【導(dǎo)讀】MLCC(片狀多層陶瓷電容)現(xiàn)在已經(jīng)成為了電子電路最常用的元件之一。MLCC表面看來，非常簡單，可是，很多情況下，設(shè)計工程師或生產(chǎn)、工藝人員對MLCC的認(rèn)識卻有不足的地方。以下談?wù)凪LCC選擇及應(yīng)用上的一些問題和注意事項。
MLCC雖然是比較簡單的，但是，也是失效率相對較高的一種器件。失效率高，一方面是MLCC結(jié)構(gòu)固有的可靠性問題，另外還有選型問題以及應(yīng)用問題。
由于電容算是“簡單”的器件，所以有的設(shè)計工程師由于不夠重視，從而對MLCC的獨有特性不了解。在理想化的情況下，電容選型時，主要考慮容量及耐壓兩個參數(shù)就夠了。但是對于MLCC，僅僅考慮這兩個參數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
MLCC不同材質(zhì)對性能的影響
使用MLCC，不能不了解MLCC的不同材質(zhì)和這些材質(zhì)對應(yīng)的性能。MLCC的材質(zhì)有很多種，每種材質(zhì)都有自身的獨特性能特點。不了解這些，所選用的電容就很有可能滿足不了電路要求。舉例來說，MLCC常見的有C0G(也稱NP0)材質(zhì)，X7R材質(zhì)，Y5V材質(zhì)。C0G的工作溫度范圍和溫度系數(shù)最好，在-55°C至+125°C的工作溫度范圍內(nèi)時溫度系數(shù)為0 ±30ppm/°C。X7R次之，在-55°C至+125°C的工作溫度范圍內(nèi)時容量變化為±15%。Y5V的工作溫度僅為-30°C至+85°C，在這個工作溫度范圍內(nèi)時其容量變化可達(dá)-22%至+82%。當(dāng)然，C0G、X7R、Y5V的成本也是依次減低的。在選型時，如果對工作溫度和溫度系數(shù)要求很低，可以考慮用Y5V的，但是一般情況下要用X7R的，要求更高時必須選擇COG的。一般情況下，MLCC廠家都設(shè)計成使X7R、Y5V材質(zhì)的電容在常溫附近的容量最大，但是隨著溫度上升或下降，其容量都會下降。
僅僅了解上面知識的還不夠。由于C0G、X7R、Y5V的介質(zhì)的介電常數(shù)是依次減少的，所以，同樣的尺寸和耐壓下，能夠做出來的最大容量也是依次減少的。有的沒經(jīng)驗的工程師，以為想要什么容量都有，選型時就會犯錯誤，選了不存在的規(guī)格。比如想用0603/C0G/25V/3300pF的電容，但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF。其實只要仔細(xì)看了廠家的選型手冊，就不會犯這樣的錯誤。另外，對于入門不久的設(shè)計工程師，對元件規(guī)格的數(shù)序(E12、E24等)沒概念，會給出0。5uF之類的不存在的規(guī)格出來。即使是有經(jīng)驗的工程師，對于規(guī)格的壓縮也沒概念。比如說，在濾波電路上，原來有人用到了3.3uF的電容，他的電路也能用3。3uF的電容，但他有可能偏偏選了一個沒人用過的4.7uF或2.2uF的電容規(guī)格。不看廠家選型手冊選型的人，還會犯下面這種錯誤，比如選了一個0603/X7R/470pF/16V的電容，而事實上一般廠家0603/X7R/470pF的電容只生產(chǎn)50V及其以上的電壓而不生產(chǎn)16V之類的電壓了。
