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片式多层陶瓷电容器（MLCC）基础知识
宇阳科技发展有限公司 向 勇

一、电容器基础
电容器基本模型是一种中间被电介质材料隔开的双层导体电极所构成的单片器件，如图1所示。这种介质必须是纯绝缘材料，它的特性在很大程度上决定了器件的电性能。
介质特性取决于电介质材料对电荷的储存能力（介电常数）和对外电场的本征响应，也就是电容量，损耗特性、绝缘电阻、介质抗电强度、老化速率以及上述性能的温度特性。
图1 单层平板电容器

通常，电容器采用的介质材料主要包括：空气（介电常数K几乎与真空相同，定义为1）；天然介质：如云母，介电常数（K）为4～8；合成材料：如陶瓷，K值范围由9～1500。
电容器所用陶瓷介质是以钛酸盐为主要成份，可以通过配方调整制成具有极高介电常数和其他适当电特性的介质材料。这是陶瓷电容器，尤其是片式多层陶瓷电容器（MLCC）技术的基础。MLCC制造过程中的所有工艺和其它材料的确定原则都趋向于实现其介电性能的最优化。

二、电容量
电容器的基本特性是能够储存电荷（Q）。储存电荷量Q与电容量（C）和外加电压（V）成正比。
Q=CV
因此，充电电流被定义为：
I=dQ/dt=Q dV/dt
当电容器外加电压为1伏特，充电电流为1安培，充电时间为1秒时，电容量定义为1法拉。
C=Q/V=库仑/伏特=法拉
由于法拉是一个很大的测量单位，在实用中不会遇到，常用的是法拉的分数，即：
微 法 (μF) = 10-6F
毫微法，又称为：纳法 (nF) = 10-9F
微微法，又称为：皮法 (pF) = 10-12F

三、影响电容量的因素
施加电压的单片电容器如图1，其电容量正比于器件的几何尺寸和相对介电常数：
C=KA/f t
在这里C=电容量；K=相对介电常数，简称介电常数；A=电极层面积；t=介质厚度；f=换算因子（在基础科学领域：相对介电常数用εr表示。在工程应用中以K表示，简称为介电常数）
在英制度量单位体系中，f=4.452，尺寸A和t用英寸，电容量值用微微法表示。
例如：图1所示器件，面积1.0英寸×1.0英寸，介质厚度为0.056英寸，介电常数为2500。

2500×1.0×(1.0)
C = = 10027 pF
4.452×0.056
对于同一电容器，采用公制体系，换算因子f=11.31，尺寸用cm，容值也用微微法（pF）表示,，则：

2500×2.54×2.54
C = =10028pF
11.31×0.1422
可见，电容量和几何尺寸的关系是很明确的，增大电极面积和减少介质厚度，均可获得较大容量值。然而，无休止地增大单层电容器的面积或减少介质的厚度是不切合实际的。因此，提出了平行阵列式迭层型电容器的新概念，按这种方式可以制造比体积电容很大的单个器件，如图2所示。
在这种“多层”结构中，由于平行地排列了多层电极，使电极有效面积A’得以增大，而在电极间的介质厚度t ’则有可能进一步减薄，因此，电容量C随介质层数N的增大和介质厚度t ’的减小而增大。这里，A ’是两两相对的交错电极重合面积：
图2 MLCC结构图

KA’N
C =
4.452t’

用同样的介质材料，过去在1.0英寸×1.0英寸×0.056英寸单层电容器上所获得的容量，现在以30层介质厚度为0.001英寸的多层电容器即可获得。迭层结构所需尺寸仅为0.050英寸×0.040英寸×0.040英寸，电极重合面积A ’为0.030英寸×0.020 英寸。

2500×0.030×0.020
C = =10107 pF
4.452×0.001

这一实例表明多层结构在提供同样大容量的情况下，体积较单层器件缩小700倍。因此，通过优化几何尺寸，选择具有优良电性能的介质材料，设计制造的片式多层电容器即可具有极大的比体积电容。对介质材料的要求是，具有高介电常数，并且在制成薄层结构后仍保持良好的绝缘电阻和介质抗电强度等。

四、电容量的分类
在工业生产中，介质材料是根据电容量温度系数来进行区别和分类的。片式多层陶瓷电容器通常采用两大类别材料生产，即1类陶瓷介质和2类陶瓷介质。第三种（3类瓷）是用于制造单层型圆片电容器的阻档层或晶界层型陶瓷介质（即：半导体陶瓷介质）。
用环境试验箱测量由室温（25℃）变化到一定温度时的容量变化即可确定温度系数。温度系数αC表示为温度每变化1摄氏度，电容量较初始值的变化率，单位以百万分之一（ppm/℃）计。1类瓷介电容器具有线性温度系数，可根据αC规定其特性组别。温度系数αC的计算方法如下：

