多層陶瓷電容(MLCC)的基本原理

MLCC產品剖面圖。多層陶瓷電容的本體的介電陶瓷材料大多以「鈦酸鋇」,「 氧化鈦」…等 為主;內電極則以「銀/鈀」合金或「鎳」為主 (配合陶瓷材料);外電極則以「銀」或「銅」為主 (最外電鍍 鎳/錫 以利SMT 焊接) 。

(公司最近碰到了一些電容的問題,所以收集了一些關於多層陶瓷電容(MLCC)的文章。這是一篇整理文,內文大量引用了網路上已經有的一些資料,如果有發現錯誤或不妥的地方,歡迎指正。)

我們都知道,電容就是可以儲存電量的容器,而電容的基本原理就是使用兩片互相平行但未接觸在一起的金屬,中間以空氣或是其他材料作為為絕緣物,將兩片金屬的一片接在電池的正極,另一片接在負極,金屬片上就能儲存電荷,這種能儲存電荷的裝置就稱為【電容器】。不過本文最主要在闡明MLCC(多層陶瓷電容)







如下圖所示,當兩金屬片間之電位差為1V,儲存之電荷量為1庫倫時,電容器的容量就是1法拉(Farad),以公式表示如下:C = Q / V

Q:金屬片上儲存的電荷量,單位為庫倫。

V:金屬片間的電壓,單位為伏特。

C:電容器的容量,單位為法拉。

電容器原理

所以電容器的容量與金屬片的面積成正比,但是與兩金屬片之間的距離成反比,並且與金屬片之間的絕緣介電質(dielectric)常數有關。電容可以用下面的公式表下:

C = εA / L

(A:金屬片的電及面積;L:金屬片電極間的距離;ε:電極間絕緣物的介電常數)。

多層陶瓷電容的原理:

多層陶瓷電容(MLCC,Multi-Layer Ceramic Capacitor)因為可以作成薄片,比起「電解電容」在同樣的體積下MLCC可以大大提昇其電容器的容量。

MLCC的電容量公式可以如下表示:

image

C : 電容量,以 F (法拉) 為單位,而MLCC 之電容值 以 PF, nF,和 µF 為主。

ε:電極間絕緣物的介質常數,單位為法拉/公尺。

K : 介電常數 (依陶瓷種類而不同)

A : 導電面積 (產品大小及印刷面積而不同)

D : 介電層厚度 (薄帶厚度)

n:層數 (堆疊層數)

MLCC01

MLCC產品種類及規格介紹:

  1. 依照【溫度】特性分類 : 電容值隨溫度變化情形,可分為 COG(NPO)、X7R、Z5U、Y5V 等。
    COG為EIA標準,其表示溫度從 -55°C到125°C電容值變化(以25°C之電容值為基準),COG為 +/- 30ppm/°C 。
    NPO為COG一般常用之稱乎,N為「負(negative)」,P表「正(positive)」,O表「零」,表示此電容器在使用溫度範圍中, 其電容變化量很小幾乎為零。
    X7R : 表示-55°C(X)~125°C(7)其容量變化(以25°C為基準)必須 ±15%(R) 以內。
    Y5V : 表示-30°C(Y) ~到 85°C(5) 其容量變化(以25°C為基準)必須在+22~82%(V)以內。
    以下是MLCC的溫度特性代表符號,僅供參考:

    MLCC容值 
  2. 依照MLCC產品【尺寸】的大小分類 : 0402 ; 0603 ; 0805 ; 1206 等。
    MLCC尺寸大小定義
  3. 依照【電容量】來區分: 如 10 PF, 100P, 1nF, 1 µF, 10 µF 等。
  4. 依照【工作電壓】區分: 如 10V, 16V, 25V, 50V, 100V, 200V, 500V, 1KV, 2KV, 3KV。同一系列的產品, 其工作電壓越高,則其介電層厚度就必須越厚, 相對的其電容值也就較低。
    例如:Y5V/0603/100nF產品 其工作電壓可達25v(堆疊層數:約20 層, 介電層厚:12 µm);Y5V/0603/1µF產品 其工作電壓只有10v(堆疊層數: 約76層, 介電層厚:7 µm) 。
  5. 依照【容值允差】區分 :如 ±0.1pF(B值)、±0.25pF(C值)、±0.5pF(D值)、±1%(F值)、±2%(G值)、±5% (J值)、±10%(K值)、±20%(M值)、 -20%~+80%(Z值)。