注意片狀電容的封裝有兩種表示方法，一種是英制表示法，一種是公制表示法。美國的廠家用英制的，日本廠家基本上都用公制的，而國產(chǎn)的廠家有用英制的也有用公制的。一個公司所用到的電容封裝，只能統(tǒng)一用一種制式來表示，不能這個工程師用英制那個工程師用公制。否則會搞混亂。極端的情況下，還會弄錯。比如說，英制的有0603的封裝，公制的也有0603的封裝，但是兩者實際上是完全不同的尺寸的。英制的0603封裝對應(yīng)公制的是1608，而公制的0603封裝對應(yīng)英制的卻是0201!其實英制封裝的數(shù)字大約乘以2.5(前2位后2位分開乘)就成為了公制封裝規(guī)格。現(xiàn)在流行的是用英制的封裝表達(dá)法。比如我們常說的0402封裝就是英制的表達(dá)法，其對應(yīng)的公制封裝為1005(1.0*0.5mm)。
設(shè)計工程師除了要了解MLCC的溫度性能外，還應(yīng)該了解更多的性能。比如Y5V介質(zhì)的電容，雖然容量很大，但是，這種鐵電陶瓷有一個缺點，在就是其靜態(tài)容量隨其直流偏置工作電壓的增大而減少，最大甚至?xí)陆?0%。比如一個Y5V/50V/10uF的電容，在50V的直流電壓下，其容量可能只有3uF!當(dāng)然，不同的廠家的特性有差異，有的下降可能沒這么嚴(yán)重。如果你一定要用Y5V的電容，除了要知道其容量隨溫度的變化曲線圖外，還必須向廠家索取其容量隨直流偏置電壓變化的曲線圖(甚至是要容量溫度直流偏置綜合圖)。使用Y5V電容要有足夠的電壓降額。X7R的容量隨其直流偏置工作電壓的增大也減少，不過沒有Y5V的那么明顯。同時，MLCC尺寸越小，這種效應(yīng)就越明顯。
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MLCC小型化發(fā)展的挑戰(zhàn)
不同的材質(zhì)的頻率特性也不同。設(shè)計師必須了解不同材質(zhì)的不同頻率特性。比如C0G(又稱高頻熱補償型介質(zhì))的高頻特性好，X7R的次之，Y5V的差。在做平滑(電源濾波)用途時，要求容量盡量大，所以可用Y5V電容，也就是說，Y5V電容可以取代電解電容。在做旁路用途時，比如IC的VCC引腳旁的旁路電容，至少要選用X7R電容。而振蕩電路則必須用C0G電容。由于Y5V的性能較差，我一般都是不推薦使用的，要求設(shè)計工程師盡量考慮用X7R電容(或X5R電容)。如果對容量體積比要求高的場合，則考慮用鉭電容而盡量避免用Y5V電容。當(dāng)然，如果你們公司要求不高，還是可以考慮Y5V電容，但是要特別小心。
一般說MLCC的ESL(等效串聯(lián)電感)、ESR(等效串聯(lián)電阻)小，是相對于電解電容(包括鉭電解電容)而言的。事實上，高頻時，MLCC的ESL、ESR不可以忽略。一般C0G電容的諧振點能達(dá)上百MHz，一般X7R電容的諧振點能達(dá)幾十MHz，而Y5V電容的諧振點僅僅是數(shù)MHz甚至不到1MHz。諧振點意味著，超過了這個頻率，電容已經(jīng)不是電容特性了，而是電感特性了。如果想使MLCC用于更高頻率，比如微波，那么，就必須用專門的微波材料和工藝制造的MLCC。微波電容要求ESL、ESR必須更小。
MLCC一直在小型化的方向進(jìn)展。現(xiàn)在0402的封裝已經(jīng)是主流產(chǎn)品。但是小型化可能帶來其它的一些危害。事實上，不是所有的電子產(chǎn)品都是那么在意和歡迎小型化MLCC的。在意小型化的電子產(chǎn)品，比如手機、數(shù)碼產(chǎn)品等等，這些產(chǎn)品成為MLCC小型化的主要推動力。對于MLCC廠家來說，小型化MLCC占有主要的出貨量。但是從整個電子業(yè)界來說，還有很多電子設(shè)備，對小型化不是那么在乎，性能和可靠性才是關(guān)鍵考慮因素，MLCC小型化帶來了可靠性的隱患。