C2－C1
αC（ppm/℃） = ×106
C1（T2－T1）

这里C1=T1的电容量，C2=T2的电容量。
2类瓷介电容器的容量随环境温度呈非线性关系变化，无法用线性化的温度系数来表征。其温度特性（TC）只能以电容量较初始值的变化（ΔC/C）的百分率（%）来表示。在EIA、MIL、GB、IEC、JIS等标准温度范围（-55℃～85℃、-55℃～125℃等）内的TC特性通常用ΔC/C-T曲线来表示。
1、1类陶瓷介质
根据美国电子工业协会标准（EIA）暨美国国家标准（ANSI）ANSI/EIA-198-E-1997规定，1类瓷温度系数用字母—数字—字母的三位代码来定义，如表1所示。在MLCC中最普遍采用的1类瓷是C0G，即温度系数为0ppm/℃±30 ppm/℃，简称NP0（正—负—零）。其温度系数最稳定，用曲线图示也最为平坦，而被称之为热稳定型陶瓷。
1类陶瓷介质是以顺电体为主晶相的线性介质。这种材料通常是以TiO2为主，介电常数一般不超过150的非铁电体，性能非常稳定。通过添加少量其它氧化物（包括铁电体），如CaTiO3或SrTiO3，可扩展1类瓷的介电常数上限至700，甚至高达1500。温度系数近似于线性，最高达-5600ppm/℃，被称之为温度补偿型陶瓷。

表1 1类瓷的EIA标志代码（-55℃～125℃）
(a)
电容量
温度系数
有效位数（ppm/℃）

0.0
0.3
0.8
0.9
1.0
1.5
2.2
3.3
4.7
7.5

(b)
(a)行有效数字母代码

C
B
L
A
M
P
R
S
T
U
(c)
对(a)行适用的倍数

-1.0
-10
-100
-1000
-10000
+1
+10
+100
+1000
+10000

(d)
(c)行倍数的
数字代码

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
(e)
温度系数
允许偏差

±30
±60
±120
±250
±500
±1000
±2500
(f)
(e)行
允许偏差字符代码

G
H
J
K
L
M
N

所谓温度系数及其允许偏差的含义为：电容器实测的温度系数值并非严格的线性关系，但只要数值不超过EIA代码最后一个字母所规定的允许偏差范围就可以接受。如图3(a)所示为C0G介质温度系数。表2中其它特性组别举例如下，并示于图3(b)：
EIA代码 温度系数及其允许偏差 简码
C0G 0 ppm/℃±30 ppm/℃ （NP0）
R2G -220 ppm/℃±30 ppm/℃ （N220）
S2H -330 ppm/℃±60ppm/℃ （N330）
U2J -750 ppm/℃±120ppm/℃ （N750）
T3K -4700 ppm/℃±250ppm/℃ （N4700）
M7G +100 ppm/℃±30 ppm/℃ （P100）

(a) (b)
图3 C0G及其它1类陶瓷介质温度系数

两种类型的1类瓷介电容器适用于电路要求高稳定性或温度补偿的功能，其介电常数无老化或老化率极低可忽略不计，且损耗极低。电容量和介质损耗随电压或频率的变化为零或忽略不计。
2、2类陶瓷介质
2类陶瓷介质是铁电体材料。该种材料的介电常数比1类瓷高得多，且随温度、偏压、频率和时间变化的稳定性较差。铁电陶瓷按温度特性也可粗略分为两类。
a)“稳定的中K”2类瓷，以25℃为基点在-55℃到125℃范围内最大电容量变化率ΔC/C为±15%。这种材料的典型介电常数在600到5000之间，符合X7R特性。
b)“高K”2类瓷，温度特性超出X7R要求。高K介质材料的介电常数在4000到20000之间，由于居里点移到室温，介电常数为极大值，温度特性曲线很陡。

表2 2类瓷的EIA标志代码
(a)
下限类别温度
/℃
(b)
（a）行的
字母代码
(c)
上限类别温度
/℃
(d)
（c）行的
数字代码
(e)
在整个温度范围内
ΔC/C极大值
%
(a)
（e）行的
字母代码
+10
-30
-55
Z
Y
X
+45
+65
+85
+105
+125
+150
+200
2
4
5
6
7
8
9
±1.0
±1.5
±2.2
±3.3
±4.7
±7.5
±10.0
±15.0
±22.0
+22/-33
+22/-56
+22/-82
A
B
C
D
E
F
P
R
S
T
U
V

注意(e)行电容量变化率极大值是在0V直流偏压下的测定标准。
表2列举了EIA所规定的2类陶瓷介质分类。用于MLCC制造最普遍的中K材料为X7R组别（ΔC/C最大值±15%，-55℃到125℃），和X5R组别（ΔC/C最大值±15%，-55℃到85℃）。高K 类，Z5U特性（+10℃到+85℃之间，ΔC/C极大值在+22%到-56%之间），和Y5V特性（-30℃到+85℃以内ΔC/C极大值在+22%到-82%
之间）最为普遍。如图4所示。
图4 2类瓷的温度特性

