Конденсаторы для ВЧ/СВЧ. Часть 2
Многослойные керамические конденсаторы (multilayer ceramic capacitor, MLCC)
Одна из важных задач, которую решают производители современной электронной базы, — увеличение емкости конденсаторов при снижении их размеров. Этого удается достигать в многослойных керамических конденсаторах (MLCC), конструкция которых приведена на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция современного многослойного керамического конденсатора
Как видно на рис. 1, многослойный конденсатор состоит из перемежающихся тонких слоев керамического диэлектрика, класс которого определяет класс конденсатора, и слоев проводника, как правило, из сплава серебра и палладия. Слои проводника через один замыкаются на контактный электрод, покрытый припоем. Слои диэлектрика могут быть толщиной 5–30 мкм. Контактные электроды чаще всего выполняются из никеля, покрытого оловом. Некоторые производители покрывают никель золотом или сплавом серебра и палладия. Последний вариант встречается редко, поскольку сплав серебра и палладия трудно паяется. Сплав серебра и палладия чаще всего применяется для внутренних электродов, хотя отдельные производители используют и другие металлы, например никель, имеющий не только более низкую проводимость, но и меньшую стоимость. Многие производители, сокращая издержки, снижают в сплаве содержание палладия к серебру, поскольку серебро дешевле. В целом конденсаторы с электродами из никеля имеют худшие параметры, поэтому некоторые производители указывают тип электродов в маркировке серии, обозначая электроды из никеля как BME (Base Metal Electrode), а электроды из сплава серебра и палладия — NME (Noble Metal Electrode). Слои керамики стремятся сделать как можно тоньше, поскольку при уменьшении толщины вдвое, соотношение емкость-объем (так называемая объемная эффективность) увеличивается в четыре раза. Но толщина слоя керамики ограничивается напряжением пробоя конденсатора. В настоящее время керамические конденсаторы могут состоять из 100–1000 слоев толщиной до 1 мкм в зависимости от рабочего напряжения конденсатора. Многослойные керамические конденсаторы являются более высокочастотными по сравнению с другими типами конденсаторов (за исключением однослойных). На рис. 2 приведена сравнительная частотная характеристика нескольких типов конденсаторов.
Рис. 2. Сравнительная частотная характеристика нескольких типов конденсаторов
На рис. 2 видно, что на частотах выше 1 кГц многослойные конденсаторы имеют меньшее эквивалентное последовательное сопротивление. Кроме того, для многослойных конденсаторов характерна прямая зависимость максимальной рабочей емкости от частоты (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость емкости MLCC от частоты
Применение многослойных керамических конденсаторов и их модификаций
В целом многослойные керамические конденсаторы обладают рядом несомненных преимуществ по сравнению с другими типами конденсаторов: большей емкостью при равных габаритах, большей рабочей частотой при равном номинале емкости, меньшими потерями на прохождение и меньшим эквивалентным последовательным сопротивлением, малой последовательной индуктивностью, высокой температурной стабильностью.
Весомые достижения в современных технологиях изготовления керамик и значительные усилия исследователей и производителей по улучшению потребительских свойств конденсаторов привели к тому, что многослойные керамические конденсаторы стали самым распространенным видом конденсаторов. Велик не только объем выпуска этих изделий, но и количество конструктивных исполнений. Воспользовавшись информационными материалами промышленной группы Exxelia, можно представить наиболее отличающиеся друг от друга по внешнему виду конструкции MLC-конденсаторов (рис. 4).
Рис. 4. Виды многослойных конденсаторов, выпускаемых промышленной группой Exxelia:
а) чип-исполнение, в том числе с расширенными диапазонами температур и напряжений;
б) высоконадежное исполнение в окукленных корпусах с радиальными выводами;
в) исполнение с аксиальными выводами и повышенной температурной стабильностью;
г) дисковые высоковольтные до 1000 В многослойные конденсаторы;
д) четырехвыводные для промышленных применений;
е) миниатюрные высоковольтные до 10 000 В с принт-резистором, для импульсных применений;
ж) стековое исполнение, повышенная емкость; конденсаторы SMPS;
з) миниатюрные; несколько конденсаторов в одном корпусе;
и) стековые, высоконадежные, с повышенной емкостью, до 10 000 В; SMPS;
к) стековые, с повышенной емкостью, для фильтрации и DC/DC-преобразователей;
л) дисковые, до четырех конденсаторов в одном корпусе;
м) повышенная емкость, стековое исполнение, SMPS.
