Keramický kondenzátor - Ceramic capacitor

Pevný olověný disk a vícevrstvé keramické čipové kondenzátory (MLCC)

A keramický kondenzátor je pevná hodnota kondenzátor kde keramický materiál působí jako dielektrikum. Je sestaven ze dvou nebo více střídajících se vrstev keramický a a kov vrstva působí jako elektrody. Složení keramického materiálu definuje elektrické chování a tedy i aplikace. Keramické kondenzátory jsou rozděleny do dvou aplikačních tříd:

• Keramické kondenzátory třídy 1 nabízejí vysokou stabilitu a nízké ztráty pro aplikace rezonančních obvodů.
• Keramické kondenzátory třídy 2 nabízejí vysokou úroveň objemová účinnost pro vyrovnávací, obtokové a spojovací aplikace.

Keramické kondenzátory, zejména vícevrstvé keramické kondenzátory (MLCC), jsou nejvíce vyráběnými a používanými kondenzátory v elektronických zařízeních, která obsahují přibližně jeden bilion (10¹²) kusů za rok.^[1]

Jako kondenzátory se používají keramické kondenzátory zvláštních tvarů a stylů RFI / EMI potlačení, jako průchozí kondenzátory a ve větších rozměrech jako výkonové kondenzátory pro vysílače.

Dějiny

Historické keramické kondenzátory

Od začátku studia elektřina nevodivé materiály jako např sklenka, porcelán, papír a slída byly použity jako izolátory. Tyto materiály o několik desetiletí později byly také vhodné pro další použití jako dielektrikum pro první kondenzátory.

I v prvních letech Marconi Bezdrátové vysílací zařízení, porcelánové kondenzátory byly použity pro vysokonapěťové a vysokofrekvenční aplikace v vysílače. Na straně přijímače byly pro rezonanční obvody použity menší slídové kondenzátory. Slídové dielektrické kondenzátory vynalezl v roce 1909 William Dubilier. Před druhou světovou válkou byla slída nejběžnějším dielektrikum kondenzátorů ve Spojených státech.^[1]

Slída je přírodní materiál a není k dispozici v neomezeném množství. V polovině dvacátých let tedy nedostatek slídy v Německu a zkušenosti s porcelánem - speciální třídou keramiky - vedly v Německu k prvním kondenzátorům používajícím keramiku jako dielektrikum a založily novou rodinu keramických kondenzátorů. Paraelectric oxid titaničitý (rutil ) bylo použito jako první keramické dielektrikum, protože mělo lineární teplotní závislost kapacity pro teplotní kompenzaci rezonančních obvodů a může nahradit slídové kondenzátory. V roce 1926 byly tyto keramické kondenzátory vyráběny v malém množství se zvyšujícím se množstvím ve 40. letech. Stylem této rané keramiky byl disk s metalizací na obou stranách kontaktovaný pocínovanými dráty. Tento styl předchází tranzistoru a byl používán značně ve vakuových elektronkách (např. Rádiových přijímačích) od asi 1930 do 1950.

Ale toto paraelektrické dielektrikum mělo relativně nízkou hodnotu permitivita takže bylo možné realizovat pouze malé hodnoty kapacity. Rozšiřující se trh rádií ve 30. a 40. letech 20. století vytváří poptávku po vyšších kapacitních hodnotách, ale pod elektrolytickými kondenzátory pro vysokofrekvenční oddělení. Objeven v roce 1921, feroelektrický keramický materiál titaničitan barnatý s permitivita v rozmezí 1000, asi desetkrát větší než oxid titaničitý nebo slída, začaly hrát mnohem větší roli v elektronických aplikacích.^[1][2]

Vyšší permitivita vedla k mnohem vyšším hodnotám kapacity, ale to bylo spojeno s relativně nestabilními elektrickými parametry. Proto tyto keramické kondenzátory mohly nahradit pouze běžně používané slídové kondenzátory pro aplikace, kde stabilita byla méně důležitá. Menší rozměry ve srovnání se slídovými kondenzátory, nižší výrobní náklady a nezávislost na dostupnosti slídy urychlily jejich přijetí.

