簡(jiǎn)介

雖然電解電容長(zhǎng)期以來(lái)一直是需要大于100μF電容的去耦應(yīng)用的首選解決方案，但這些器件具有固有的可靠性和使用壽命問(wèn)題，并且通常是第一個(gè)失效的元件。多層陶瓷電容器（MLCC）技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在為設(shè)計(jì)人員提供了傳統(tǒng)電解電容器的高電容替代品。與電解相比，新的高值MLCC具有更低的等效串聯(lián)電阻（ESR）和電感（ESL）的優(yōu)勢(shì)，并且證明平均故障時(shí)間（MTTF）為10，000至超過(guò)1，000，000年。高價(jià)值MLCC的應(yīng)用包括汽車電子，醫(yī)療電子和工業(yè)設(shè)備。

本文介紹了TAIYO YUDEN高級(jí)MLCC產(chǎn)品背后的材料科學(xué)。它還提供了比較性能和價(jià)格數(shù)據(jù)，以顯示這些陶瓷電容器如何比聚合物電容器具有顯著優(yōu)勢(shì)。

高電容MLCCS與聚合物電容器相比

高電容MLCC提供了顯著改進(jìn)等效聚合物電容器性能和價(jià)格的比較證明了MLCC在需要高電容值和/或其他系統(tǒng)級(jí)改進(jìn)的設(shè)計(jì)中取代聚合物電容器的潛力。

性能比較

除了與電解裝置相比，MLCC拓?fù)涞墓虘B(tài)特性提供了機(jī)械優(yōu)勢(shì)，許多顯著的電氣性能改善也很明顯。

更低的ESR和ESL

圖1顯示了與330μF聚合物電容器相比，100μF，220μF和330μFMLCC的等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。除了降低ESR和ESL值的系統(tǒng)損耗之外，MLCC的外殼尺寸和印刷電路板占板面積也大大減小。

圖1：與聚合物電容器相比，100μF，220μF和330μF的MLCC。

使用更緊湊的MLCC進(jìn)行下垂測(cè)試的可比結(jié)果

在特定應(yīng)用中，MLCC可提供與聚合物電容器類似的性能，同時(shí)顯著減少安裝尺寸。圖2顯示了競(jìng)爭(zhēng)性聚合物器件與下垂測(cè)試中選擇的100μFMLCC的比較結(jié)果。 （注意MLCC如何提供類似的結(jié)果，尺寸為?到1/6的足跡。）

圖2：類似于MLCC的下垂測(cè)試性能可比較的電解質(zhì)。

具有更小外殼尺寸的可比紋波性能

圖3顯示了150μF，220μF和330μFMLCC的紋波電壓和電壓降波形與330相比μF和470μF聚合物器件。與聚合物器件相比，150μFMLCC的紋波電壓略有改善，而220μF和330μFMLCC的紋波性能得到顯著改善。同樣，盡管提供相同或更好的性能，MLCC提供更緊湊的封裝。

圖3：100μF，220μF和330μF的MLCC與聚合物電容器相比。

在高頻范圍內(nèi)具有出色的穩(wěn)定性

MLCC提供的一項(xiàng)更顯著的改進(jìn)是隨著電容隨頻率的變化而減小。圖4比較了MLCC和聚合物設(shè)計(jì)的頻率特性。在100 Hz至100 MHz的頻率范圍內(nèi)，四個(gè)MLCC的變化僅為8％至12％，而六個(gè)聚合物器件的變化為18％至80％。

圖4：與聚合物電容器相比，MLCC的電容值對(duì)頻率的影響。

圖5：MLCC的優(yōu)勢(shì)在于與聚合物電容器相當(dāng)?shù)膬r(jià)位。 （基于市場(chǎng)研究的價(jià)格比較;實(shí)際價(jià)格可能會(huì)有所不同。）

價(jià)格比較

更高價(jià)值的MLCC成本與聚合物電容器相當(dāng)，如圖5所示。作為電容值MLCC繼續(xù)與聚合物電容器競(jìng)爭(zhēng)激烈。然而，在所有價(jià)位上，MLCC通過(guò)提供非極性設(shè)計(jì)方法來(lái)改善設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化制造工藝，降低ESR，ESL并減少占地面積。

MLCC應(yīng)用示例

MLCC在電解質(zhì)的性能包括物理尺寸和電氣優(yōu)勢(shì)。此外，在某些應(yīng)用中，使用更低電容（甚至更?。┑腗LCC可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

電源輸出電壓穩(wěn)定

為了提高效率，今天的數(shù)字產(chǎn)品越來(lái)越多地配備開(kāi)關(guān)型電源。這些電源電路使用高值電容器的組合來(lái)平滑輸出并確保最終產(chǎn)品中其他電路的穩(wěn)定運(yùn)行。圖6顯示了使用MLCC改善降壓轉(zhuǎn)換器中波形的示例。

