MLCC簡介

　　MLCC是片式多層陶瓷電容器英文縮寫。主要MLCC主要生產廠家：美國基美（KEMET）；日本村田、京瓷、丸和、TDK；韓國三星；***國巨、華新科、禾伸堂；大陸有名的則是宇陽、風華高科、三環(huán)。

　　按照溫度特性、材質、生產工藝。MLCC可以分成如下幾種：NPO、COG、Y5V、Z5U、X7R、X5R等。NPO、COG溫度特性平穩(wěn)、容值小、價格高；Y5V、Z5U溫度特性大、容值大、價格低；X7R、X5R則介于以上兩種之間。

　　按材料SIZE大小來分。大致可以分為3225、3216、2012、1608、1005、0603、0402數(shù)值越大。SIZE就更寬更厚。目前常用的最多為3225最小為0402。

　　目前在便攜產品中廣泛應用的片式多層陶瓷電容器（MLCC）材料根據(jù)溫度特性，主要可分為兩大類：BME化的C0G產品和LOWESR選材的X7R（X5R）產品。

　　MLCC產品的主要特點

　　1、等效串聯(lián)電阻小，阻抗低

　　在0.1-10MHz范圍內，4.7μF的MLCC遠比10倍容量的鋁電解電容器及2倍以上容量的鉭電解電容器阻抗要小得多，因此，在高頻工作條件下，它有可能取代尺寸大或價格高的鋁電解電容器或鉭電解電容器，并有更好的性能。

　　2、額定紋波電流大

　　電容器的一個重要功能是用做平滑濾波器，因此額定紋波電流大小是一個重要性能指標。在設計濾波電路中，電容器的額定紋波電流要大于電路的最大紋波電流。由于MLCC的ESR小，因此它的額定紋波電流大，大電流的充、放電不會使電容器因過熱而損壞。

　　3、品種、規(guī)格齊全

　　MLCC的品種、規(guī)格齊全。有耐高壓系列（500～5000V）、EMI濾波系列、低阻抗系列、有高精度調諧系列（RF頻段）及多個電容器陣列，適合各方面應用。

　　4、尺寸小

　　MLCC中0402尺寸的電容器的容量可達0.047μF（X5R）、0.1μF（Y5V），0603尺寸的可達1μF（Y5V），0805尺寸的可達2.2μF（Y5V）。這對便攜產品節(jié)省空間具有很大意義，而且10V的耐壓也很適合便攜應用。

　　5.無極性

　　由于無極性，其裝配將會更加方便。

　　MLCC選型要素解析

　　MLCC的選型過程中：首先MLCC參數(shù)要滿足電路要求，其次就是參數(shù)與介質是否能讓系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)；再次，來料MLCC是否存在不良品，可靠性如何；最后，價格是否有優(yōu)勢，供應商配合是否及時。許多設計工程師不重視無源元件，以為僅靠理論計算出參數(shù)就行，其實，MLCC的選型是個復雜的過程，并不是簡單的滿足參數(shù)就可以的。

　　選型要素：

　　參數(shù)：電容值、容差、耐壓、使用溫度、尺寸

　　材質

　　直流偏臵效應

　　失效

　　價格與供貨

　　不同介質性能決定了MLCC不同的應用：

　　C0G電容器具有高溫度補償特性，適合作旁路電容和耦合電容X7R電容器是溫度穩(wěn)定型陶瓷電容器，適合要求不高的工業(yè)應用。

　　Z5U電容器特點是小尺寸和低成本，尤其適合應用于去耦電路Y5V電容器溫度特性最差，但容量大，可取代低容鋁電解電容MLCC常用的有C0G（NP0）、X7R、Z5U、Y5V等不同的介質規(guī)格，不同的規(guī)格有不同的特點和用途。C0G、X7R、Z5U和Y5V的主要區(qū)別是它們的填充介質不同。在相同的體積下由于填充介質不同所組成的電容器的容量就不同，隨之帶來的電容器的介質損耗、容量穩(wěn)定性等也就不同，所以在使用電容器時應根據(jù)電容器在電路中作用不同來選用不同的電容器。

　　C0G（NP0）電容器

　　C0G是一種最常用的具有溫度補償特性的MLCC。它的填充介質是由銣、釤和一些其它稀有氧化物組成的。C0G電容量和介質損耗最穩(wěn)定，使用溫度范圍也最寬，在溫度從-55℃到+125℃時容量變化為0±30ppm/℃，電容量隨頻率的變化小于±0.3ΔC。C0G電容的漂移或滯后小于±0.05%，相對大于±2%的薄膜電容來說是可以忽略不計的。其典型的容量相對使用壽命的變化小于±0.1%。