Keramický trubicový kondenzátor, typický styl keramických kondenzátorů v 50. a 70. letech

Rychle rostoucí vysílací průmysl po druhé světové válce vedl k hlubšímu pochopení EU krystalografie, fázové přechody a chemická a mechanická optimalizace keramických materiálů. Díky komplexní směsi různých základních materiálů lze přesně upravit elektrické vlastnosti keramických kondenzátorů. Pro rozlišení elektrických vlastností keramických kondenzátorů definovala standardizace několik různých aplikačních tříd (třída 1, třída 2, třída 3). Je pozoruhodné, že samostatný vývoj během války a poté v USA a na evropském trhu vedl k odlišným definicím těchto tříd (EIA vs. IEC) a teprve nedávno (od roku 2010) došlo k celosvětové harmonizaci se standardizací IEC došlo.

Typickým stylem pro keramické kondenzátory pod diskem (v té době nazývané kondenzátory) v rádiových aplikacích v době po válce od 50. do 70. let byla keramická trubice pokrytá cínem nebo stříbrem na vnitřní i vnější ploše. Zahrnoval relativně dlouhé svorky, které spolu s rezistory a dalšími součástmi tvořily spleť vodičů otevřeného obvodu.

Snadno tvarovatelný keramický materiál usnadnil vývoj speciálních a velkých stylů keramických kondenzátorů pro vysokonapěťové, vysokofrekvenční (RF) a výkonové aplikace.

MLCC jako oddělovací kondenzátory kolem a mikroprocesor

S rozvojem polovodič Technologie v padesátých letech 20. století byla vyvinuta pomocí bariérových vrstev kondenzátorů nebo kondenzátorů IEC třídy 3 / EIA třídy IV dopovaný feroelektrická keramika. Protože tento dopovaný materiál nebyl vhodný k výrobě vícevrstvých materiálů, byly o několik desetiletí později nahrazeny kondenzátory Y5V třídy 2.

Časný styl keramického diskového kondenzátoru mohl být levněji vyráběn než běžné kondenzátory s keramickými trubkami v padesátých a sedmdesátých letech. Americká společnost uprostřed Program Apollo, který byl uveden na trh v roce 1961, byl průkopníkem stohování více disků za účelem vytvoření monolitického bloku. Tento „vícevrstvý keramický kondenzátor“ (MLCC) byl kompaktní a nabízel vysokokapacitní kondenzátory.^[3] Výroba těchto kondenzátorů pomocí odlévání pásky a keramické elektrody procesy spoluspalování byla velká výrobní výzva. MLCC rozšířily rozsah aplikací na ty, které vyžadovaly větší hodnoty kapacity v menších případech. Tyto kondenzátory s keramickým čipem byly hnací silou konverze elektronických zařízení z skrz díru montáž na technologie povrchové montáže v 80. letech. Polarizované elektrolytické kondenzátory lze nahradit nepolarizovanými keramickými kondenzátory, což zjednodušuje montáž.

V roce 1993 TDK Corporation se podařilo vytěsnit elektrody nesoucí palladium mnohem levnějšími niklovými elektrodami, což výrazně snížilo výrobní náklady a umožnilo hromadnou výrobu MLCC.^[4]

Od roku 2012^{[Aktualizace]}, více než 10¹² MLCC se vyráběly každý rok.^[1] Spolu se stylem keramických čipových kondenzátorů se keramické diskové kondenzátory často používají jako bezpečnostní kondenzátory elektromagnetické rušení potlačovací aplikace. Kromě toho lze také nalézt velké keramické výkonové kondenzátory pro vysokonapěťové nebo vysokofrekvenční vysílače.

Nový vývoj v keramických materiálech byl proveden s anti-feroelektrickou keramikou. Tento materiál má nelineární antiferroelektrickou / feroelektrickou fázovou změnu, která umožňuje zvýšené ukládání energie s vyšší objemovou účinností. Používají se k akumulaci energie (například v rozbuškách).^[5]

Třídy aplikací, definice

Různé keramické materiály používané pro keramické kondenzátory, paraelectric nebo feroelektrický keramika, ovlivňuje elektrické vlastnosti kondenzátorů. Použití směsí paraelektrických látek na bázi oxidu titaničitého vede k velmi stabilnímu a lineárnímu chování hodnoty kapacity ve specifikovaném teplotním rozsahu a nízkým ztrátám při vysokých frekvencích. Ale tyto směsi mají relativně nízkou hodnotu permitivita takže hodnoty kapacity těchto kondenzátorů jsou relativně malé.

