失效主要是热应力失效和机械应力失效。那么，样品也重点要测这些性能：抗热冲击和抗弯曲能力测试。注意，产生裂纹时，电容的容量等普通参数可能还是好的。这时主要是要测漏电（特别是有潮气进入时）才能测出来。当然，如果对可靠性要求特别高，可以选择某些公司特殊开发的防裂纹品种的MLCC，当然这要增加一些采购成本（同时有货期没那么好的问题），可以综合衡量