MLCC貼片電容選擇及應用問題
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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結構固有的可靠性問題,另外還有選型問題以及應用問題。
由于電容算是“簡單”的器件,所以有的設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)是遠遠不夠的。
使用MLCC,不能不了解MLCC的不同材質和這些材質對應的性能.MLCC的材質有很多種,每種材質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,X7R材質,Y5V材質.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時其容量變化可達-22%至+82%.當然,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廠家都設計成使X7R、Y5V材質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50V及其以上的電壓而不生產16V之類的電壓了。
另外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封裝對應公制的是1608,而公制的0603封裝對應英制的卻是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法.比如我們常說的0402封裝就是英制的表達法,其對應的公制封裝為1005(1.0*0.5mm)。
另外,設計工程師除了要了解MLCC的溫度性能外,還應該了解更多的性能.比如Y5V介質的電容,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,最大甚至會下降70%.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!當然,不同的廠家的特性有差異,有的下降可能沒這么嚴重.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,這種效應就越明顯。
不同的材質的頻率特性也不同.設計師必須了解不同材質的不同頻率特性.比如C0G(又稱高頻熱補償型介質)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電容的諧振點能達上百MHz,一般X7R電容的諧振點能達幾十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展.現(xiàn)在0402的封裝已經(jīng)是主流產品.但是小型化可能帶來其它的一些危害.事實上,不是所有的電子產品都是那么在意和歡迎小型化MLCC的.在意小型化的電子產品,比如手機、數(shù)碼產品等等,這些產品成為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,還有很多電子設備,對小型化不是那么在乎,性能和可靠性才是關鍵考慮因素,MLCC小型化帶來了可靠性的隱患.比如通信設備、醫(yī)療設備、工控設備、電源等.這些電子設備空間夠大,對MLCC小型化不是很感興趣;而且,這些電子設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.如果不是知名的電子設備廠,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)生產大尺寸的電容.所以,作為這種電子設備的廠家,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M LCCC。
有的公司在MLCC的應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,應用時一定要注意。
MLCC廠家在生產過程中,如果工藝不好,就有可能會有隱患.比如介質空洞、燒結紋裂、分層等都會帶來隱患.這點只能通過篩選優(yōu)秀的供應商來保證(后面還會談到供應商選擇問題)。
另外就是陶瓷本身的熱脆性和機械應力脆性的故有可靠性,導致電子設備廠在使用MLCC時,使用不當也容易失效。
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生裂紋.另外同樣材質、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、容量和耐壓時,尺寸小的電容要求每層介質更薄,導致更容易斷裂.裂紋的危害是漏電,嚴重時引起內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產生裂紋意義重大。
MLCC受到溫度沖擊時,容易從焊端開始產生裂紋.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熱沒這么快到達整個電容,于是電容本體的不同點的溫差大,所以膨脹大小不同,從而產生應力.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,于是產生應力,導致裂紋.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格要求,比如必須用恒溫烙鐵,烙鐵不超過315°C(要防止生產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。
機械應力也容易引起MLCC產生裂紋.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系.在生產過程中,凡是PCB可能產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生形變.另外半成品PCB板不能直接疊放.等等。
下面談談MLCC的廠家選擇與樣品認證
MLCC作為相對低端的元件,歐美廠家一般不太愿意生產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的技術和質量差不多向日本的廠家靠攏了.但是如果要用一些技術和質量更優(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)的產品,那用起來自然是省心.但是,如果對一個品牌的MLCC質量不放心,或不是一流企業(yè),那么選擇供應商時就必須對他們的產品進行認證.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,可以到供應商處測,或讓他們出測試報告.事實上,MLCC的可靠性才是最關鍵的.通過上面的內容可知,MLCC的失效主要是熱應力失效和機械應力失效.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(特別是有潮氣進入時)才能測出來.當然,如果對可靠性要。
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