Vyšších hodnot kapacity pro keramické kondenzátory lze dosáhnout použitím směsí feroelektrických materiálů, jako je titaničitan barnatý, spolu se specifickými oxidy. Tyto dielektrické materiály mají mnohem vyšší permitivitu, ale zároveň jsou jejich kapacitní hodnoty víceméně nelineární v teplotním rozsahu a ztráty při vysokých frekvencích jsou mnohem vyšší. Tyto různé elektrické vlastnosti keramických kondenzátorů vyžadují jejich seskupení do „aplikačních tříd“. Definice tříd aplikací vychází ze standardizace. Od roku 2013 se používaly dvě sady norem, jedna z Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) a další z dnes již zaniklé Alliance Electronic Industries (EIA).

Definice tříd aplikací uvedené ve dvou standardech se liší. Následující tabulka ukazuje různé definice tříd aplikací pro keramické kondenzátory:

Výrobci, zejména v USA, dávali přednost Alliance Electronic Industries (EIA). V mnoha částech velmi podobných normě IEC definuje EIA RS-198 čtyři aplikační třídy pro keramické kondenzátory.^[6]

Různá čísla tříd v obou standardech jsou důvodem mnoha nedorozumění při interpretaci popisů tříd v datových listech mnoha výrobců.^[7][8] EIA ukončila činnost 11. února 2011, ale dřívější odvětví nadále slouží mezinárodním normalizačním organizacím.

V následujícím textu budou upřednostňovány definice normy IEC a v důležitých případech ve srovnání s definicemi normy EIA.

Keramické kondenzátory třídy 1

Keramické kondenzátory třídy 1 jsou přesné kondenzátory kompenzující teplotu. Nabízejí nejstabilnější napětí, teplotu a do určité míry i frekvenci. Mají nejnižší ztráty, a proto se hodí zejména pro aplikace rezonančních obvodů, kde je zásadní stabilita nebo kde je vyžadován přesně definovaný teplotní koeficient, například při kompenzaci teplotních účinků obvodu. Základní materiály keramických kondenzátorů třídy 1 jsou složeny ze směsi jemně mletých granulí paraelektrických materiálů, jako jsou Oxid titaničitý (TiO
₂), upravené přísadami zinku, zirkonia, niobu, hořčíku, tantalu, kobaltu a stroncia, které jsou nezbytné k dosažení požadovaných lineárních charakteristik kondenzátoru.^[9][10]

Obecné chování teplotní kapacity kondenzátorů třídy 1 závisí například na základním paraelektrickém materiálu TiO
₂. Přísady chemického složení se používají k přesné úpravě požadované teplotní charakteristiky. Keramické kondenzátory třídy 1 mají nejnižší objemová účinnost mezi keramickými kondenzátory. To je výsledek relativně nízké permitivita (6 až 200) paraelektrických materiálů. Proto mají kondenzátory třídy 1 hodnoty kapacity v dolním rozsahu.

Kondenzátory třídy 1 mají teplotní koeficient, který je obvykle poměrně lineární s teplotou. Tyto kondenzátory mají velmi nízké elektrické ztráty s ztrátovým činitelem přibližně 0,15%. Neprocházejí žádnými významnými procesy stárnutí a hodnota kapacity je téměř nezávislá na aplikovaném napětí. Tyto vlastnosti umožňují použití filtrů s vysokým Q, v rezonančních obvodech a oscilátorech (například v fázově uzavřená smyčka obvodů).

Standard EIA RS-198 kóduje keramické kondenzátory třídy 1 se třímístným kódem, který udává teplotní koeficient. První písmeno udává významný údaj o změně kapacity nad teplotou (teplotní koeficient α) v ppm / K. Druhý znak udává multiplikátor teplotního koeficientu. Třetí písmeno udává maximální toleranci od té v ppm / K. Všechna hodnocení jsou od 25 do 85 ° C:

Kromě kódu EIA je teplotní koeficient kapacitní závislosti keramických kondenzátorů třídy 1 běžně vyjádřen v keramických názvech jako „NP0“, „N220“ atd. Tyto názvy zahrnují teplotní koeficient (α). V normě IEC / EN 60384-8 / 21 jsou teplotní koeficient a tolerance nahrazeny dvoumístným písmenným kódem (viz tabulka), ve kterém je přidán odpovídající kód EIA.

Například kondenzátor „NP0“ s kódem EIA „C0G“ bude mít drift 0, s tolerancí ± 30 ppm / K, zatímco „N1500“ s kódem „P3K“ bude mít drift −1500 ppm / K, s maximální tolerance ± 250 ppm / ° C. Upozorňujeme, že kódy kondenzátorů IEC a EIA jsou kódy průmyslových kondenzátorů a nejsou stejné jako kódy vojenských kondenzátorů.