所以,一個完整的 MLCC 產品在規格描述上至少必須包括以上的全部特性。
例如 :< NPO/0603/100PF/J/50V>
表示此產品的規格為 : NPO材質、0603尺寸、100PF容值、容值允差為±5%、耐壓為50V。

MLCC的製造流程:

MLCC本體的介電材料,以鈦酸鋇、 氧化鈦、鈦酸鎂、 鈦酸鍶…等為主,依據產品的種類(NPO, X7R, Y5V)決定不同的燒結溫度與燒結氣氛。

MLCC內、外電極材料列表:

MLCC內外電極材料

一、厚膜積層技術 :

  • 生胚成形 : 帶狀生胚,厚度: 5µm – 25 µm。
  • 電極印刷 : 導電電極印刷, 依尺寸。
  • 疊層技術 : 4 – 250 層。
  • 切割技術 : Knife cutting, Laser cutting, Sawing。

二、陶瓷共燒技術:

  • 陶瓷及金屬電極材料 : 使用匹配的材料。
  • 本體燒結技術 : 溫度 (950~1300°C)及氣氛控制 (空氣,氮/氫 混合氣)。
  • 端電極技術 : 高溫燒附(750~900°C) 及氣氛控制 (銅電極)。
  • 電鍍技術 (鍍鎳, 錫/鉛), 純錫電鍍。

MLCC之製造流程大致如下:MLCC製造流程圖解

MLCC以材料特性又分為NME(Noble Metal Electrode,貴金屬電極)及BME(Base Metal Electrode,卑金屬電極)兩種製程技術,其生成運用的特性也稍有不同。NME比較穩定,經常作為耐高壓的產品,價錢也比較貴;BME則屬於低成本的產品,允差比較大,一般用在比較不挑剔的產品上。MLCC-BME及NME之製程技術

MLCC的最大問題是太過脆弱,一個使用或處理不小心就容易出現破裂(crack)的情形發生,所以一般MLCC出廠時都會特別註明如何handle這些嬌客。焊接或是解焊時還得注意不要對其本體產生應力,否則它就會「破」給你看。參考下面兩篇文章應該可以給你一些關於MLCC破裂的知識:
MLCC多層陶瓷電容破裂的可能原因
陶瓷電容(MLCC)落下後破裂並掉落分析(應力)


延伸閱讀:
顯示器周圍的緩衝橡膠墊片設計
COG(Chip On Glass)作業流程及注意事項
初探HSC(HeatSeal Connector)與ACF(Anisotropic Conductive Film)製程


訪客留言內容(Comments)

MLCC電容在rework時最怕兩端PAD有溫差.因為會Burnout

River;
是的,MLCC怕兩端的應力不平均,rework時如果單面加錫容易對本體型成應力造成破裂。

也說一下之前遇到的:
1、做電池板時,濾波電容太靠近 V-cut邊跟PCB 前端,滾刀一進去PCB前端應力過大就拉裂了,量沒有問題,一通電馬上短路 ,後來倒過來裁,一開始的應力沒那麼大,就改善了。
2、在 ATE 測試後員工拿板沒有固定好電源線, DC-Jack 在移動過程中有敲擊到 MLCC ,Burn-in 後跟OQC 都有發現電容開短路狀況(顯微鏡下看不出明顯傷痕,切片是看到傷)客退也有發現一樣的問題,也是找了很久。因為傷到後不容易看到,有時也不會馬上出現,所以個人很討厭 MLCC的不良,不要遇到最好。

鶯歌狼;
感謝你的經驗分享。
真的得有一些慘痛經驗,才會瞭解。

感謝版主的細心指導 另外小弟還有一些不太明白的地方 希望版主能幫我解惑一下
關於MLCC和MLCI 在製作過程中 是否會用到離型膜(Release films)這項材料請問是在MLCC製造過程中會使用的東西嗎?像是一開始的瓷膜成型階段裡用的上陶瓷塗料用的膜??還是在衝壓之後,為了方便切割才會貼上的膜呢?還是已經到產品完全生產好之後 最終階段再把成品的MLCC貼上一層離型膜才算完成品在賣給下游買家??
請問就MLCC和MLCI被動元件對離型模有甚麼特殊要求嗎?? 相對於其他光學膜,用於LED或是晶片專用的Films上又或者是一般離型膜比起來是否有更多要求?譬如溫度?離型力??