　　C0G電容器隨封裝形式不同其電容量和介質損耗隨頻率變化的特性也不同，大封裝尺寸的要比小封裝尺寸的頻率特性好。C0G電容器適合用于振蕩器、諧振器的旁路電容，以及高頻電路中的耦合電容。

　　X7R電容器

　　X7R電容器被稱為溫度穩(wěn)定型陶瓷電容器。X7R電容器溫度特性次于C0G，當溫度在-55℃到+125℃時其容量變化為15%，需要注意的是此時電容器容量變化是非線性的。

　　X7R電容器的容量在不同的電壓和頻率條件下也是不同的，它隨時間的變化而變化，大約每10年變化1%ΔC，表現(xiàn)為10年變化了約5%。X7R電容器主要應用于要求不高的工業(yè)應用，并且電壓變化時其容量變化在可以接受的范圍內，X7R的主要特點是在相同的體積下電容量可以做的比較大。

　　Z5U電容器

　　Z5U電容器稱為“通用”陶瓷單片電容器。這里要注意的是Z5U使用溫度范圍在+10℃到+85℃之間，容量變化為+22%到-56%，介質損耗最大為4%。Z5U電容器主要特點是它的小尺寸和低成本。對于上述兩種MLCC來說在相同的體積下，Z5U電容器有最大的電容量，但它的電容量受環(huán)境和工作條件影響較大，它的老化率也是最大，可達每10年下降5%。

　　盡管它的容量不穩(wěn)定，由于它具有小體積、等效串聯(lián)電感（ESL）和等效串聯(lián)電阻（ESR）低、良好的頻率響應等特點，使其具有廣泛的應用范圍，尤其是在去耦電路中的應用。

　　Y5V電容器

　　Y5V電容器是一種有一定溫度限制的通用電容器，Y5V介質損耗最大為5%。Y5V材質的電容，溫度特性不強，溫度變化會造成容值大幅變化，在-30℃到85℃范圍內其容量變化可達+22%到-82%，Y5V會逐漸被溫度特性好的X7R、X5R所取代。各種不同材質的比較從C0G到Y5V，溫度特性、可靠性依次遞減，成本也依次減低C0G、X7R、Z5U、Y5V的溫度特性、可靠性依次遞減，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，要求更高時必須選擇C0G的。一般情況下，MLCC都設計成使X7R、Y5V材質的電容在常溫附近的容量最大，容量相對溫度的變化軌跡是開口向下的拋物線，隨著溫度上升或下降，其容量都會下降。并且C0G、X7R、Z5U、Y5V介質的介電常數(shù)也是依次減少的，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。實際應用中很多公司的開發(fā)設計工程師按理論計算，而不了解MLCC廠家的實際生產狀況，常常列出一些很少生產甚至不存在的規(guī)格，這樣不但造成采購成本上升而且影響交期。比如想用0603/C0G/25V/3300pF的電容，但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF。

　　MLCC替代電解電容Z5U、Y5VMLCC可取代低容量鋁、鉭電解電容器取代電解電容要注意MLCC溫度特性是否合適。

　　英制與公制不能混用

　　與鋁電解電容，鉭電容相比，MLCC具有無極、ESR特性值小、高頻特性好等優(yōu)勢，而且MLCC正在朝小體積、大容量化發(fā)展，如Y5V可以做到較高的容量，通常1206表面貼裝Z5U、Y5V介質電容器量甚至可以達到100μF，在某種意義上是取代低容量鋁、鉭電解電容器的有力競爭對手，但是也要注意這些電容的尺寸比較大，容易產生裂紋。另外，Y5V的MLCC最高溫度只有85度，取代電解電容時要注意溫度是否合適。

　　MLCC的尺寸是用一組數(shù)字來表示，例如0402、0603。表示方法有兩種，一種是英制表示法，一種是公制表示法。美國的廠家用英制，日本廠家基本上都用公制的，而國內廠家有用英制表示的也有用公制表示的，所以要特別注意規(guī)格表中標號對照尺寸的單位是英寸還是毫米。

　　國內工程師一般習慣使用英制表示，但是也要注意工程師與采購之間要統(tǒng)一認識，要用公制都用公制，用英制都用英制，避免發(fā)生誤會，例如說到0603，英制和公制表示里都有0603，但實際尺寸差別很大。MLCC的直流偏臵效應

　　直流偏臵效應會引起電容值改變小尺寸電容取代大尺寸電容不簡單

　　記住向供應商索要系統(tǒng)最常用電壓的綜合曲線

　　在選擇MLCC時還必須考慮到它的直流偏臵效應。電容選擇不正確可能對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴重破壞。直流偏臵效應通常出現(xiàn)在鐵電電介質（2類）電容中，如X5R、X7R、及Y5V類電容。設計人員在考慮無源器件時，他們會想到考量電容的容差，這在理論上是對的，陶瓷電容的容差是在1kHz頻率、1Vrms或0.5Vrms電壓下規(guī)定/測試的，但實際應用的條件差異非常大。在較低的rms電壓下，電容額定值要小得多。在某一特定頻率下，在一個陶瓷電容上加直流偏臵電壓會改變這些元件的特性，故有“有源的無源器件（activepassives）”之稱。例如，一個10μF，0603，6.3V的電容在-30°C下直流偏臵1.8V時測量值可能只有4μF。