Kondenzátory třídy 1 zahrnují kondenzátory s různými teplotními koeficienty α. Zejména kondenzátory NP0 / CG / C0G s α ± 0 • 10⁻⁶ / K a α tolerance 30ppm jsou technicky velmi zajímavé. Tyto kondenzátory mají v teplotním rozsahu −55 až +125 ° C variaci kapacity dC / C ± 0,54%. To umožňuje přesnou frekvenční odezvu v širokém teplotním rozsahu (například v rezonančních obvodech). Ostatní materiály se svým zvláštním teplotním chováním se používají ke kompenzaci protiběžného běhu paralelně připojených komponent, jako jsou cívky v obvodech oscilátoru. Kondenzátory třídy 1 vykazují velmi malé tolerance jmenovité kapacity.

• Idealizované křivky různých keramických kondenzátorů třídy 1 a reprezentace tolerančního rozsahu teplotního koeficientu α
• 

  Idealizované křivky různých keramických kondenzátorů třídy 1

• 

  reprezentace rozsahu tolerance teplotního koeficientu α

Keramické kondenzátory třídy 2

Keramické kondenzátory třídy 2 s jejich typickými tolerancemi teplotně závislé kapacity (barevné oblasti)

Keramické kondenzátory třídy 2 mají dielektrikum s vysokou permitivitou a tedy lepší objemovou účinností než kondenzátory třídy 1, ale s nižší přesností a stabilitou. Keramické dielektrikum se vyznačuje nelineární změnou kapacity v teplotním rozsahu. Hodnota kapacity také závisí na aplikovaném napětí. Jsou vhodné pro obtokové, spojovací a oddělovací aplikace nebo pro obvody rozlišující kmitočet, kde jsou méně důležité nízké ztráty a vysoká stabilita kapacity. Obvykle vystavují mikrofonie.

Kondenzátory třídy 2 jsou vyrobeny z feroelektrický materiály jako titaničitan barnatý (BaTiO
₃) a vhodné přísady jako např křemičitan hlinitý, křemičitan hořečnatý a oxid hlinitý. Tato keramika má vysokou až velmi vysokou permitivitu (200 až 14 000), což závisí na intenzita pole. Proto je hodnota kapacity kondenzátorů třídy 2 nelineární. Závisí to na použité teplotě a napětí. Kondenzátory třídy 2 navíc časem stárnou.^[9]

Vysoká permitivita však podporuje vysoké hodnoty kapacity v malých zařízeních. Kondenzátory třídy 2 jsou podstatně menší než zařízení třídy 1 při stejné jmenovité kapacitě a napětí. Jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují, aby kondenzátor udržoval pouze minimální hodnotu kapacity, například vyrovnávací paměť a filtrování v napájecích zdrojích a spojování a odpojování elektrických signálů.

Kondenzátory třídy 2 jsou označeny podle změny kapacity v teplotním rozsahu. Nejčastěji používaná klasifikace vychází ze standardu EIA RS-198 a používá třímístný kód. První znak je písmeno, které dává low-end Provozní teplota. Druhý udává špičkovou provozní teplotu a konečný znak dává změnu kapacity v tomto teplotním rozsahu:

Například kondenzátor Z5U bude pracovat od +10 ° C do +85 ° C se změnou kapacity maximálně + 22% až -56%. Kondenzátor X7R bude pracovat od -55 ° C do +125 ° C se změnou kapacity nejvýše ± 15%.

Některé běžně používané materiály keramických kondenzátorů třídy 2 jsou uvedeny níže:

• X8R (−55 / + 150, ΔC / C₀ = ±15%),
• X7R (-55 / + 125 ° C, ΔC / C₀ = ±15%),
• X6R (-55 / + 105 ° C, ΔC / C₀ = ±15%),
• X5R (-55 / + 85 ° C, C / C₀ = ±15%),
• X7S (−55 / + 125, ΔC / C₀ = ±22%),
• Z5U (+ 10 / + 85 ° C, ΔC / C₀ = +22/−56%),
• Y5V (−30 / + 85 ° C, ΔC / C₀ = +22/−82%),

Norma IEC / EN 60384-9/22 používá další dvoumístný kód.

Ve většině případů je možné převést kód EIA do kódu IEC / EN. Vyskytují se malé chyby překladu, ale obvykle jsou tolerovatelné.

