MLCC贴片电容选择及应用问题

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。