　　陶瓷電容的基本計算公式如下：C=K×［（S×n）/t］

　　這里，C=電容量，K=介電常數(shù)，n=介電層層數(shù)，S=電極面積，t=介電層厚度

　　影響直流偏臵的因子有介電常數(shù)、介電層厚度、額定電壓的比例因子，以及材料的晶粒度。

　　容上的電場使內部分子結構產生“極化”，引起K常數(shù)的暫時改變，不幸的是，是變小。電容的外殼尺寸越小，由直流偏臵引起的電容量降量百分比就越大。若外殼尺寸一定，則直流偏臵電壓越大，電容量降量百分比也越大。系統(tǒng)設計人員為節(jié)省空間用0603電容代替0805電容時，必須相當謹慎。

　　因此，請記住應該向廠商索取在應用的預定直流偏臵電壓下的電容值曲線。電容器生產商往往喜歡出示單獨的曲線，如電容量隨溫度的變化曲線，另一條是電容量隨直流偏臵的變化曲線。不過，他們不會同時給出兩條，但實際應用恰恰需要兩條。應該記住向生產廠商索要系統(tǒng)最常用電壓的綜合曲線。檢測時容量不正常，MLCC的長時間放臵會導致特性值的降低檢測方法不當也會引起容量偏差。

　　對于剛入行的采購或者選型工程師來說，可能會經常遇到檢測時容量偏差的問題，要么是不良品，要么是因為MLCC的長時間放臵導致特性值的降低，可以使用燒結的方法恢復特性值。

　　搬運與儲存時要注意防潮，Y5V與X7R產品存放時間太長，容量變化較大。MLCC測試容量時，檢測方法要正確，容量會因檢測設備的不同而有偏差。

　　MLCC的失效問題

　　MLCC在生產中可能出現(xiàn)空洞、裂紋、分層組裝過程中會引起哪些失效？哪些過程會引起失效？有的裂紋很難檢測出來

　　MLCC內在可靠性十分優(yōu)良，可以長時間穩(wěn)定使用。但如果器件本身存在缺陷或在組裝過程中引入缺陷，則會對其可靠性產生嚴重影響。例如，MLCC在生產時可能出現(xiàn)介質空洞、燒結紋裂、分層等缺陷。分層和空洞、裂紋為重要的MLCC內在缺陷，這點可以通過篩選優(yōu)秀的供應商，并對其產品進行定期抽樣檢測等來保證。

　　另一種就是組裝時引入的缺陷，缺陷主要來自機械應力和熱應力。MLCC的特點是能夠承受較大的壓應力，但抵抗彎曲能力比較差。所以PCB板的彎曲也容易引起MLCC開裂。由于MLCC是長方體，焊端在短邊，PCB發(fā)生形變時，長邊承受應力大于短邊，容易發(fā)生裂紋。所以，排板時要考慮PCB板的變形方向與MLCC的安裝方向。在PCB可能產生較大形變的地方都盡量不要放臵電容，比如PCB定位鉚接、單板測試時測試點機械接觸等位臵都容易產生形變。

　　厚的PCB板彎曲小于薄的PCB板，所以使用薄PCB板時更要注意形變問題常見應力源有：工藝過程中電路板操作；流轉過程中的人、設備、重力等因素；通孔元器件的插入；電路測試、單板分割；電路板安裝；電路板定位鉚接；螺絲安裝等。該類裂紋一般起源于器件上下金屬化端，沿45℃角向器件內部擴展。該類缺陷也是實際發(fā)生最多的一種類型缺陷。

　　同樣材質、尺寸和耐壓下的MLCC，容量越高，介質層數(shù)就越多，每層也越薄，并且相同材質、容量和耐壓時，尺寸小的電容每層介質更薄，越容易斷裂。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。裂紋通?？梢允褂?a target="_blank">ICT設備完成檢測，有的裂紋比較隱蔽，無法保證100%的檢測效果。溫度沖擊裂紋主要由于器件在焊接特別是波峰焊時承受溫度沖擊所致。焊接時MLCC受熱不均，容易從焊端開始產生裂紋，大尺寸MLCC尤其如此。這是因為大尺寸的電容導熱沒有小尺寸的好，造成電容受熱不均，膨脹幅度不同，從而產生破壞性應力。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，也會產生應力導致裂紋。相對于回流焊，波峰焊時這種失效會大大增加。要避免這個問題，回流焊、波峰焊時需要有良好的焊接溫度曲線，一般器件工藝商都會提供相關的建議曲線。通過組裝良品率的積累和分析，可以得到優(yōu)化的溫度曲線。

