Что такое монолитный керамический конденсатор?

Что такое монолитный керамический конденсатор?

Монолитный керамический конденсатор, также называемый MLCC (многослойный керамический конденсатор), представляет собой конденсатор типа чип-компонента с несколькими слоями внутренних электродов и диэлектрических слоев. Дальнейшая эволюция ожидается в конденсаторной промышленности, где миниатюризация и емкость увеличиваются.

В качестве диэлектрика в основном используются титанат бария и оксид титана, а внутренний электрод и диэлектрик формируются в несколько слоев. Увеличение количества слоев позволяет увеличить емкость, что приводит к миниатюризации MLCC.

В последнее время основными размерами MLCC являются 0603 (0,6×0,3 мм) и 0402 (0,4×0,2 мм). Следующее поколение размера 0201 уже реализовано в некоторых значениях емкости, но оно еще не получило широкого распространения на рынке из-за трудностей в обращении.

Монолитные керамические конденсаторы доступны в чиповом и радиальном типах. По сравнению с другими конденсаторами многослойные керамические конденсаторы имеют низкий высокочастотный импеданс и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) и хорошие высокочастотные характеристики.

Типы монолитных керамических конденсаторов

Монолитные керамические конденсаторы доступны в широком диапазоне характеристик, и размер, выдерживаемое напряжение, температурные характеристики и другие факторы должны быть приняты во внимание при определении типа конденсатора, который будет использоваться для конкретного применения. Монолитные керамические конденсаторы можно в целом классифицировать на Класс 1 и Класс 2 с точки зрения их характеристик.

1. Класс 1

Конденсаторы класса 1 также называются конденсаторами с температурной компенсацией и могут быть скомпенсированы относительно легко, поскольку они имеют чрезвычайно низкое ESR, небольшое изменение емкости при изменении температуры, и это изменение линейно.

Однако емкость обычно мала, в диапазоне от 1 пФ до 1 мкФ. ESR в основном используются в приложениях, где изменения емкости нежелательны, например, в цепях генераторов и цепях с постоянной времени.

2. Класс 2

Класс 2 также называется сегнетоэлектрическим типом, и его основным материалом является титанат бария, который обеспечивает большую емкость около 100 мкФ даже при небольшом размере. Однако при его использовании следует учитывать множество моментов, таких как большое ESR, большие температурные колебания емкости и уменьшение фактической емкости при подаче смещения постоянного тока.

Поэтому при использовании монолитных керамических конденсаторов класса 2 важно проектировать схемы с учетом их характеристик. Многослойные керамические конденсаторы класса 2 в основном применяются в схемах, где небольшие изменения емкости оказывают незначительное влияние, например, в качестве сглаживающих и развязывающих конденсаторов источника питания.

Применение монолитных керамических конденсаторов

Монолитные керамические конденсаторы имеют широкий спектр применения, поскольку их производительность можно выбирать в зависимости от количества слоев, а их модельный ряд широк. Монолитные керамические конденсаторы используются в сотовых телефонах, телевизорах и промышленном оборудовании для развязки, связи и сглаживания схем, в преобразователях постоянного тока, в компьютерных источниках питания и для снижения шума.

Для автомобильных приложений выбираются долговечные и отказоустойчивые изделия. Для промышленного оборудования широко используются конденсаторы большой емкости и малой емкости, и в последние годы они заменяют другие конденсаторы.

В настоящее время основные монолитные керамические конденсаторы довольно малы, с размерами 1005 (1,0 x 0,5 x 0,5 мм) и 0603 (0,6 x 0,3 x 0,3 мм), но в будущем ожидается, что сверхмалые конденсаторы, такие как 0402 (уже используемые на рынке) и 0201 (следующее поколение), станут основными. Однако ожидается, что сверхмалые конденсаторы, такие как размер 0402, который уже используется на рынке, и размер следующего поколения 0201 станут основными.

Принцип монолитного керамического конденсатора

Емкость конденсатора C пропорциональна диэлектрической проницаемости ε и площади электродов S и обратно пропорциональна расстоянию d между электродами. Когда конденсаторы соединены параллельно, общая емкость равна сумме емкостей каждого конденсатора.

Поэтому ключом к увеличению емкости конденсатора является использование диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, увеличение площади электродов и максимально возможное уменьшение расстояния между электродными пластинами. Монолитный керамический конденсатор имеет структуру из множества слоев очень тонких электродных пластин, которые можно рассматривать как множество конденсаторов с близким расстоянием между электродными пластинами, соединенными параллельно.

Другими словами, количество слоев N пропорционально емкости конденсатора C. Поэтому, увеличивая емкость с количеством слоев N, можно делать монолитные керамические конденсаторы как меньше, так и больше.