Примечание. SMPS, Switch Mode Power Supply — общепринятый термин, обозначающий некоторый набор применений конденсаторов.
Повсеместное применение MLCC объясняется в том числе весьма широким частотным диапазоном конденсаторов этого типа. Очень наглядно представлены частотные свойства многослойных конденсаторов на диаграмме фирмы Dielectric Laboratories (рис. 5). Диаграмма позволяет оценить связь между частотными свойствами, форм-фактором и областями применения многослойных керамических конденсаторов. Она составлена на примере разделительных и высокодобротных конденсаторов и для керамик и фарфоров первого класса C0G(NP0). На диаграмме видно, что верхняя граничная частота применения MLCC находится в СВЧ-диапазоне. Отметим, что конкуренцию многослойным конденсаторам в этом частотном диапазоне составляют только однослойные конденсаторы. Это можно увидеть из сравнения представленной диаграммы с аналогичной для SLCC в первой части статьи.
Рис. 5. Частотные границы и области применения MLCC фирмы Dielectric Laboratories
Стремление расширить рамки частотного диапазона применения MLCC, прежде всего в область высоких и сверхвысоких частот, побуждает производителей к снижению такой паразитной характеристики многослойных конденсаторов, как эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). Понятно, что увеличение скорости перезарядки конденсатора при повышении частоты требует снижения ESL. Постоянно прилагаемые усилия производителей к уменьшению ESL привели к появлению серий конденсаторов, внешний вид которых иногда значительно отличается от привычного. На рис. 6 представлены изделия с низким ESL нескольких фирм-производителей.
Рис. 6. Конденсаторы с низким ESL фирм KEMET, Murata, Johanson, AVX
Индуктивность конденсатора обусловлена взаимодействием магнитных полей при протекании тока через него. Возникающая при этом токовая петля охватывает внутренний объем конденсатора, его контактные электроды и прилегающие фрагменты платы. Снижение ESL в основном достигается уменьшением токовой петли. Эволюция низкоиндуктивных конденсаторов проявилась в разработке нескольких технологий изготовления компонентов, часть из которых представлена на рис. 6.
Обозначим их в хронологическом порядке:
В материалах фирмы AVX представлена зависимость полного импеданса от частоты для трех типов многослойных конденсаторов: MLCC, LICC и IDC (рис. 7).
Рис. 7. Сравнение обычных и низкоиндуктивных многослойных конденсаторов от AVX
На рис. 7 показано индуктивное «плечо» полного импеданса и видно, что внедрение каждой следующей технологии снижает ESL конденсаторов.
Повышение таких параметров многослойных конденсаторов, как емкость и напряжение пробоя, создали возможности для разработчиков аппаратуры по замене оксидных конденсаторов на MLCC. Такая замена позволяет уменьшить габариты изделий и снизить эксплуатационные издержки, связанные со спецификой оксидных конденсаторов (например, ограниченный срок службы). В настоящее время многие производители MLCC выпускают серии изделий, которые можно устанавливать вместо оксидных конденсаторов без замены печатных плат. Во многих случаях замена оксидного конденсатора керамическим повышает характеристики конечного изделия. Например, в таких областях, как сглаживание пульсаций переменного напряжения (источники вторичного электропитания), шунтирование переменного напряжения, развязка по постоянному току, являющихся традиционными сферами применения оксидных конденсаторов, самыми значимыми характеристиками конденсатора являются ESR, ESL и, как следствие, полный импеданс конденсатора. В материалах компании Murata [1] описывается практический опыт по замене одного танталового конденсатора 100 мкФ/6,3 В/форм-фактор 3216 (EIA) на два керамических конденсатора 22 мкФ/6,3 В/форм-фактор 0603. Сравнение импедансов обоих типов конденсаторов показывает, что уже начиная с частоты в 100 кГц такая замена дает практическое улучшение характеристик конечного изделия (рис. 8).