　　IBIS模型是一種基于V/I曲線對I/OBUFFER快速準確建模方法，是反映芯片驅動和接收電氣特性一種國際標準，它提供一種標準文件格式來記錄如驅動源輸出阻抗、上升/下降時間及輸入負載等參數(shù)，非常適合做振蕩和串擾等高頻效應計算與仿真。

　　IBIS本身只是一種文件格式，它說明在一標準IBIS文件中如何記錄一個芯片驅動器和接收器不同參數(shù)，但并不說明這些被記錄參數(shù)如何使用，這些參數(shù)需要由使用IBIS模型仿真工具來讀取。欲使用IBIS進行實際仿真，需要先完成四件工作：獲取有關芯片驅動器和接收器原始信息源；獲取一種將原始數(shù)據(jù)轉換為IBIS格式方法；提供用于仿真可被計算機識別布局布線信息；提供一種能夠讀取IBIS和布局布線格式并能夠進行分析計算軟件工具。

　　IBIS模型優(yōu)點可以概括為：在I/O非線性方面能夠提供準確模型，同時考慮了封裝寄生參數(shù)與ESD結構；提供比結構化方法更快仿真速度；可用于系統(tǒng)板級或多板信號完整性分析仿真?？捎肐BIS模型分析信號完整性問題包括：串擾、反射、振蕩、上沖、下沖、不匹配阻抗、傳輸線分析、拓撲結構分析。IBIS尤其能夠對高速振蕩和串擾進行準確精細仿真，它可用于檢測最壞情況上升時間條件下信號行為及一些用物理測試無法解決情況；模型可以免費從半導體廠商處獲取，用戶無需對模型付額外開銷；兼容工業(yè)界廣泛仿真平臺。

　　IBIS模型核由一個包含電流、電壓和時序方面信息列表組成。IBIS模型仿真速度比SPICE快很多，而精度只是稍有下降。非會聚是SPICE模型和仿真器一個問題，而在IBIS仿真中消除了這個問題。實際上，所有EDA供應商現(xiàn)在都支持IBIS模型，并且它們都很簡便易用。大多數(shù)器件IBIS模型均可從互聯(lián)網上免費獲得?？梢栽谕粋€板上仿真幾個不同廠商推出器件。

　　中國MLCC行業(yè)市場發(fā)展概況

　　據(jù)立木信息咨詢發(fā)布的《中國MLCC行業(yè)調研與投資前景研究報告（2018版）》顯示：縱覽整條MLCC產業(yè)鏈，上游為原材料環(huán)節(jié)，包含兩類主要的原料，一類是MLCC陶瓷粉，主要集中在日本、韓國和***，另一類是構成內電極與外電極的金屬，主要集中在國內；中游為器件制造環(huán)節(jié)，日韓臺的產品市占率較高；下游主要受消費電子、工業(yè)，通信等應用領域需求驅動，未來汽車領域與可轉換能源領域同樣有望成為新生增長點。

　　高端MLCC產品存在技術壁壘，國產MLCC器件加工精度尚存差距。工藝過程主要是將印制電極的陶瓷介質膜片錯位堆疊，一次性高溫燒結形成后，在兩端封金屬層。MLCC海外領先企業(yè)目前已可以實現(xiàn)800-1000層的量產水平，介質厚度接近1微米，而國內企業(yè)MLCC量產產品普遍在300層左右，介質厚度為3微米，加工精度方面與日韓等領先企業(yè)尚存差距。

　　當前高端MLCC產能主要集中于村田、三星電機、太陽誘電、TDK等日韓領先企業(yè)手中。從全球出貨數(shù)量看，MLCC主要面向手機、音視頻設備、PC等消費電子領域。消費電子領域經歷了數(shù)碼音視頻設備滲透、PC市場快速成長，智能手機普及等三波浪潮后，MLCC在消費電子領域出貨量占比已達70%。

　　高端MLCC的需求主要來自于兩方面，其一是智能手機產品對微小化MLCC的需求，其二是汽車應用場景下對高容MLCC的需求。全球智能手機用超小型MLCC需求量將從2016年的3763億顆增長到2020年的6325億顆，年復合增長率為13.9%。

　　汽車應用場景下對高容MLCC的需求，我們根據(jù)每年各類型汽車的銷量和不同車型所需的MLCC數(shù)量來測算汽車應用場景下對高容MLCC的需求量，2016年至2019年，汽車市場對高容MLCC的需求量分別為3495億顆、3787億顆、4267億顆、4582億顆。