小第一直找不到離型膜在MLCC和MLCI被動元件製程上的連結點 還望樓主您能為我解惑 感激不盡!!

Kai;
對不起!
我沒有「離型膜」這一方面的資料!

现象:板卡过热,怀疑是电容值超出误差范围导致的
使用电桥测量,100NF,误差范围±10%
测量结果:.我方提供的剩余料测量值为98nf,客户的物料为93nf,从板卡上拆下的物料为117nf,我方物料和客户物料均在范围之内,拆料超出了正常范围,为什么?请帮助解释一下,谢谢!

王怀军;
我沒有你想的那麼厲害!
你的現象我沒有遇到過,也不知道原因為何?

請問一下,了解軟端MLCC製程與一般料的差異嗎
防BENDING

游小婕;
Sorry! 不是很瞭解你的【了解軟端】MLCC是什麼東西。

作者您好,

我是做網印設備商(平面網版印刷),對於MLCC不熟,向您請教在該製程中有導電銀漿的印刷,這項印刷的細節或要求限制是否可以提供給我參考,評估我們的機台是否可在這產業被使用。
謝謝。

昭安;
Sorry!
這個我沒有實際的經驗可以提供給您參考。

先前游小婕所問的軟端是在MLCC內外端子間加入一層銀膠(Ag-Pd paste)
主要目前為
1.mechanical stress: 增加MLCC的bending能力,一般品板彎能力約3mm,軟端可以做到10mm

2.heat shock stress: 在thermal shock test,零件呈現open.因為失效的點是在軟端而非電極層

通常此類會應用在CLASS 2高容量的產品,主要原因class 2陶瓷體本身較脆弱.天生的弱點就是容易受到外來應力影響

peizhi;
感謝您的補充說明,這真的要是內行的才會知道的內容。

版主您好!可否請教,有關觸控面板的投射電容原理,與一般電容器的原理是否相同,還是有甚麼差異?目前從事觸控製造業,但所學非電子科類,製造相關技術尚可,但一接觸到電子方面就有點弱了,望提供您的所知,感恩!

Sorry,你的問題與本文無關。

還是感謝你多方面專業的無私分享,會繼續關注你的PO文,攝取知識,感恩!

版大您好:

想像您請教 假設 我一個電器產品 是DC24V,0.65A那其中電路板中的C8
我該選擇哪種容值較好 您上面提到 電壓越高容值越低,
那如果使用容值10 µF 可以嗎?
電壓24V 那做為安全考量的話需要怎麼做

ICEICE,
我不是學電子的,所以這方便不熟。

敬啟者您好

有事請教如下:
1. 什麼是 Asymmetric Capacitor? 用在那裡?
2. 如何計算電容器的儲存量?其儲存量是否以Wh 來表示? 或如何知道電
容器的儲存量是多少? (an energy storage capacity)

趕謝您的釋疑.

敬祝 平安!!

鄭豐堯,
1.目前個人對這個非對稱性電容(Asymmetric Capacitor)並不清楚也沒有研究,有興趣可以查看網路上英文版的說明。
2.Wh是[瓦特-小時],相當於[焦耳],為能量單位為法拉(F)。此外還有μF(微法)、 pF(皮法),另外還有一個用的比較少的單位,那就是:nF, 由於電容F 的容量非常大,所以我們看到的一般都是μF、nF、pF的單位 ,而不是F的單位。

請問MLCC 可能會出現ESD 擊傷嗎? 因最近有一個Case, 電容出現短路, 供應商解析為ESD 擊傷, 謝謝

Jinsan,
任何電子零件都可能因為ESD造成損毀,尤其是越精細的零件,MLCC也會,但不識很常見就是了,可以讓廠商提供證據證明是ESD造成的。


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