陶瓷电容器基础知识

陶瓷电容的结构和主要加工环节如下面图的瓷片电容的结构，内电极导体一般为 Ag 或 AgPd，陶瓷介质一般为 BaTiO3，多层陶瓷结构通过高温烧结而成。

器件端头镀层（外电极）一般为烧结 Ag/AgPd，然后制备一层 Ni 阻挡层(以阻挡内部 Ag/AgPd 材料，防止其和外部 Sn 发生反应)，再在 Ni 层上制备 Sn 或 SnPb 层用以焊接。

近年来，也出现了端头使用 Cu 的 MLCC 产品。

下面简单介绍一下陶瓷电容的主要加工环节：a）备料成型：原料经过煅烧、粉碎与混和后，达到一定的颗粒细度，原则上颗粒越细越好。

然后根据电容器结构形状，进行陶瓷介质坯件成型；b）烧成：对瓷坯进行高温处理，是其成为具有高机械强度、优良电气性能的瓷体。

烧成温度一般在 1300℃以上。

高温保持时间过短，固相反应不完全彻底，影响整个坯体结构，造成电性能恶化，是所谓“生烧”；高温保持时间过长，使坯体起泡变形以及晶粒变大，同样恶化电性能，造成“过烧”；c）然后是电极制造，引线焊接，涂覆，包封；陶瓷电容器的由来1900 年意大利 L. 隆巴迪发明陶瓷介质电容器。

30 年代末人们发现在陶瓷中添加钛酸盐可使介电常数成倍增长,因而制造出较便宜的瓷介质电容器。

1940 年前后人们发现了现在的陶瓷电容器的主要原材料 BaTiO3(钛酸钡)具有绝缘性后，开始将陶瓷电容器使用于对既小型、精度要求又极高的军事用电子设备当中。

而陶瓷叠片电容器于 1960 年左右作为商品开始开发。

到了 1970 年，随着混合 IC、计算机、以及便携电子设备的进步也随之迅速的发展起来，成为电子设备中不可缺少的零部件。

现在的陶瓷介质电容器的全部数量约占电容器市场的 70%左右。

陶瓷介质电容器的绝缘体材料主要使用陶瓷，其基本构造是将陶瓷和内部电极交相重叠。

陶瓷材料有几个种类。

自从考虑电子产品无害化特别是无铅化后，高介电系数的 PB（铅）退出陶瓷电容器领域，现在主要使用 TiO2(二氧化钛)、 BaTiO3, CaZrO3(锆酸钙)等。

和其它的电容器相比具有体积小、容量大、耐热性好、适合批量生产、价格低等优点。

由于原材料丰富，结构简单，价格低廉，而且电容量范围较宽（一般有几个 PF 到上百μF），损耗较小，电容量温度系数可根据要求在很大范围内调整。

陶瓷电容器品种繁多，外形尺寸相差甚大从 0402（约 1×0.5mm）封装的贴片电容器到大型的功率陶瓷电容器。

按使用的介质材料特性可分为Ⅰ型、Ⅱ型和半导体陶瓷电容器；按无功功率大小可分为低功率、高功率陶瓷电容器；按工作电压可分为低压和高压陶瓷电容器；按结构形状可分为圆片形、管型、鼓形、瓶形、筒形、板形、叠片、独石、块状、支柱式、穿心式等。

陶瓷电容器的分类陶瓷电容器从介质类型主要可以分为两类，即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器。

　　Ⅰ类陶瓷电容器（ClassⅠ ceramic capacitor），过去称高频陶瓷电容器（High-freqency ceramic capacitor），是指用介质损耗小、绝缘电阻高、介电常数随温度呈线性变化的陶瓷介质制造的电容器。

它特别适用于谐振回路，以及其它要求损耗小和电容量稳定的电路，或用于温度补偿。

　　Ⅱ类陶瓷电容器（Class Ⅱ ceramic capacitor）过去称为为低频陶瓷电容器（Low frequency cermic capacitor），指用铁电陶瓷作介质的电容器，因此也称铁电陶瓷电容器。

这类电容器的比电容大，电容量随温度呈非线性变化，损耗较大，常在电子设备中用于旁路、耦合或用于其它对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中。

Ⅰ类陶瓷电容器　　按美国电工协会（EIA）标准为 C0G（是数字 0，不是字母 O，有些文献笔误为 COG）或 NP0（是数字 0，不是字母 O，有些文献笔误为 NPO）以及我国标准的 CC 系列等型号的陶瓷介质（温度系数为 0±30PPM/℃），这种介质极其稳定，温度系数极低，而且不会出现老化现象，损耗因数不受电压、频率、温度和时间的影响，介电系数可以达到 400，介电强度相对高。

这种介质非常适用于高频（特别是工业高频感应加热的高频功率振荡、高频无线发射等应用的高频功率电容器）、超高频和对电容量、稳定性有严格要求定时、振荡电路的工作环境，这种介质电容器唯一的缺点是电容量不能做得很大（由于介电系数相对小），通常 1206 表面贴装 C0G 介质电容器的电容量从 0.5PF~0.01μF。