高價(jià)值MLCC技術(shù)在此應(yīng)用中的重要優(yōu)勢(shì)是顯著減小了元件尺寸并減少了兩者與電解質(zhì)相比，ESR和ESL。圖6描述了電容器的低ESR和ESL如何有助于降低紋波電流。

圖6：降壓轉(zhuǎn)換器中的紋波電壓發(fā)生機(jī)制電容的ESR和ESL。

噪聲濾波

在高頻時(shí)，MLCC可以濾除RF噪聲，并將高頻尖峰對(duì)其他電路的破壞性影響降至最低。圖7顯示了此應(yīng)用程序的一個(gè)示例。 MLCC在更寬的頻率范圍內(nèi)具有更好的性能，并且具有低ESR和ESL，因此非常適合此應(yīng)用。

圖7：RF噪聲去耦使用MLCC的好處。

TAIYO YUDEN MLCC產(chǎn)品的發(fā)展和技術(shù)

圖8顯示了各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝中批量生產(chǎn)的高電容MLCC的發(fā)展。如圖所示，MLCC的趨勢(shì)是朝向更高的電容和縮小的形狀因子。 TAIYO YUDEN是提供增加電容的多層陶瓷電容器的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。

圖8：MLCC技術(shù)朝著更小尺寸和更高電容的趨勢(shì)。

2013年9月，該公司率先生產(chǎn)330μFMLCC，一年后宣布推出470μF設(shè)備。隨著加速發(fā)展，該公司承諾在不久的將來(lái)增加更高電容的設(shè)備。 TAIYO YUDEN在MLCC技術(shù)方面的發(fā)展，包括領(lǐng)先的微制造技術(shù)以及尖端的高精度分層技術(shù)，在過(guò)去五年中電容增加了十倍。圖9顯示了過(guò)去30年來(lái)TAIYO YUDEN MLCC的歷史。

圖9：TAIYO YUDEN MLCC大規(guī)模生產(chǎn)的歷史。

材料科學(xué)推動(dòng)了性能提升

MLCC需要各種關(guān)鍵技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)越來(lái)越高的價(jià)值。如圖10所示，這些技術(shù)包括：

超細(xì)粉末技術(shù)

核殼結(jié)構(gòu)

薄層技術(shù)

印刷技術(shù)

多層技術(shù)

模擬技術(shù)

每個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步都有助于TAIYO YUDEN始終如一地保持高水平全行業(yè)的MLCC值。

圖10：MLCC實(shí)現(xiàn)高電容值的關(guān)鍵技術(shù)。

TAIYO YUDEN材料技術(shù)

超高端產(chǎn)品中使用的單層材料片材的厚度從微米縮小到亞微米。 TAIYO YUDEN近期技術(shù)創(chuàng)新的近期目標(biāo)是到2016年生產(chǎn)1000μF陶瓷電容器。隨著最近在2013年推出330μF和2014年推出470μF的成功，正在朝著這一目標(biāo)取得重大進(jìn)展。/p》

鈦酸鋇是使TAIYO YUDEN繼續(xù)尋求從原材料水平到制造的各個(gè)階段向市場(chǎng)提供小尺寸，高產(chǎn)量和高價(jià)值產(chǎn)品的關(guān)鍵原材料。圖11顯示了EIA Class 2 MLCC的制造方法和元件級(jí)技術(shù)。

圖11：TAIYO的制造方法和元件技術(shù)YUDEN MLCC。

能夠大批量生產(chǎn)緊湊型和高電容產(chǎn)品的核心技術(shù)是能夠制造薄且均勻的電介質(zhì)。通過(guò)控制電介質(zhì)的厚度，TAIYO YUDEN目前擁有在厚度小于1微米的區(qū)域內(nèi)具有絕緣性能的技術(shù)。

通過(guò)控制粉末來(lái)制造薄而均勻的薄板，從而提煉和推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。合成原料進(jìn)行分散，以及層壓，燒制然后整理這些板材的整個(gè)過(guò)程。圖12顯示了增加更細(xì)的粉末和均勻片技術(shù)導(dǎo)致的電介質(zhì)和電極的減少。

圖12：TAIYO YUDEN的核心技術(shù)導(dǎo)致更加緊湊和更高電容的MLCC產(chǎn)品。

生產(chǎn)價(jià)值遠(yuǎn)高于100μF的MLCC需要在實(shí)驗(yàn)室和制造技術(shù)方面進(jìn)行廣泛的研究。這些知識(shí)對(duì)于實(shí)現(xiàn)精確的層壓以及克服燒制的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。層數(shù)增加。

TAIYO YUDEN MLCC增強(qiáng)

聲學(xué)噪聲抑制

高電容型MLCC中常用的鐵電陶瓷材料可能會(huì)導(dǎo)致在施加電場(chǎng)時(shí)的機(jī)械變形。利用AC電壓，電容器振動(dòng)并將該振動(dòng)傳遞到基板，從而產(chǎn)生可聽(tīng)見(jiàn)的聲音。為了解決這個(gè)問(wèn)題，TAIYO YUDEN開(kāi)發(fā)了聲學(xué)噪聲抑制介電材料，用于商業(yè)化電容器以降低噪聲。