Хотя титанат бария, имеющий очень высокую диэлектрическую постоянную, используется в качестве диэлектрика в большинстве случаев, ожидается, что его производительность в конечном итоге достигнет плато. Поэтому ожидается разработка материалов с превосходной диэлектрической постоянной и менее подверженных износу.

Структура монолитных керамических конденсаторов

Для электродов используется никель, а титанат бария в основном используется для диэлектрика. Никелевая паста, которая служит внутренним электродом, наносится на диэлектрик в виде листа, а затем лист наслаивается и формуется под давлением.

Затем его разрезают на мелкие кусочки и спекают при температуре около 1000°C. Когда внешние электроды присоединены, конденсатор становится монолитным керамическим конденсатором. Обеспечивая, чтобы внутренние электроды были соединены с внешними электродами попеременно слева и справа, слои находятся в том же состоянии, как если бы они были соединены параллельно.

Поскольку они производятся в форме листов, они стали более эффективными, меньшими и тонкими. Количество слоев может достигать 1000. Диэлектрические материалы подразделяются на два типа: тип с низкой диэлектрической проницаемостью, в котором в основном используется оксид титана, и тип с высокой диэлектрической проницаемостью, в котором используется титанат бария.

Класс 1 используется для температурной компенсации и низкой емкости в сигнальных цепях и т. д. Класс 2 имеет высокую диэлектрическую проницаемость и большой температурный коэффициент и используется для развязки источников питания и сглаживающих цепей.

Другая информация о монолитных керамических конденсаторах

1. Характеристики монолитных керамических конденсаторов

Монолитные керамические конденсаторы имеют емкость, которая меняется в зависимости от температуры. Поэтому при выборе монолитного керамического конденсатора следует выбирать его не только на основе емкости и номинального напряжения, но и учитывать температуру в рабочей среде.

Монолитные керамические конденсаторы характеризуются низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) из-за использования в электродах таких металлов, как никель и медь. Монолитные керамические конденсаторы также обладают низкой паразитной индуктивностью (ESL) из-за своей структуры, что делает их пригодными для использования на высоких частотах.

Используя преимущества таких особенностей, как низкий ESR и ESL, можно формировать резонансные контуры с высокими значениями добротности и согласующими цепями с малыми потерями, что делает MLCC незаменимым компонентом в области высокочастотных схемных изделий, а также в приложениях развязки источников питания и подавления шумов.

Изменяя количество слоев электродных пластин, можно управлять емкостью от малой до большой. Поэтому монолитный керамический конденсатор как продукт также характеризуется очень широким диапазоном емкости в подготовленном составе.

2. Базовая технология для большой емкости

Емкость конденсатора увеличивается пропорционально площади внутренних электродных пластин. Чтобы достичь высокой емкости, не меняя размер монолитного керамического конденсатора, важно укладывать как можно больше слоев электродов.

В общем, для достижения миниатюризации и высокой емкости необходимо укладывать электроды с толщиной порядка субмиллиметра, поэтому утончение слоев электродов является важной технологией. Для утончения слоя электрода важны регулировка оксида бария, сырьевой материал диэлектрика и технология печати для формирования внутреннего электрода в виде пасты в лист.

Диэлектрик состоит из мелких частиц, называемых зернами, которые образуются путем добавления добавок к оксиду бария, печати его в форме листа и последующего спекания. То, как спроектирована микроструктура зерен, имеет решающее значение для обеспечения адекватного функционирования тонкослойного диэлектрика.

Технология трафаретной печати, например, используемая для шелкографии, используется для печати тонких внутренних электродов на пасте. Выдавливая пасту через микропоры, можно сформировать равномерный тонкий слой внутреннего электрода.

3. Доля монолитных керамических конденсаторов

Монолитные керамические конденсаторы настолько широко используются в мире электроники, что теперь их считают рисом промышленности. Например, на один телевизионный приемник приходится около 200–300 монолитных керамических конденсаторов, а на один смартфон — около 1000 монолитных керамических конденсаторов.

В электромобилях используется более 15 000 конденсаторов на транспортное средство. Японские компании занимают большую долю производства этих многослойных керамических конденсаторов. Хотя данные немного устарели, четыре крупнейших компании по доле рынка по стоимости в 2017 году выглядят следующим образом, при этом на три японские компании приходится большая часть доли мирового рынка.

• Murata: 33,9% (превысит 40% в 2020 году)
• Samsung Electro-Mechanics: 18,1
• Taiyo Yuden: 10,3
• TDK: 8,4

Высокопроизводительные монолитные керамические конденсаторы особенно востребованы в автомобилях, а Murata и TDK доминируют на мировом рынке. Ожидается, что монолитные керамические конденсаторы пока будут в дефиците, поскольку их использование, как ожидается, еще больше возрастет после 2021 года, когда смартфоны поколения 5G получат широкое распространение.