片式钽电容器和片式多层陶瓷电容器的比较

2018-05-15 15:48:24 0
片式钽电容器和片式多层陶瓷电容器的比较
 
 
摘要:本文从片式多层陶瓷电容器的结构及失效模式出发,说明了大容量片式多层陶瓷
 
电容器在高可靠设备使用的局限性,阐明了二者不能简单的替代。
 
关键词:片式多层陶瓷电容器,失效模式,替代。
 
 
 
随着片式多层陶瓷电容器(以下简称 MLCC)多层介质叠层技术的发展,其电容量不断
 
增大,目前,日本公司已经能够生产单层介质厚度为 1μ m、叠层最多达 1000 层,0603 的最
 
大容量可以做到 22μ F,4V;0805 的最大容量可以做到 47μ F,6.3V,其体积容量比已经接
 
近片式钽电容器的水平。由于 MLCC 的无极性结构非常适合滤波使用,因此,其在电子电路
 
上的应用范围不断扩大,大有代替部分体积容量比较低的片式钽电容器的势头。
 
MLCC 与片式钽电容器的竞争焦点是小型、大容量电容器,大容量 MLCC 真的能够替代
 
片式钽电容器吗?事实上,尽管 MLCC 在高频特性上优点突出,但其弱点也经常导致使用出现
 
问题;例如在-55℃~+125℃的极限温度内其容量变化率较大,不能满足使用温度变化幅度
 
过大,滤波精度要求高的电路。另外,由于叠层厚度的增加导致产品的机体变得更“脆”,
 
在焊接上板冷却后非常容易出现由于电路板热应力导致的叠层裂纹,出现裂纹的产品在常温
 
时漏电流变大,在电路板温度升高时漏电流反而降低,因此,查找原因非常困难。当通过的
 
电流很大时,会突然出现发热导致的电击穿现象,有时候甚至还会出现烧板现象。
 
因此,只有电容量这个指标是远远不够的,多数 MLCC 生产厂商片面夸大了 MLCC 大容
 
量的长处,但对大容量化带来的缺陷和可靠性降低等问题却避而不谈。本文将从 MLCC 的结
 
构、失效模式等方面来给 MLCC 一个客观的评价和定位。
 
一、MLCC 的结构特点
 
MLCC 的结构主要包括三大部分:陶瓷介质,金属内电极,端电极。而 MLCC 是一个多层
 
叠合的结构,简单地说它是由多个简单平行板电容器的并联体。其结构示意见图 1。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图1 MLCC结构示意图
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1、陶瓷介质
 
用来制造MLCC的陶瓷是一种结构陶瓷,是电子陶瓷,也叫电容器瓷。 电容器瓷根据国
 
际上通用的美国EIA标准,按其温度特性分为两类:Ⅰ类电容器瓷(COG)和Ⅱ类电容器瓷(X7R、
 
X5R、 Y5V、Z5U)。根据美国电子工业联合会的规定,Ⅱ类电容器瓷第一位代码表示工作温
 
度范围的下限,第二位表示工作温度范围的上限,第三位表示最大电容量变化,其具体值见
 
表1,温度特性见图2所示。
 
表1 MLCC介质特性代码表
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图2 Ⅱ类电容器瓷的温度特性
 
由表1及图2可知:
 
X7R——工作温度范围: -55℃~+125℃;电容量变化:±15%。
 
X5R——工作温度范围: -55℃~+85℃;电容量变化:±15%。
 
Z5U——工作温度范围: +10℃~+85℃;电容量变化:-56%~+22%
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Y5V——工作温度范围:-30℃~+85℃;电容量变化:-82%~+22%
 
目前,电容量在1µF以上的MLCC,基本上为Y5V、Z5U型,相对于片式钽电容器(工作温
 
度范围: -55℃~+125℃;电容量变化可达:±5%)而言,其工作温度范围窄、温度特性
 
差,温度变化会造成容值大幅变化,不能使用在温度剧烈变化的精密滤波电路。
 
2、金属内电极
 
MLCC的内电极是通过将内电极浆料印刷、烧结而成的,它与陶瓷介质交替叠层,提供电
 
极板正对面积;主要有PME-Ag/Pd 、BME-Ni两种,由于内电极成本占到电容器的30%~80%,
 
因此,目前大容量MLCC基本上是采用贱金属Ni作内电极,Cu作外电极,而纯Pd的内电极因价
 
格昂贵也很少使用。虽然Ni原子或原子团的电子迁移速度较Ag·和Pd-Ag都小,但它在高温下
 
易氧化成绿色的氧化亚镍,从而不能保证内电极层的质量。
 
3、端电极
 
底 层:铜金属电极或银金属电极,与内电极相连接,引出容量。
 
阻挡层:镍镀层,热阻挡作用,可焊的镍阻挡层能避免焊接时Sn层熔落。
 
焊接层:Sn镀层,提供焊接金属层。
 
二、MLCC失效模式
 
1、裂纹
 
1.1 结构固有缺陷
 
这是大容量 MLCC 一个无法避免的致命的缺陷。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。出现裂纹的产品在常温时漏电流变大,在电
 
