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原创 多层陶瓷电容的基本结构、封装、测量,具有哪些功能与特性?

2019-9-20 10:48 724 3 5 分类: 电源/新能源

1.电容器的分类

电容器有着各式各样的种类。如图1所示,电容器以生产材料可划分为陶瓷电容器、钽电解电容器、铝电解电容器等。特别是多层陶瓷电容器,体积虽小但容量大,经常被用于去藕、电源电压的平滑化、滤波等各种电路中。最近已成了提升手机、电视机性能所不可缺少的元件。
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2.多层陶瓷电容器的特点

<特性① 温度特性>

陶瓷电容器如图2所示,可分为温度补偿型与高诱电型。由于各种温度条件下的静电容量变化情况各不相同,因此需要根据电容的特点来确定其用途。日本国内所采用的JIS规格、欧洲所采用的EIA规格均做出了详细的分类

・温度补偿型
温度变化所造成的静电容量变化率较小,主要用于滤波、高频电路的耦合。当线圈与电容器被结合使用时,线圈的电感会随着温度的上升而增加,这时则可以利用负温度系数电容器来进行修正。

・高诱电型
是一种采用了介电常数较高材料的电容器,具有静电容量较高的特点。主要作为电源电路的去耦电容器或平滑电路使用。与温度补偿型电容器相比,由于温度能够造成的静电容量变化较大,因此当用于滤波器等信号电路中时需要十分注意。

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<特性② 低ESR、低ESL>

多层陶瓷电容器具有良好的高频特性。与其他电容器相比,由于其具备能够减小电阻(ESR※1)及残余电感(ESL※2)的构造,因此在高频条件下也能保证电容器的工作。图3、图4所示为等效电路与电感的特性。由于铝电解电容器及钽电解电容器的ESR较高,因此阻抗也就较高。但陶瓷电容器却是频率越高则阻抗越低,这对于去藕来说非常有效,并能够发挥高性能的滤波能力。
 ※1 ESR:Equivalent Series Resistance(等效串联电阻)
 ※2 ESL:Equivalent Series Inductance(等效串联电感)

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3. 多层陶瓷电容器的基本结构
电容器用于储存电荷,其最基本结构如图1所示,在2块电极板中间夹着介电体。

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电容器的性能指标也取决于能够储存电荷的多少。多层陶瓷电容器为了能够储存更多的电量,通过图1中结构的多重层叠得以实现。图2是其基本构造。

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<掌握多层陶瓷电容器的制作方法>

备好介电体原料后,将其与各种溶剂等混合并粉碎,形成泥状焊料。将其做成薄贴片后,再经过如下说明的8道工序,就可以制成贴片多层陶瓷电容器。

<贴片多层陶瓷电容器的加工工序> ①介电体板的内部电极印刷

对卷状介电体板涂敷金属焊料,以作为内部电极。
近年来,多层陶瓷电容器以Ni内部电极为主。所以,将对介电体板涂敷Ni焊料。

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②层叠介电体板

对介电体板涂敷内部电极焊料后,将其层叠。

③冲压工序

对层叠板施加压力,压合成一体。在此之前的工序为了防止异物的混入,基本都无尘作业。

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④切割工序

将层叠的介电体料块切割成1.0mm×0.5mm或1.6mm×0.8mm等规定的尺寸。

⑤焙烧工序

用1000度~1300度左右的温度对切割后的料片进行焙烧。通过焙烧,陶瓷和内部电极将成为一体。

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⑥涂敷外部电极、烧制

在完成烧制的片料两端涂敷金属焊料,以作为外部电极。如果是Ni内部电极,将涂敷Cu焊料,然后用800度左右的温度进行烧结。

⑦电镀工序

完成外部电极的烧制后,还要在其表面镀一层Ni及Sn。一般采用电解电镀方式,镀Ni是为了提高信赖性,镀Sn是为了易于贴装。贴片电容在这道工序基本完成。

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⑧测量、包装工序(补充) 确认最后完成的贴片电容器是否具备应有的电气特性,进行料卷包装后,即可出货。

近年来,随着多层陶瓷电容器的小型化、大容量化,各道工序也进行着种种改良,例如介电体的高度薄层化、提高叠层精度等。
4.陶瓷电容器的用途
陶瓷电容器用途多种多样,它在不同的电路中发挥不同功能。
典型的陶瓷电容器用途分为4种,分别为耦合、去耦合、平滑、滤波器。以下将对此进行详细说明。

<耦合>
陶瓷电容器用于耦合功能时,其直流成分将不通过而仅通过其交流成分的这一特性得以充分发挥,在需要从直流+交流成分中分离出交流成分时使用。
由于电路上的晶体管及IC等有源元件的工作条件各不相同,因此,需要对每个电路进行理想的工作条件设置后再分离出需要的交流信号。
所谓耦合,即在电路间进行结合的意思。如其字面含义,通过耦合电容器可在电路间进行结合使用。
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图1 耦合用电容器
<去耦合>
电路上的电源线中存在电容及电感成分,由于其产生的影响,一旦电源线的电压波动较大,则电路的工作将会变得极不稳定。极端情况下,电源波动将会在信号线上重叠从而产生错误信号。
因此,为了将电源处流入的干扰引至接地部分,且针对IC等元件负载电流的急剧变化持续提供稳定电流,将使用去耦合电容器。
如图2所示,即使在干扰重叠的状态下,通过去耦合电容器,也可将干扰引至接地部分。
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图2 去耦合用电容器
<平滑用>
平滑用电容器用于抑制整流后电源电路上产生的脉冲,平滑信号,以使其更接近于直流。
整流后若插入平滑用电容器,则可在高电压时在电容器中蓄电,低电压时放电,从而有效抑制电压波动。