Необходимо отметить, что зависимость емкости конденсаторов второго класса от постоянного напряжения (DC-bias) усложняет задачу по замене оксидных конденсаторов на керамические. Тем не менее в задачах, где стабильность емкости не является критически важной, например при сглаживании пульсаций переменного напряжения, такая замена может принести практическую пользу.
Рис. 8. Сравнение импедансов MLCC и танталовых конденсаторов в частотной области (Murata)
Немагнитные MLCC
Совершенствование технологий использования сильных магнитных полей сформировало запрос к производителям комплектующих на создание немагнитных компонентов, в том числе многослойных керамических конденсаторов. Это особенно наглядно проявляется в таких областях, как магнитно-ядерная томография. Здесь наличие в оборудовании компонентов со значительным магнитным откликом приводит к появлению паразитных артефактов на изображении, что снижает точность обработки и затрудняет последующее диагностирование. Еще один немаловажный фактор в пользу немагнитных компонентов заключается в том, что потери на намагничивание увеличивают общую температуру электронных устройств, снижая тем самым надежность систем. Это важно в таких областях, как высокочастотные системы большой мощности.
Необходимо отметить, что наиболее полное подавление нежелательной намагниченности достигается не только использованием компонентов с пониженным магнитным откликом, но и соответствующей проработкой других элементов аппаратуры, плат, корпусов, проводников и т. п.
Основным направлением снижения магнитных свойств компонентов является отказ от использования ферро- и парамагнитных материалов при производстве MLCC с переходом на диамагнетики (немагнитные материалы). Наиболее часто при изготовлении компонентов применяются такие ферромагнетики, как никель, кобальт, железо. Парамагнитными свойствами обладают платина, алюминий, магний. К диамагнетикам относятся золото, серебро, медь.
В материалах фирмы Temex Ceramics, ныне подразделения группы Exxelia, приводится сравнение намагниченности двух конденсаторов с никелевыми и медными контактными площадками [2]. Так, на рис. 9 видно, что при приложении магнитного поля конденсатор Temex Ceramics 501CHB4R7BS с никелевыми контактными площадками показывает явно определяемые ферромагнитные особенности, характеризующиеся логарифмическим видом кривой намагничивания и магнитным насыщением. Конденсатор же 501CHB4R7BC с медными контактными площадками демонстрирует плавный и гладкий вид кривой намагничивания, характерный для диамагнетиков. Специалисты Temex Ceramics считают величину намагниченности 0,1 эрг·Гс –1 ·см –3 (СГС) границей намагниченности образца, превышение которой уже не позволяет считать его диамагнетиком.
Рис. 9. Сравнение намагниченности конденсаторов с никелевыми и медными контактными площадками от Temex Ceramics
MLCC для сложных условий эксплуатации
Описание применения многослойных керамических конденсаторов было бы неполным без упоминания областей, где конденсаторы должны сохранять свои характеристики в крайне жестких условиях эксплуатации. Прежде всего, речь идет о таких применениях, как высокочастотные системы большой мощности, индуктивный нагрев в промышленности, источники питания мощных лазеров, ЯМР-оборудование, военные системы.
Например, в мощных ВЧ/СВЧ-устройствах конденсаторы эксплуатируются при повышенных рабочих токах, при этом вследствие общего тренда на миниатюризацию компонентов возросла общая температура систем, и, соответственно, повысилась тепловая напряженность конструкций.