五、MLCC的基本电性能
1、标称电容量及其允许偏差
根据IEC60063，GB/T2471等电容器、电阻器的优先数系规定，电容量的标称值优先采用E6、E12、E24系列，对应的允许偏差分别为M（±20%）、K（±10%）、J（±5%）。
例如：X7R组别采用E12系列，对应于K（±10%）精度。12个优先系列数之间的范围被设定的允许偏差值覆盖。即，第一个优先数允许偏差值的上限与第二个优先数允许偏差值的下限恰好相互重合。这样，在12个优先系列数之间不存在空隙。换句话说，采用优先系列数作为电容量的标称值及其允许偏差，就不会出现电容量值的废品。
依此类推，C0G组别采用E24系列，对应于J（±5%）级精度；Z5U组别可采用E6系列，对应于M（±20%）级精度；Y5V可优选E3系列，则对应Z（-20%～+80%）精度。
C0G组别10pF以下小容量规格有例外的情况。除了采用E24优先数系，允许使用整数倍标称值，如：0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、9.0pF等。对应的允许偏差分别为C（±0.25pF）、D（±0.5pF）。

表3 采用E3、E6、E12、E24优先数系的电容量标称值及允许偏差

优先数系
优先精度
优先数系
优先精度
优先数系
优先精度
优先数系
优先精度
E3
Z
E6
M
E12
K
E24
J
1.0
2.2
4.7
+80%
～
-20%
1.0
1.5
2.2
3.3
4.7
6.8

±20%
1.0
1.2
1.5
1.8
2.2
2.7
3.3
3.9
4.7
5.6
6.8
8.2

±10%
1.0
1.1
1.2
1.3
1.5
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.7
3.0
3.3
3.6
3.9
4.3
4.7
5.1
5.6
6.2
6.8
7.5
8.2
9.1
±5%

2、损耗角正切值
施加在理想电容器两端的电流超前于电压的相位为90°。但由于电容器电阻部份的存在，加在实际电容器两端电流超前于电压的相位不足90°，它与理想电流间的相位差角是一定的，这一角度的正切值定义为损耗角正切值Tanδ或写作Tgδ。（也有人习惯称之为损耗因子DF，不过从物理意义上不太准确）。如图5所示。
图5 实际电容器的损耗角

在高频应用时，常用损耗角正切值的倒数，称为“Q值”，即：品质因数。
Q=1/Tanδ

3、绝缘电阻
绝缘电阻是在直流偏压梯度作用下，材料抗漏电流能力的量度。物理量表示为Ri，英文缩写IR。测量电容器的绝缘电阻的时候，重要的是考虑绝缘电阻与容量的关系。容量值与绝缘电阻成反比，即容量大，绝缘电阻低。这是因为电容量与漏电流是正比关系。
Ri是电容量的函数，其测量值与电容量测定值成反比，因此，工业标准中绝缘电阻最小值是由产品绝缘电阻（Ri）和容量（C）的乘积（Ri×C）所决定的，单位为欧姆-法拉（Ω-F），通常又可表示为兆欧-微法（MΩ-μF），也可写为时间常数，秒（s）。国际电工委员会IEC和中国国家标准GB要求MLCC在25℃时Ri×C不低于100Ω-F。而美国军用标准MIL和中国国家军用标准GJB，要求MLCC在25℃时R×C不低于1000Ω-F。在125℃时不低于100Ω-F。如表4所示。
通常，电介质具有很高的电阻，测量值单位用10的高次方倍欧姆表示：

1兆欧（MΩ）=106欧姆
1吉欧（GΩ）=109欧姆
1太欧（TΩ）=1012欧姆

表4 Ri标准（极小值）与电容量的关系
电容量
Ri极小值(GΩ)
Ri×C极小值（Ω-F）
@25℃
0.1pF-0.01μF
100.00
1000
0.015
66.67
0.022
45.45
0.047
21.08
0.068
14.71
0.100
10.00
0.150
10.00
0.220
4.55
0.330
3.03
0.470
2.13
0.680
1.47
1.00
1.00
等更高容值

等

4、耐电压与额定电压
额定电压UR定义为可以连续施加在电容器上的最大直流电压或脉冲电压的峰值。
电容器的耐电压取决于介质材料的抗电强度以及电容器的结构，主要是介质厚度。耐电压的测试标准为2.5倍额定电压UR。

六、产品标准：
MLCC的性能参数测试标准和质量一致性要求在EIA-198-E等国际标准和国外先进标准中作出了详细规定，我国国家标准和我公司企业标准等同采用或等效采用。
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