比如通信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、工控設(shè)備、電源等。這些電子設(shè)備空間夠大，對MLCC小型化不是很感興趣;而且，這些電子設(shè)備不像個人消費品那樣追趕時髦且更新?lián)Q代快，而是更在乎長久使用的可靠性，所以對于元件的余量要求更高(為了保證可靠性，余量要大，所以尺寸更大的MLCC才滿足要求。另外，更大的尺寸使得MLCC廠家在提高電容的可靠性上更有發(fā)揮的空間)。這點恰好與MLCC廠家追求小型化的方向不一致。這是個矛盾。這些高可靠性要求的電子設(shè)備的特點是量不是很大，但是價格昂貴(個別種類電源除外)，可靠性要求也高。如果是知名的電子設(shè)備廠，日子會好過一點，因為MLCC廠會為他們保存一些大尺寸的規(guī)格的MLCC生產(chǎn)。如果不是知名的電子設(shè)備廠，也不用那么悲觀，畢竟，還有少數(shù)MLCC廠定位不同，依然會繼續(xù)生產(chǎn)大尺寸的電容。所以，作為這種電子設(shè)備的廠家，要善于尋找定位于高性能高可靠的較大尺寸的MLCC廠家。但是有一個注意事項是，所選用的規(guī)格不可以是獨家才有的規(guī)格，至少是有兩家滿足自己公司要求的MLCC廠家在生產(chǎn)這種規(guī)格。另外，對于小型化不影響性能和可靠性要求時，還是優(yōu)先考慮小型化的MLCC。
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MLCC工藝的要求
有的公司在MLCC的應(yīng)用上也會有一些誤區(qū)。有人以為MLCC是很簡單的元件，所以工藝要求不高。其實，MLCC是很脆弱的元件，應(yīng)用時一定要注意。
MLCC廠家在生產(chǎn)過程中，如果工藝不好，就有可能會有隱患。比如介質(zhì)空洞、燒結(jié)紋裂、分層等都會帶來隱患。這點只能通過篩選優(yōu)秀的供應(yīng)商來保證(后面還會談到供應(yīng)商選擇問題)。
另外就是陶瓷本身的熱脆性和機械應(yīng)力脆性的故有可靠性，導(dǎo)致電子設(shè)備廠在使用MLCC時，使用不當(dāng)也容易失效。
MLCC現(xiàn)在做到幾百層甚至上千層了，每層是微米級的厚度。所以稍微有點形變就容易使其產(chǎn)生裂紋。另外同樣材質(zhì)、尺寸和耐壓下的MLCC，容量越高，層數(shù)就越多，每層也越薄，于是越容易斷裂。另外一個方面是，相同材質(zhì)、容量和耐壓時，尺寸小的電容要求每層介質(zhì)更薄，導(dǎo)致更容易斷裂。裂紋的危害是漏電，嚴(yán)重時引起內(nèi)部層間錯位短路等安全問題。而且裂紋有一個很麻煩的問題是，有時比較隱蔽，在電子設(shè)備出廠檢驗時可能發(fā)現(xiàn)不了，到了客戶端才正式暴露出來。所以防止MLCC產(chǎn)生裂紋意義重大。
MLCC受到溫度沖擊時，容易從焊端開始產(chǎn)生裂紋。在這點上，小尺寸電容比大尺寸電容相對來說會好一點，其原理就是大尺寸的電容導(dǎo)熱沒這么快到達(dá)整個電容，于是電容本體的不同點的溫差大，所以膨脹大小不同，從而產(chǎn)生應(yīng)力。這個道理和倒入開水時厚的玻璃杯比薄玻璃杯更容易破裂一樣。另外，在MLCC焊接過后的冷卻過程中，MLCC和PCB的膨脹系數(shù)不同，于是產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋。要避免這個問題，回流焊時需要有良好的焊接溫度曲線。如果不用回流焊而用波峰焊，那么這種失效會大大增加。MLCC更是要避免用烙鐵手工焊接的工藝。然而事情總是沒有那么理想。烙鐵手工焊接有時也不可避免。比如說，對于PCB外發(fā)加工的電子廠家，有的產(chǎn)品量特少，貼片外協(xié)廠家不愿意接這種單時，只能手工焊接;樣品生產(chǎn)時，一般也是手工焊接;特殊情況返工或補焊時，必須手工焊接;修理工修理電容時，也是手工焊接。無法避免地要手工焊接MLCC時，就要非常重視焊接工藝。