這些降噪產(chǎn)品還可以減小電容量直流偏置電壓，非常適合用于筆記本電腦的電源電路。例如，在使用實(shí)際電路中的電壓波形進(jìn)行的測(cè)量中，與具有常規(guī)X5R特性的產(chǎn)品相比，確認(rèn)存在降壓效果，如圖13所示。

圖13：采用聲學(xué)降噪措施降低聲壓級(jí)的MLCC。

軟終端

圖14顯示了MLCC外部電極的設(shè)計(jì)元素，包括軟端接方面。軟端接提供耐熱循環(huán)性和抗基板彎曲性。

圖14：MLCC的軟端接提供耐熱循環(huán)性和對(duì)基板的耐受性TAIYO YUDEN高價(jià)值MLCC產(chǎn)品

TAIYO YUDEN利用專利技術(shù)和原材料的廣泛開(kāi)發(fā)，不斷推出小尺寸，大批量的MLCC。具有超過(guò)1200層的多層結(jié)構(gòu)在EIA 1812外殼尺寸中產(chǎn)生470μF的電容。表1和表2顯示了最新MLCC的規(guī)格，其值大于100μF。

除電容值外，指定MLCC時(shí)所需的其他重要特性包括：最大額定電壓，厚度，EIA/JIS外殼尺寸和溫度額定值，以及溫度系數(shù)（電容變化）。溫度系數(shù)可確定MLCC在工作溫度范圍內(nèi)的變化程度。常見(jiàn)的評(píng)級(jí)包括：X5R（-55°C至+ 85°C，±15％），X6S（-55°C至+ 105°C，±22％），X7R（-55°C至125°C，± 15％）和X7S（-55°C至125°C，±22％）。

電容外殼尺寸

eIa額定電壓。

（VDC）溫度

特性電容

公差零件號(hào)100μF08052.5 X5R±20％PMK212BBJ107MG-T100μF12064 X5R±20％AMK316ABJ107ML-T100μF12064 X6S±20％AMK316AC6107ML-T100μF12066.3 X5R±20％JMK316ABJ107ML-T100μF1210 6.3 X5R±20％JMK325ABJ107MM-T100μF12106.3 X7S±20％JMK325AC7107MM-T100μF12106.3 X6S±20％JMK325AC6107MM-T100μF121010 X5R±20％LMK325ABJ107MM-T150μF12064 X5R±20％AMK316BBJ157ML -T150μF12104 X5R±20％AMK325ABJ157MM-T150μF12104 X6S±20％AMK325AC6157MM-T150μF12106.3 X5R±20％JMK325ABJ157MM-T220μF12062.5 X5R±20％PMK316BBJ227ML-T220μF12102.5 X6S±20％PMK325AC6227MM-T220μF12104 X5R±20％AMK325ABJ227MM-T220μF12104 X6S±20％AMK325AC6227MM-T220μF12106.3 X5 R±20％JMK325ABJ227MM-T330μF12102.5 X6S±20％PMK325AC6337MM-T330μF12104 X5R±20％AMK325ABJ337MM-T470μF18122.5 X6S±20％PMK432C6477MM-T470μF18124 X5R±20％AMK432BJ477MM-T

表1：適用于一般應(yīng)用的高值MLCCS。

電容外殼尺寸

eIa額定電壓。（VDC）溫度

特性電容

容差零件號(hào)100μF12064 X5R± 20％AMK316ABJ107MLHT100μF12066.3 X5R±20％JMK316BBJ107MLHT100μF12104 X5R±20％AMK325ABJ107MMHT100μF12106.3 X5R±20％JMK325ABJ107MMHT220μF12104 X5R±20％AMK325ABJ227MMHT

表2：高值MLCC高可靠性應(yīng)用 - 符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)。

除了超小型電容器和大容量電容器外，TAIYO YUDEN產(chǎn)品系列還包括特殊類型的電容器，如低ESL電容器，用于高頻應(yīng)用的電容器，高壓電容器和陣列型電容器。

結(jié)論

由于多層電容器的優(yōu)勢(shì)在非線性電容器中，MLCC器件已經(jīng)證明能夠在許多消費(fèi)，工業(yè)和汽車應(yīng)用中取代聚合物電容器。越來(lái)越高價(jià)值的MLCC有望加強(qiáng)這一趨勢(shì)。憑借在將實(shí)驗(yàn)室突破轉(zhuǎn)化為大批量生產(chǎn)方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，TAIYO YUDEN正在確定高價(jià)值MLCC發(fā)展的步伐。如今，該公司認(rèn)識(shí)到超高端技術(shù)的關(guān)鍵市場(chǎng)需求。其目標(biāo)是通過(guò)開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的微結(jié)構(gòu)在2016年完成并提供1000μF陶瓷電容，從而在MLCC產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)更高的電容值。