Ⅱ类陶瓷电容器　　Ⅱ类的稳定级陶瓷介质材料如美国电工协会（EIA）标准的 X7R、X5R 以及我国标准的 CT 系列等型号的陶瓷介质（温度系数为±15.0%），这种介质的介电系数随温度变化较大，不适用于定时、振荡等对温度系数要求高的场合，但由于其介电系数可以做得很大（可以达到 1200），因而电容量可以做得比较大，适用于对工作环境温度要求较高（X7R：-55~+125℃）的耦合、旁路和滤波。

通常 1206 的 SMD 封装的电容量可以达到 10μF 或在再高一些；　　II 类的可用级陶瓷介质材料如美国电工协会（EIA）标准的 Z5U、Y5V 以及我国标准的 CT 系列的低档产品型号等陶瓷介质（温度系数为 Z5U 的+22%，-56%和 Y5V 的+22%，-82%），这种介质的介电系数随温度变化较大，不适用于定时、振荡等对温度系数要求高的场合，但由于其介电系数可以做得很大（可以达到 1000~12000），因而电容量可以做得比更大，适用于一般工作环境温度要求（-25~+85℃）的耦合、旁路和滤波。

通常 1206 表面贴装 Z5U、Y5V 介质电容器量甚至可以达到 100μF，在某种意义上是取代钽电解电容器的有力竞争对手。

C0G 代表的温度系数究竟是多少？C 表示电容温度系数的有效数字为 0 ppm/℃0 表示有效数字的倍乘因数为 -1（即 10 的 0 次方）G 表示随温度变化的容差为 ±30ppmNPO 和 C0G 是同一种电容吗？NPO 是美国军用标准（MIL）中的说法，其实应该是 NP0（零），但一般大家习惯写成 NPO（欧）。

这是 Negative-Positive-Zero 的简写，用来表示的温度特性。

说明 NPO 的电容温度特性很好，不随正负温度变化而出现容值漂移。

从前面我们已经知道，C0G 是 I 类陶瓷中温度稳定性最好的一种，温度特性近似为 0，满足“负 - 正 - 零”的含义。

所以 C0G 其实和 NPO 是一样的，只不过是两个标准的两种表示方法（当然，容值更小、精度略差一点的 C0K、C0J 等也是 NPO 电容）。

类似的，U2J 对应于 MIL 标准中的组别代码为 N750。

NPO 电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同，大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。

以 X7R 为例。

X 代表电容最低可工作在 -55℃7 代表电容最高可工作在 +125℃R 代表容值随温度的变化为 ±15%同样的，Y5V 正常工作温度范围在 -30℃～+85℃, 对应的电容容量变化为+22～-82%；而 Z5U 正常工作温度范围在+10℃～+85℃，对应的电容容量变化为+22～-56%。

MLCC 与其它种类电容器对比电容的种类有很多，可以从原理上分为：无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容等，从材料上分主要有：CBB 电容（聚乙烯），涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容(即贴片电容或 MLCC)、电解电容、钽电容等。

下表是各种电容的优缺点MLCC 的性能A. 常规电性能（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(IR)：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。

一般 C0G 类>1000ΩF, X7R 和 Y5V 类 >500ΩF（5）损耗(DF)：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。

损耗最为标准的写法：使用百分率写法例如：COG 要求〈0.015%；X7R〈2.5%；Y5V〈3.5% 一般地 COG 类 <10*10-4 ; X7R 类 <250*10-4;Y5V 类 <500*10-4。

（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。

不同品种的电容器，最高使用频率不同。

小型云母电容器在 250MHZ 以内；圆片型瓷介电容器为 300MHZ；圆管型瓷介电容器为 200MHZ；圆盘型瓷介可达 3000MHZ；小型纸介电容器为 80MHZ；中型纸介电容器只有 8MHZ。

B. 几个值得关注的参数TCC：温度容量特性，注意同为 X7R 产品其常温附近的容量稳定性不一样。

ESR：等效串联电阻ESL：等效串联电感Q 值：是 DF、ESR、ESL 的综合，在高频电路中加倍关注。

在片式多层元器件类型中，ESR（Res）主要由介质层电阻、内电极层电阻、各接触面电阻和端电极电阻等四个方面组成；其中各接触面电阻包括端电极与内电极的接触，不同的端电极电镀层间的接触等；Res 对频率是较为敏感的，并随频率的增加而增加，因为：1．接触电阻－电极间接触形成的间隙式裂缝是容性阻抗(Z=1/(2*pi*f*C)),从而导致 Res 在刚开始时随频率的增加而下降。

2．趋肤效应－内电极和端电极由于趋肤效应，阻抗随频率的增加而增加，最终将抵消接触电阻所产生 ESR 下降的影响。

3．电介质极化－随电介质中的极化定向，大量的能量被储备，从而呈现阻抗随频率增大而增大。

贴片陶瓷电容的 ESL 与贴片固体钽电容类似，同为 SMD 器件，具有比较小的 ESL，但由于内部引线结构，瓷片的 ESL 又要比钽电容小很多，可用近似公式：来进行推算，比如 1206 封装，则 L＝12，W＝6。