В высоковольтных системах разработчики также сталкиваются с двумя фундаментальными ограничениями. Первое из них — диэлектрическая прочность керамик. При помещении керамики в электрическое поле высокой напряженности, в ней возникают механические напряжения, способные привести к разрушению образца. Различные керамики имеют разную диэлектрическую прочность, приведенную к единице толщины образца. В таблице сравнивается несколько образцов керамик по этому параметру.
| Буква | Значащее число температурного коэффициента, ppm/°C | Цифра | Множитель значащего числа | Буква | Допустимое отклонение температурного коэффициента, ±ppm/°C |
| C | 0 | 0 | –1 | G | 30 |
| B | 0,3 | 1 | –10 | H | 60 |
| L | 0,8 | 2 | –100 | J | 120 |
| A | 0,9 | 3 | –1000 | K | 250 |
| M | 1,0 | 4 | –10000 | L | 500 |
| P | 1,5 | 5 | +1 | M | 1000 |
| R | 2,2 | 6 | +10 | N | 2500 |
| S | 3,3 | 7 | +100 | ||
| T | 4,7 | 8 | +1000 | ||
| U | 7,5 | 9 | +10000 |
| Буква | Минимальная температура (°C) | Цифра | Максимальная температура (°C) | Буква | Максимальное изменение емкости в температурном диапазоне (%) | |
| Z | +10 | 2 | +45 | A | ±1,0 | Класс 2 |
| Y | –30 | 4 | +65 | B | ±1,5 | |
| X | –55 | 5 | +85 | C | ±2,2 | |
| 6 | +105 | D | ±3,3 | |||
| 7 | +125 | E | ±4,7 | |||
| 8 | +150 | F | ±7,5 | |||
| 9 | +200 | P | ±10 | |||
| R | ±15 | |||||
| S | ±22 | |||||
| *L | от +15 до –40 | |||||
| T | от +22 до –33 | Класс 3 | ||||
| U | от +22 до –56 | |||||
| V | от +22 до –82 |
Класс I
Иногда называемые как NP0, C0G считаются ультрастабильными. Используя таблицу для расшифровки «имени», мы можем увидеть, то ТКЕ для C0G составляет ±30 ppm/°C (±30 миллионных долей на градус Цельсия) в номинальном температурном диапазоне. Другими словами, емкость C0G будет меняться незначительно из-за изменений температуры.
Промышленные конденсаторы C0G от KEMET изготавливаются с использованием уникального состава цирконата кальция. Этот материал является параэлектрическим, что обеспечивает его стабильность при прикладывании постоянного напряжения.
Поскольку классификация не определяет используемый материал, другие производители могут использовать различные составы или разные наборы материалов.
Классы II и III
Диэлектрики классов II и III используют немного отличающуюся от класса I систему именования.
Например, давайте рассмотрим X7R в таблице классов II/III. X означает –55°C, 7 означает +125°C, а R означает изменение емкости ±15% в пределах указанного температурного диапазона.
Разница между классами II и III заключается в том, насколько емкость будет изменяться при определенной температуре. Как правило, в качестве диэлектрика классов II и III используется титанат бария. Данный материал является сегнетоэлектриком, который является источником нестабильности емкости.
Зависимость относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика от температуры
По мере увеличения класса некоторые из отрицательных характеристик диэлектрика усиливаются.
Изменения при прикладывании напряжения
Термины «смещение постоянным напряжением» или «коэффициент напряжения» относятся к потерям емкости при прикладывании напряжения. Этот эффект наблюдается в сегнетоэлектрических материалах, таких как титанат бария, используемый в большинстве конденсаторов X5R и X7R. В зависимости от состава диэлектрика эти конденсаторы могут потерять более 70% номинальной емкости при прикладывании напряжения!
Одним из способов достижения меньших размеров SMD конденсаторов при сохранении того же уровня емкости является уменьшение толщины диэлектрика. Это различие в конструкции приводит к тому, что более высокое напряжение дает бо́льшую потерю емкости.
K-SIM от KEMET позволяет моделировать напряжение на керамическом конденсаторе при прикладывании постоянного напряжения. Эта утилита также может отображать ожидаемое изменение емкости при прикладывании напряжения. Она доступна на ksim.kemet.com.