路板温度升高时漏电流反而降低,因此,查找原因非常困难.当通过的电流很大时,会突然出
 
现发热导致的电击穿现象,有时候甚至还会出现烧板现象。而且裂纹还有一个很麻烦的问题
 
是,这些裂纹比较隐蔽,是不可修复的,裂纹一旦产生,无法保证 100%地检测出来,在生
 
产厂出厂检验时可能发现不了,到了客户端才正式暴露出来。
 
1.2 使用时由机械应力和热应力引起的裂纹
 
MLCC具有“瓷”的特性:遇到物理力冲击容易内部破损。物理冲击有吸嘴压伤、跌落损
 
伤等。MLCC的特点是能够承受较大的压应力,但抵抗弯曲能力比较差。所以PCB板的弯曲也
 
容易引起MLCC开裂。由于MLCC是长方体,焊端在短边,PCB发生形变时,长边承受应力大于
 
 
 
 
 
 
 
 
短边,容易发生裂纹。其他如工艺过程中电路板操作;流转过程中的人、设备、重力等因素;
 
通孔元器件的插入;电路测试、单板分割;电路板安装;电路板定位铆接;螺丝安装等所产
 
生的应力都容易使MLCC产生裂纹。该类裂纹一般起源于器件上下金属化端,沿45℃角向器件
 
内部扩展。该类缺陷也是实际发生最多的一种类型缺陷。
 
1.3 温度冲击裂纹
 
主要由于MLCC在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致。焊接时MLCC受热不均,叠层较
 
薄时非常容易在极微小的热应力下断裂. 其容易断裂的比例随容量的增加而增加,大尺寸
 
MLCC尤其如此。这是因为大尺寸的电容导热没有小尺寸的好,造成电容受热不均,膨胀幅度
 
不同,从而产生破坏性应力。
 
另外,在MLCC焊接过后的冷却过程中,MLCC和PCB的膨胀系数不同,也会产生应力导致裂
 
纹。相对于回流焊,波峰焊时这种失效会大大增加。
 
2、陶瓷介质空洞和分层
 
导致空洞产生的主要因素为陶瓷粉料内的有机或无机污染,烧结过程控制不当等。空洞
 
的产生极易导致漏电,漏电又导致内部局部发热,进一步降低陶瓷介质的绝缘性能从而导致
 
漏电增加。该过程循环发生不断恶化,严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸,甚至燃烧等
 
后果。
 
分层是MLCC制造中重要的质量问题,造成分层的原因是多方面的,相关工艺有印刷、叠
 
片、热压和切割等,相关材料是内电浆、瓷膜、端浆等。其实工艺与材料作为分层原因有时
 
是交互发生的,如内电极与瓷膜粘附性差,切割时引入切向内应力,在排胶和烧结时则加剧
 
分层等。分层和空洞裂纹的危害相仿,为重要的多层陶瓷电容器的内在缺陷。
 
3、介质击穿
 
介质击穿主要是在较高的电流冲击下,使介质体内的漏电流剧增,以使介质没办法承受
 
而被击穿的过程。电击穿场强是反映固体介质承受电场作用能力的一种度量,是材料的特性
 
常数之一,所以通常又称之为介质的耐电强度(耐电性能)。
 
4、银离子的迁移
 
采用Ag/Pd做内电极的MLCC,在高温、高湿、强直流电场作用下,银离子容易迁移,·
 
时间一长,易造成电容器失效。
 
5、端头失效
 
由于端电极材料在烧结的时候,部分渗入相应部位的陶瓷介质中,使与之接触的那部分
 
陶瓷体变得更脆,甚至改性了。因此,在焊接的过程中或在线路板装卸的过程中,端头部分
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
易产生裂纹,使电容器失效。目前世界新研究开发出一种新的端电极材料,环氧导电型的,
 
对陶瓷浸蚀很小,同时可以在一定的范围内发生弯曲形变。
 
三、片式钽电解电容的优点
 
虽然MLCC具有无极性、ESR特性值小、高频特性好等优势,但与MLCC相比,片式钽电解
 
电容具有下述独特的优点 :
 
