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《日科干货》关于“陶瓷电容”,你不知道的事情

日期: 2017-12-12
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1900年意大利L.隆巴迪发明陶瓷介质电容器。30年代末人们发现在陶瓷中添加钛酸盐可使介电常数成倍增长,因而制造出较便宜的瓷介质电容器。

  1940年前后人们发现了现在的陶瓷电容器的主要原材料BaTiO3(钛酸钡)具有绝缘性后,开始将陶瓷电容器使用于对既小型、精度要求又极高的军事用电子设备当中。而陶瓷叠片电容器于1960年左右作为商品开始开发。到了1970年,随着混合IC、计算机、以及便携电子设备的进步也随之迅速的发展起来,成为电子设备中不可缺少的零部件。现在的陶瓷介质电容器的全部数量约占电容器市场的70%左右。

  陶瓷介质电容器的绝缘体材料主要使用陶瓷,其基本构造是将陶瓷和内部电极交相重叠。陶瓷材料有几个种类。自从考虑电子产品无害化特别是无铅化后,高介电系数的PB(铅)退出陶瓷电容器领域,现在主要使用TiO2(二氧化钛)、 BaTiO3, CaZrO3(锆酸钙)等。和其它的电容器相比具有体积小、容量大、耐热性好、适合批量生产、价格低等优点。

  由于原材料丰富,结构简单,价格低廉,而且电容量范围较宽(一般有几个PF到上百μF),损耗较小,电容量温度系数可根据要求在很大范围内调整。

  陶瓷电容器品种繁多,外形尺寸相差甚大从0402(约1×0.5mm)封装的贴片电容器到大型的功率陶瓷电容器。按使用的介质材料特性可分为Ⅰ型、Ⅱ型和半导体陶瓷电容器;按无功功率大小可分为低功率、高功率陶瓷电容器;按工作电压可分为低压和高压陶瓷电容器;按结构形状可分为圆片形、管型、鼓形、瓶形、筒形、板形、叠片、独石、块状、支柱式、穿心式等。


陶瓷电容器的分类

  陶瓷电容器从介质类型主要可以分为两类,即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器。

  Ⅰ类陶瓷电容器(ClassⅠ ceramic capacitor),过去称高频陶瓷电容器(High-freqency ceramic capacitor),是指用介质损耗小、绝缘电阻高、介电常数随温度呈线性变化的陶瓷介质制造的电容器。它特别适用于谐振回路,以及其它要求损耗小和电容量稳定的电路,或用于温度补偿。

  Ⅱ类陶瓷电容器(Class Ⅱ ceramic capacitor)过去称为为低频陶瓷电容器(Low frequency cermic capacitor),指用铁电陶瓷作介质的电容器,因此也称铁电陶瓷电容器。这类电容器的比电容大,电容量随温度呈非线性变化,损耗较大,常在电子设备中用于旁路、耦合或用于其它对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中。


Ⅰ类陶瓷电容器

  按美国电工协会(EIA)标准为C0G(是数字0,不是字母O,有些文献笔误为COG)或NP0(是数字0,不是字母O,有些文献笔误为NPO)以及我国标准的CC系列等型号的陶瓷介质(温度系数为0±30PPM/℃),这种介质极其稳定,温度系数极低,而且不会出现老化现象,损耗因数不受电压、频率、温度和时间的影响,介电系数可以达到400,介电强度相对高。这种介质非常适用于高频(特别是工业高频感应加热的高频功率振荡、高频无线发射等应用的高频功率电容器)、超高频和对电容量、稳定性有严格要求定时、振荡电路的工作环境,这种介质电容器唯一的缺点是电容量不能做得很大(由于介电系数相对小),通常1206 表面贴装C0G介质电容器的电容量从0.5PF~0.01μF。


Ⅱ类陶瓷电容器

  Ⅱ类的稳定级陶瓷介质材料如美国电工协会(EIA)标准的X7R、X5R以及我国标准的CT系列等型号的陶瓷介质(温度系数为±15.0%),这种介质的介电系数随温度变化较大,不适用于定时、振荡等对温度系数要求高的场合,但由于其介电系数可以做得很大(可以达到1200),因而电容量可以做得比较大,适用于对工作环境温度要求较高(X7R:-55~+125℃)的耦合、旁路和滤波。通常1206的SMD封装的电容量可以达到10μF或在再高一些;

  II类的可用级陶瓷介质材料如美国电工协会(EIA)标准的Z5U、Y5V以及我国标准的CT系列的低档产品型号等陶瓷介质(温度系数为Z5U的+22%,-56%和Y5V的+22%,-82%),这种介质的介电系数随温度变化较大,不适用于定时、振荡等对温度系数要求高的场合,但由于其介电系数可以做得很大(可以达到1000~12000),因而电容量可以做得比更大,适用于一般工作环境温度要求(-25~+85℃)的耦合、旁路和滤波。通常1206表面贴装Z5U、Y5V介质电容器量甚至可以达到100μF,在某种意义上是取代钽电解电容器的有力竞争对手。


陶瓷电容器的温度特性

  应用陶瓷电容器首先要注意的就是其温度特性;

  不同材料的陶瓷介质,其温度特性有极大的差异。


第一类陶瓷介质电容器的温度性质

  根据美国标准EIA-198-D,在用字母或数字表示陶瓷电容器的温度性质有三部分:第一部分为(例如字母C)温度系数α的有效数字;第二位部分有效数字的倍乘(如0即为100);第三部分为随温度变化的容差(以ppm/℃表示)。这三部分的字母与数字所表达的意义如表。


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