Диэлектрики класса I не реагируют на смещение по постоянному напряжению, особенно те, которые изготовлены с использованием цирконата кальция.
Старение
Старение – еще одна характеристика, проявляемая сегнетоэлектриками, или диэлектриками классов II и III. При изготовлении керамического конденсатора диэлектрик подвергается воздействию температур более 1000°C. Для устройств из титаната бария температура Кюри может находиться в диапазоне от 130°C до 150°C, в зависимости от конкретного состава.
При воздействии температуры Кюри кристаллическая структура выравнивается в тетрагональную форму. После охлаждения кристаллическая структура керамики изменяется до кубической. По мере этих изменений структуры также изменяется диэлектрическая проницаемость материала.
Со временем емкость будет продолжать снижаться. Можно перезагрузить этот цикл старения путем «перезагрузки» материала, подвергнув его температуре Кюри.
Как правило, вы можете найти скорость старения для определенного типа компонента в каталоге. Ниже приведен пример коэффициентов старения.
| EIA код | PME – электроды из драгоценных металлов BME – электроды из недрагоценных металлов | Типовое старение (% / порядок часов) | Типовое время оценки (час) |
|---|---|---|---|
| C0G | PME/BME | 0 | не доступно |
| X7R | BME | 2,0 | 1 000 |
| X5R | BME | 5,0 | 48 |
Изменение емкости многослойных керамических конденсаторов (MLCC) при старении
Старения может изменяться в зависимости от серии компонентов, поэтому смотрите технические описания.
Микрофонный эффект
Наконец, кристаллическая структура титаната бария придает керамике свою пьезоэлектрическую, или микрофонную, характерную особенность. Когда к диэлектрическому материалу применяются внешние напряжения, молекулы титаната начинают колебаться назад и вперед. Электрические сигналы могут механически деформировать диэлектрик. Эта деформация, или движение, создает характерный «жужжащий» шум, который слышат некоторые пользователи при использовании керамических конденсаторов в своих проектах.
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектричество, также называемое пьезоэлектрическим эффектом, представляет собой способность материала генерировать напряжение и/или электрический сигнал (шум) при воздействии внешнего механического напряжения или вибрации.
По аналогии с термином «микрофонный», многослойные керамические конденсаторы (MLCC), построенные из сегнетоэлектрических материалов, являются по своей природе пьезоэлектрическими и могут преобразовывать внешнее напряжение, подобно тому, как микрофон преобразует звук, в электрический сигнал.
Пьезоэлектрический эффект многослойных керамических конденсаторов (MLCC)
Электрострикция
Электрострикция – это поведение всех диэлектриков, в которых материал испытывает механическую деформацию, или изменение формы, под воздействием электрического поля. Керамические диэлектрики классов II и III производятся с использованием сегнетоэлектрических материалов, которые проявляют большее влияние электрострикционного движения. Вы знаете эти керамические конденсаторы как типы X7R, X5R, Z5V и Y5V.
Когда происходит механическая деформация, результатом может быть звуковое излучение, такое как слышимый гул (т.е. «пение»).
Несколько конденсаторов, установленных на плате близко друг к другу, могут усиливать звук до такой степени, что он станет заметным.
Эффект электрострикции – «поющий» конденсатор
Заключение
Емкость на этикетке, возможно, не является той емкостью, которую вы в итоге получите. Характеристики, обсуждаемые в данной статье, могут изменить величину емкости, которая будет иметь место во время работы или срока службы вашей системы.
Конечно, этот пост не является полным описанием различий между керамическими диэлектриками. Существуют и другие тонкие различия, которые необходимо учитывать при использовании керамических конденсаторов. Но эта информация должна стать хорошей отправной точкой при выборе подходящего керамического конденсатора (MLCC).
На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.
В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.
Спрошу по другому: реально ли найти качественный конденсатор
0603 10мкф х 25в? Имею ввиду не слишком ли мал размер для соблюдения таких параметров?
А как же максимально допустимое рабочее напряжение конденсатора?
Реально ли : конденсатор 0603 10мкф на 25В?