1、稳定特性。对MLCC电容器施加的直流偏置电压增加或温度上升时会导致容量下降,
 
容量的下降会导致放大器的功能和稳定性变差,但是钽电解电容器随直流偏置电压的增
 
加,容量下降的速度要比陶瓷电容器的容量下降的速度慢很多。
 
2、滤波干净度。陶瓷电容器使用钛酸钡材料,必然存在压电效应,即X5R,X7R,Y5V介质
 
层用在小型麦克风或扬声器,由于产生附加噪音引起信号保真度下降;而钽电解电容器使
 
用的电解质材料MnO2则存在很小的电压效应,保证了信号的保真度。
 
3、可靠性。钽电容器的介质氧化膜的化学性质稳定,能耐强酸、强碱,而且长时间工
 
作能保持良好的性能。根据统计,片式多层陶瓷电容器的失效率比钽电容高出30%以上。
 
4、机械性能。在垂直坠落实验中高CV值陶瓷电容器容易断裂,而片式钽电容器独有的
 
引线框架模压封装结构有较高的耐冲击性。
 
5、自愈性。在片式钽电容器的工作过程中,具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在
 
的性能,使氧化膜随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力,而不致遭到连续的累积性破坏,
 
这就使得钽电解电容器的失效机率特别低。而MLCC不具有自愈性。
 
四、MLCC的实际应用情况
 
 
.
 
 
世界上主要MLCC生产商都在日本和美国,如村田(Murata)、太阳诱电(TAIYOYUDEN)、
 
 
TDK、京瓷(Kyocera) 、AVX、KEMET、VISHY等公司。在薄型大容量MLCC制造领域,以太阳
 
诱电公司较为著名,其MK型大容量MLCC的中,X7R型最大容量为10µF ,X5R型最大容量可达
 
100µF。VISHAY公司生产的MLCC最大容量为22µF,型号为W1BC(Y5V);X7R型最大容量为6.8µF,
 
KEMET公司Y5V型最大容量为22µF、X7R型最大容量为2.2µF。但相对于片式钽电容器(工作
 
温度范围: -55℃~+125℃;电容量变化可达:±5%)还有一定的差距,特别是Z5U、 Y5V
 
型MLCC,只能使用在要求不高的电子电路中。
 
美国的VISHAY、KEMET公司主要在高可靠性方面技高一筹,这两家公司生产的执行
 
MIL-PRF-55681美军标的MLCC(X7R型),其最大容量为0.47µF。
 
五、MLCC的适用范围
 
设计师在选用大容量MLCC时必须非常谨慎,大容量MLCC只能使用在一般工业级的电子
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
设备中,不能用于高安全性、高可靠性的电子设备中。在太阳诱电(TAIYOYUDEN)公司发布
 
的2010年MLCC手册的注意事项中,就明确指出其生产的大容量片式多层陶瓷电容器只“适
 
用于一般电子设备”。这些信息是太阳诱电公司在其网站上公开发布的,其具体内容摘录如
 
下:
 
● 本软件中记载的电子元器件、电路产品等产品,适用于一般电子设备。『AV设备,OA设
 
备,家电及办公设备,信息/通讯设备(手机,电脑等)』当您计划把本产品目录中记载的
 
产品使用于可能会危及第三方生命安全的应用设备时,请务必提前与我公司取得联系,针对
 
产品信息加以确认。【运输用设备(火车控制设备,船舶控制设备等),交通用信号设备,
 
防灾设备,医疗用设备,公共性高的信息通信设备等(电话程控交换机,电话,无线电,电
 
视信号等基地局)】
 
●另外,请不要在要求高度安全性,可靠性的应用设备上使用本产品目录中记载的产品。 航
 
天设备,航空设备,核控制设备,用于海底的设备,军事设备等】
 
●同时,应用于安全性,可靠性要求较高的一般电子设备/电路时,请充分进行安全性测评,
 
必要时请在设计过程中追加保护电路。
 
正是出于对大容量MLCC产品可靠性的担心,在美军电子元件使用规定中,军用MLCC
 
的叠层厚度不能小于10微米,也就是说一定容量的MLCC产品,体积过小的产品不容许在军
 
用电子电路中使用,因为其非常容易出现在温度变化过大时突然断裂而导致失效率增加。
 
因此,MIL-PRF-55681标准中, MLCC(X7R型)的最大容量只到0.47µF,容量超过0.47µF,
 
其可靠性就达不到军方要求了。
 
在我国,对 MLCC 的使用,也有特别的规定,在 GJB4041-2000《航天用电子元器件质量
 
控制要求》,工作项目 202 ,片状瓷介电容器, 3.2 条中规定:
 
“具有下列情况的电容器其可靠性是可疑的:
 
a、 直流额定电压为 50V,电容量大于 0.47μ F 的瓷介电容器;
 
b、 介质厚度小于 23μ m 的瓷介电容器;
 
c、 电极材料为银的瓷介电容器。”
 
 
 
结论:
 
1、片式钽电容器和 MLCC 都具备自己的独特的特性,不能随意替代。
 
2、大容量 MLCC 只能使用在像个人消费品那样追赶时髦且更新换代快的一般工业级的电
 
子设备中,对于航空、航天、军事设备、通信设备、医疗设备、工控设备、电源等高安全性、
 
 
 
 
 
 
 
 
高可靠性的电子设备中,大容量 MLCC 的使用是有限制的,元件的性能和可靠性是首先的考
 
虑因素,这些设备必须使用安全可靠的片式钽电容器。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7