• X7R koreluje s 2X1
• Z5U koreluje s 2E6
• Y5V podobný 2F4, aberace: ΔC / C₀ = + 30 / −80% místo + 30 / −82%
• X7S podobný 2C1, aberace: ΔC / C₀ = ± 20% místo ± 22%
• X8R není k dispozici žádný kód IEC / EN

Protože keramické kondenzátory třídy 2 mají nižší přesnost a stabilitu kapacity, vyžadují vyšší toleranci.

Pro vojenské typy dielektrika třídy 2 specifikují teplotní charakteristiku (TC), ale nikoli teplotně-napěťovou charakteristiku (TVC). Podobně jako u X7R se vojenský typ BX nemůže při teplotě měnit o více než 15% a navíc musí zůstat v rozmezí +15% / - 25% při maximálním jmenovitém napětí. Typ BR má limit TVC +15% / - 40%.

Keramické kondenzátory třídy 3

Třída 3 bariérová vrstva nebo polovodičový Keramické kondenzátory mají velmi vysokou permitivitu, až 50 000, a proto lepší objemovou účinnost než kondenzátory třídy 2. Tyto kondenzátory však mají horší elektrické vlastnosti, včetně nižší přesnosti a stability. Dielektrikum se vyznačuje velmi vysokou nelineární změnou kapacity v teplotním rozsahu. Hodnota kapacity navíc závisí na použitém napětí. Rovněž mají v průběhu času velmi vysoké ztráty a stáří.

Keramické kondenzátory s bariérovou vrstvou jsou vyrobeny z dopovaných feroelektrických materiálů, jako jsou titaničitan barnatý (BaTiO
₃). Vzhledem k tomu, že se tato keramická technologie v polovině 80. let zlepšila, byly k dispozici kondenzátory s bariérovou vrstvou v hodnotách až 100 µF a v té době se zdálo, že mohou nahradit menší elektrolytické kondenzátory.

Protože z tohoto materiálu není možné postavit vícevrstvé kondenzátory, na trhu jsou nabízeny pouze olověné jednovrstvé typy.^[12][13]

Od roku 2013^{[Aktualizace]} Kondenzátory s bariérovou vrstvou jsou považovány za zastaralé, protože moderní vícevrstvá keramika třídy 2 může nabídnout vyšší kapacity a lepší výkon v kompaktnějším balení. V důsledku toho tyto kondenzátory již nejsou standardizovány IEC.

Konstrukce a styly

Keramické kondenzátory se skládají ze směsi jemně mletých granulí paraelektrických nebo feroelektrických materiálů, vhodně smíchaných s jinými materiály, aby se dosáhlo požadovaných vlastností. Z těchto práškových směsí je keramika slinutý při vysokých teplotách. Keramika tvoří dielektrikum a slouží jako nosič kovových elektrod. Minimální tloušťka dielektrické vrstvy, která se dnes (2013) pro nízkonapěťové kondenzátory pohybuje v rozmezí velikostí 0,5 mikrometry^[3] je omezen směrem dolů velikostí zrn keramického prášku. Tloušťka dielektrika pro kondenzátory s vyšším napětím je určena dielektrická pevnost požadovaného kondenzátoru.

Elektrody kondenzátoru se nanáší na keramickou vrstvu pokovením. U MLCC se střídají pokovené keramické vrstvy nad sebou. Vynikající pokovení elektrod na obou stranách těla je spojeno s kontaktním terminálem. Lak nebo keramický povlak chrání kondenzátor před vlhkostí a jinými okolními vlivy.

Keramické kondenzátory mají různé tvary a styly. Mezi nejběžnější patří:

• Vícevrstvý keramický čipový kondenzátor (MLCC), obdélníkový blok, pro povrchová montáž
• Keramický diskový kondenzátor, jednovrstvý disk, potažený pryskyřicí, s skrz díru vede
• Průchod keramický kondenzátor, používaný k obtoku ve vysokofrekvenčních obvodech. Tvar trubice, vnitřní metalizace kontaktovaná s olovem, vnější metalizace pro pájení
• Keramické výkonové kondenzátory, větší keramická tělesa různých tvarů pro vysokonapěťové aplikace

Vícevrstvé keramické kondenzátory (MLCC)

Výrobní proces

MLCC se skládá z několika jednotlivých kondenzátorů naskládaných paralelně dohromady a kontaktovaných prostřednictvím povrchů svorek. Výchozím materiálem pro všechny čipy MLCC je směs jemně mletých granulí paraelektrických nebo feroelektrických surovin, upravená přesně stanovenými přísadami.^[14] Tyto práškové materiály se míchají homogenně. Složení směsi a velikost práškových částic, pouhých 10 nm, odrážejí odborné znalosti výrobce.