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图3 平滑用电容器
<滤波器>
通过组合电容器、电阻及电感器,可制作仅通过特定频率信号的滤波器。
滤波器分为仅取出低频成分的低旁路滤波器及仅取出高频成分的高旁路滤波器,可根据所需频率分别使用。
5.片状多层陶瓷电容器的封装方法
随着以片状多层陶瓷电容器为首的电子元器件的快速小型化发展,尺寸也进行了如下变化:
size (EIA) 3216(1206)→2012(0805)→1608(0603)→1005(0402)→0603(0201)→0402(01005)*,对于封装的难度也在不断增加。

* size (EIA)
3216(1206):3.2mm×1.6mm/2012(0805):2.0.mm×1.2mm/1608(0603):1.6mm×0.8mm/
1005(0402):1.0mm×0.5mm/0603(0201):0.6mm×0.3mm/0402(01005):0.4mm×0.2mm

如图1所示,封装工艺中产生的问题主要有元器件位置偏移、翘立,竖立等形式。这种整个元件呈斜立或直立,如石碑状,人们形象地称之为"立碑"现象 ( 也有人称之为"曼哈顿"现象 ) 。

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图1 封装过程中的问题
以下就立碑现象的成因与防止对策要点进行介绍说明。
如图2所示,立碑现象的产生是由于在焊锡时,作用于元件左右电极的张力不平衡,一侧翘立并旋转而造成的。

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图2 立碑现象的成因

造成张力不平衡的因素有很多,例如:左右的焊盘尺寸、焊锡厚度 、温度、贴装偏移等。如何有效制约上述不平衡因素,是实现完美封装的关键所在。
在基板设计、封装工艺("印刷"、"贴装"、"焊接(例:回流焊锡)")过程中需要注意以下内容。
1. 基板设计
如图3所示,若片状元件的左右焊盘(印刷电路板上铜箔类零件贴装的地方)的尺寸(面积/形状)不一致,焊接时,将会导致元件左右电极产生的表面张力不平衡,产生立碑现象。

按照各元件所推荐的形状、尺寸标准,进行左右对称的设计,这一点非常重要。

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图3 左右不对称的焊盘
2. 印刷
如图4所示,印刷电路板上的焊膏印刷工艺中,若左右的焊锡量不一致,焊接时,将会导致元件两个焊端产生的表面张力不平衡,产生立碑现象。
此外,焊锡较厚时,作用于电极的张力就会变大,此时,尽量减少焊锡量,并使左右焊膏量一致,可以有效的防止立碑现象。
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图4 焊膏印刷
3. 贴装
一般情况下,使用封装机(Mounter)在印刷电路板上贴装元件时,对于元器件位置有一定偏离的情况,在回流焊过程中,由于熔融焊料表面张力的作用,能够自动校正偏差。
但偏移严重,拉动反而会使元件竖起,产生立碑现象。随着电子元器件不断朝着小型化方向发展,调整好元件的贴片精度是非常重要的。

4. 回流焊锡
加热导致焊锡融化,回流炉温度急剧上升的情况下,由于电路板上封装元件的大小、密度不同,炉内温度不稳定使元件两端存在温差。电极间的焊膏融化程度的不同,产生了电极的张力差,发生立碑现象。
如图5所示,通过设置合理的预热段,使炉内热容量稳定,可以缓和炉内温度偏差。建议按照推荐的回流温度曲线进行设置。
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图5 回流温度曲线
*封装方法不当可能会导致问题发生,
请仔细阅读并参考产品规格和目录中记载的封装注意事项后,再决定封装条件。
5.陶瓷电容器的静电容量测量法
1.测量仪器

一般使用LCR测试仪测量陶瓷电容器的静电容量。

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LCR测试仪的外观照片
2.测量原理
LCR测试仪的代表性测量方法如图所示,为自平衡电桥法。其原理如下。
DUT为Device Under Test的缩写,指测量对象。高增益放大器会自动调整增益,使通过电阻R的电流与通过DUT的电流相等,DUT 的低电位侧(图中L一侧)一直处于虚拟接地(电位=0)状态。此时的输入电压E1及输出电压E2能测出相位角,如下所示。

E1=|E1|∠θ1=|E1|cosθ1+j|E1|sinθ1

E2=|E2|∠θ2=|E2|cosθ2+j|E2|sinθ2


通过这些数据与反馈电阻R,求出DUT的阻抗Zx。

Zx=R・E1/E2

=R・|E1/E2|・{cos(θ1-θ2)+jsin(θ1-θ2)}


其实部为Rx、虚部为Xx,求得的Xx通过Xx=j/ωCx可以计算出DUT的静电容量Cx。

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3.注意事项
在对陶瓷电容器的静电容量进行测量时,必须在规格书等相关资料上记载的正确测量条件下进行。需要注意的是由于电容标称值等的不同其条件也有所区别。这里所说的条件,主要是指测量前的热处理、测量电压、测量频率数。
另外,由于实际上包括测量电缆在内的测量端子的残余阻抗和导纳成分会影响测量结果,因此需要对测量端子进行补正。由于测量端子的补正是使用对端子头直接接触DUT的部分为止的值进行测量并将其阻抗等成分从测量结果中减除的方法,因此需要预先测量出补正值。补正通常会使用短路补正和开路补正。

来源:村田网站

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文章评论 2条评论)

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yesok79_968517027 2019-10-8 14:17

写的很详细,非常好

curton 2019-9-21 22:09

一直在使用
第一次看到这么详细的介绍
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