首先必須告知工藝和生產(chǎn)人員電容熱失效問題，讓其思想上高度重視這個問題。其次，必須由專門的熟練工人焊接。還要在焊接工藝上嚴(yán)格要求，比如必須用恒溫烙鐵，烙鐵不超過315°C(要防止生產(chǎn)工人圖快而提高焊接溫度)，焊接時間不超過3秒選擇合適的焊焊劑和錫膏，要先清潔焊盤，不可以使MLCC受到大的外力，注意焊接質(zhì)量，等等。最好的手工焊接是先讓焊盤上錫，然后烙鐵在焊盤上使錫融化，此時再把電容放上去，烙鐵在整個過程中只接觸焊盤不接觸電容(可移動靠近)，之后用類似方法(給焊盤上的鍍錫墊層加熱而不是直接給電容加熱)焊另一頭。
機械應(yīng)力也容易引起MLCC產(chǎn)生裂紋。由于電容是長方形 的(和PCB平行的面)，而且短的邊是焊端，所以自然是長的那邊受到力時容易出問題。于是，排板時要考慮受力方向。比如分板時的變形方向于電容的方向的關(guān)系。在生產(chǎn)過程中，凡是PCB可能產(chǎn)生較大形變的地方都盡量不要放電容。比如PCB定位鉚接、單板測試時測試點機械接觸等等都會產(chǎn)生形變。另外半成品PCB板不能直接疊放。等等。
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MLCC的廠家選擇與樣品認(rèn)證
MLCC作為相對低端的元件，歐美廠家一般不太愿意生產(chǎn)了或被日本品牌收購了。美國只剩下極少數(shù)的廠家還在生產(chǎn)MLCC，但是市場占有量少，貨期長。所以，MLCC做得最好的是日本品牌。當(dāng)然，臺灣和大陸也有一些知名廠家的MLCC市場占有率不錯。在普通的規(guī)格上，臺灣和大陸的名牌MLCC的技術(shù)和質(zhì)量差不多向日本的廠家靠攏了。但是如果要用一些技術(shù)和質(zhì)量更優(yōu)良的MLCC，可能只能選擇美國和日本的品牌。總體來說，MLCC可供選擇的廠家很多，由于MLCC價格不高，所以，選擇知名企業(yè)一般公司還是很樂意的。如果選擇的是一流企業(yè)的產(chǎn)品，那用起來自然是省心。但是，如果對一個品牌的MLCC質(zhì)量不放心，或不是一流企業(yè)，那么選擇供應(yīng)商時就必須對他們的產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證。電容不貴，樣品數(shù)量可以多要點。要測試樣品的溫度特性、頻率特性、直流偏置電壓特性等等。有的參數(shù)自己的公司測不了，可以到供應(yīng)商處測，或讓他們出測試報告。事實上，MLCC的可靠性才是最關(guān)鍵的。通過上面的內(nèi)容可知，MLCC的失效主要是熱應(yīng)力失效和機械應(yīng)力失效。那么，樣品也重點要測這些性能:抗熱沖擊和抗彎曲能力測試。注意，產(chǎn)生裂紋時，電容的容量等普通參數(shù)可能還是好的。這時主要是要測漏電(特別是有潮氣進(jìn)入時)才能測出來。當(dāng)然，如果對可靠性要求特別高，可以選擇某些公司特殊開發(fā)的防裂紋品種的MLCC，當(dāng)然這要增加一些采購成本(同時有貨期沒那么好的問題)，可以綜合衡量。