Ze suspenze prášku vhodným pojivem se odlévá tenká keramická fólie. Tato fólie je při přepravě srolována. Znovu se odvíjí a je rozřezán na stejně velké listy, které jsou potištěny kovovou pastou. Tyto fólie se stávají elektrodami. V automatizovaném procesu jsou tyto listy stohovány v požadovaném počtu vrstev a ztuhlé tlakem. Kromě relativní permitivity určuje velikost a počet vrstev i pozdější hodnotu kapacity. Elektrody jsou naskládány ve střídavém uspořádání mírně přesazeném od sousedních vrstev, takže je možné je každý později spojit na ofsetové straně, jednu levou, jednu pravou. Vrstvený stoh je stlačen a poté rozřezán na jednotlivé komponenty. Vysoká mechanická přesnost je vyžadována například při výrobě 500 nebo vícevrstvého stohu o velikosti „0201“ (0,5 mm × 0,3 mm).

Po řezání je pojivo vypáleno ze stohu. Poté následuje slinování při teplotách mezi 1 200 a 1 450 ° C za vzniku konečné, převážně krystalické struktury. Tento proces hoření vytváří požadované dielektrické vlastnosti. Po vypálení následuje očištění a následné pokovení obou koncových povrchů. Metalizací jsou konce a vnitřní elektrody spojeny paralelně a kondenzátor získává své svorky. Nakonec se provede 100% měření elektrických hodnot a provede se páskování pro automatické zpracování ve výrobním zařízení.

Miniaturizace

Kapacitní vzorec (C) kondenzátoru MLCC je založen na vzorci pro deskový kondenzátor vylepšený počtem vrstev:
${displaystyle C = varepsilon cdot {{ncdot A} nad {d}}}$
kde ε znamená dielektrikum permitivita; A pro povrch elektrody; n pro počet vrstev; a d pro vzdálenost mezi elektrodami.

Tenčí dielektrikum nebo větší plocha elektrod každý zvyšuje hodnota kapacity, stejně jako dielektrický materiál s vyšší permitivitou.

S postupnou miniaturizací digitální elektroniky v posledních desetiletích byly zmenšeny také komponenty na periferii integrovaných logických obvodů. Zmenšení MLCC zahrnuje snížení dielektrické tloušťky a zvýšení počtu vrstev. Obě možnosti vyžadují obrovské úsilí a jsou spojeny s velkou odborností.

V roce 1995 byla minimální tloušťka dielektrika 4 µm. Do roku 2005 někteří výrobci vyráběli čipy MLCC o tloušťce vrstvy 1 µm. Od roku 2010^{[Aktualizace]}, minimální tloušťka je asi 0,5 um.^[1] Intenzita pole v dielektriku se zvýšila na 35 V / µm.^[15]

Zmenšení velikosti těchto kondenzátorů je dosaženo snížením velikosti práškového zrna, což je předpoklad, aby byly keramické vrstvy tenčí. Kromě toho byl výrobní proces přesněji řízen, takže bylo možné skládat více a více vrstev.

V letech 1995 až 2005 byla kapacita kondenzátoru Y5V MLCC o velikosti 1206 zvýšena z 4,7 μF na 100 μF.^[16] Mezitím (2013) může mnoho výrobců dodat kondenzátory třídy 2 MLCC s hodnotou kapacity 100 μF v čipu velikosti 0805.^[17]

Velikosti pouzder MLCC

MLCC nemají potenciální zákazníky a ve výsledku jsou obvykle menší než jejich protějšky s potenciálními zákazníky. K připojení nevyžadují průchozí otvor v PCB a jsou navrženy tak, aby s nimi manipulovaly spíše stroje než lidé. Výsledkem je, že komponenty pro povrchovou montáž, jako jsou MLCC, jsou obvykle levnější.

MLCC se vyrábějí ve standardizovaných tvarech a velikostech pro srovnatelné zacházení. Protože rané standardizaci dominovaly americké standardy EIA, rozměry čipů MLCC byly standardizovány EIA v jednotkách palců. Obdélníkový čip o rozměrech 0,06 palce délky a 0,03 palce šířky je kódován jako „0603“. Tento kód je mezinárodní a běžně používaný. JEDEC (IEC / EN), vymyslel druhý, metrický kód. Kód EIA a metrický ekvivalent běžných velikostí vícevrstvých keramických čipových kondenzátorů a rozměry v mm jsou uvedeny v následující tabulce. U stolu chybí míra výšky „H“. To obecně není uvedeno, protože výška čipů MLCC závisí na počtu vrstev, a tedy na kapacitě. Normálně však výška H nepřesahuje šířku W.

Tabulka kódů rozměrů a odpovídajících rozměrů čipových kondenzátorů MLCC

Výkres	EIA palcový kód	Rozměry D × š palec × palec	IEC / EN metrický kód	Rozměry D × š mm × mm		EIA palcový kód	Rozměry Dx š palec × palec	IEC / EN metrický kód	Rozměry D × š mm × mm
Rozměry D × Š × V vícevrstvých keramických čipových kondenzátorů	01005	0.016 × 0.0079	0402	0.4 × 0.2		1806	0.18 × 0.063	4516	4.5 × 1.6
	015015	0.016 × 0.016	0404	0.4 × 0.4		1808	0.18 × 0.079	4520	4.5 × 2.0
	0201	0.024 × 0.012	0603	0.6 × 0.3		1812	0.18 × 0.13	4532	4.5 × 3.2
	0202	0.02 × 0.02	0505	0.5 × 0.5		1825	0.18 × 0.25	4564	4.5 × 6.4
	0302	0.03 × 0.02	0805	0.8 × 0.5		2010	0.20 × 0.098	5025	5.0 × 2.5
	0303	0.03 × 0.03	0808	0.8 × 0.8		2020	0.20 × 0.20	5050	5.08 × 5.08
	0504	0.05 × 0.04	1310	1.3 × 1.0		2220	0.225 × 0.197	5750	5.7 × 5.0
	0402	0.039 × 0.020	1005	1.0 × 0.5		2225	0.225 × 0.25	5664/5764	5.7 × 6.4
	0603	0.063 × 0.031	1608	1.6 × 0.8		2512	0.25 × 0.13	6432	6.4 × 3.2
	0805	0.079 × 0.049	2012	2.0 × 1.25		2520	0.25 × 0.197	6450	6.4 × 5.0
	1008	0.098 × 0.079	2520	2.5 × 2.0		2920	0.29 × 0.197	7450	7.4 × 5.0
	1111	0.11 × 0.11	2828	2.8 × 2.8		3333	0.33 × 0.33	8484	8.38 × 8.38
	1206	0.126 × 0.063	3216	3.2 × 1.6		3640	0.36 × 0.40	9210	9.2 × 10.16
	1210	0.126 × 0.10	3225	3.2 × 2.5		4040	0.4 × 0.4	100100	10.2 × 10.2
	1410	0.14 × 0.10	3625	3.6 × 2.5		5550	0.55 × 0.5	140127	14.0 × 12.7
	1515	0.15 × 0.15	3838	3.81 × 3.81		8060	0.8 × 0.6	203153	20.3 × 15.3

Metalizace NME a BME

Zvláštním problémem při výrobě vícevrstvých keramických čipových kondenzátorů na konci 90. let bylo silné zvýšení cen kovů používaných pro elektrody a terminály. Původní možnosti byly neoxidovatelné ušlechtilé kovy stříbrný a palladium který vydrží vysoké teploty slinování 1 200 až 1 400 ° C. Říkalo se jim „NME“ (Noble Metal Electrode) a kondenzátorům třídy 2 poskytovaly velmi dobré elektrické vlastnosti. Zvýšení cen těchto kovů značně zvýšilo ceny kondenzátorů.

Tlak na náklady vedl k vývoji BME (Base Metal Electrodes) s použitím mnohem levnějších materiálů nikl a měď.^[18]

Metallizace BME však přinesla různé elektrické vlastnosti; například se výrazně zvýšila napěťová závislost kondenzátorů X7R (viz obrázek). Dokonce i ztrátový faktor a impedanční chování keramických kondenzátorů třídy 2 byly sníženy metalizací BME.

U keramických kondenzátorů třídy 2, kvůli jejich použití v aplikacích, kde to obvykle není příliš důležité pro stabilitu elektrických vlastností, byly tyto negativní změny z nákladových důvodů nakonec přijaty na trhu, zatímco metalizace NME byla zachována keramické kondenzátory třídy 1.

Rozsahy kapacity MLCC

Maximální dostupné kapacitní hodnoty čipů MLCC v případě velikosti roku 2012. (stav duben 2017)

Kapacita čipů MLCC závisí na dielektriku, velikosti a požadovaném napětí (jmenovité napětí). Hodnoty kapacity začínají na přibližně 1 pF. Maximální hodnota kapacity je určena výrobní technikou. Pro X7R to je 47 uF, pro Y5V: 100 uF.

Obrázek vpravo ukazuje maximální kapacitu pro vícevrstvé keramické čipové kondenzátory třídy 1 a třídy 2. Následující dvě tabulky, pro keramiku NP0 / C0G a X7R, uvádějí pro každou společnou velikost pouzdra maximální dostupnou hodnotu kapacity a jmenovité napětí předních výrobců Murata, TDK, KEMET, AVX. (Stav duben 2017)

Styly s nízkým ESL

V regionu jeho rezonanční frekvence, má kondenzátor nejlepší oddělovací vlastnosti pro šum nebo elektromagnetické rušení. Rezonanční frekvence kondenzátoru je určena indukčnost součásti. Induktivní části kondenzátoru jsou shrnuty v ekvivalentní sériové indukčnosti neboli ESL. (Všimněte si, že L je elektrický symbol pro indukčnost.) Čím menší je indukčnost, tím vyšší je rezonanční frekvence.

Protože zejména při digitálním zpracování signálu spínací frekvence stále rostou, zvyšuje se poptávka po vysokofrekvenčním oddělení nebo filtračních kondenzátorech. With a simple design change the ESL of an MLCC chip can be reduced. Therefore, the stacked electrodes are connected on the longitudinal side with the connecting terminations. This reduces the distance that the charge carriers flow over the electrodes, which reduces inductance of the component.^[19]

For example, the result for X7R with 0.1 µF in the size of 0805, with a resonance frequency of about 16 MHz increases to about 22 MHz if the chip has an 0508-size with terminations at the longitudinal side.

Another possibility is to form the device as an array of capacitors. Here, several individual capacitors are built in a common housing. Connecting them in parallel, the resulting ESL as well as ESR values of the components are reduced.

X2Y decoupling capacitor

A standard multi-layer ceramic capacitor has many opposing electrode layers stacked inside connected with two outer terminations. The X2Y ceramic chip capacitor however is a 4 terminal chip device. It is constructed like a standard two-terminal MLCC out of the stacked ceramic layers with an additional third set of shield electrodes incorporated in the chip. These shield electrodes surround each existing electrode within the stack of the capacitor plates and are low ohmic contacted with two additional side terminations across to the capacitor terminations. The X2Y construction results in a three-node capacitive circuit that provides simultaneous line-to-line and line-to-ground filtering.^[20][21][22]

Capable of replacing 2 or more conventional devices, the X2Y ceramic capacitors are ideal for high frequency filtering or noise suppression of supply voltages in digital circuits, and can prove invaluable in meeting stringent EMC demands in dc motors, in automotive, audio, sensor and other applications.^[23][24]

The X2Y footprint results in lower mounted inductance.^[25] This is particularly of interest for use in high-speed digital circuits with clock rates of several 100 MHz and upwards. There the decoupling of the individual supply voltages on the circuit board is difficult to realize due to parasitic inductances of the supply lines. A standard solution with conventional ceramic capacitors requires the parallel use of many conventional MLCC chips with different capacitance values. Here X2Y capacitors are able to replace up to five equal-sized ceramic capacitors on the PCB.^[26] However, this particular type of ceramic capacitor is patented, so these components are still comparatively expensive.

An alternative to X2Y capacitors may be a three-terminal capacitor.^[27]

Mechanical susceptibility

Ceramic is on the one hand a very solid material; on the other hand, it breaks even at relatively low mechanical stress.^[28] MLCC chips as na omítku komponenty are susceptible to flexing stresses since they are mounted directly on the substrate. They are stuck between soldered joints on the tištěný spoj (PCB), and are often exposed to mechanical stresses, for example, if vibration or a bump impacts the circuit board. They are also more sensitive to thermal stresses than leaded components. Excess solder fillet height can multiply these stresses and cause chip cracking. Of all influencing factors, causing a mechanical shock stress to the PCB proved to be the most critical one.^[29] The reason is that forces induced by those kinds of stresses are more or less transmitted undampened to the components via the PCB and solder joints.

The capability of MLCC chips to withstand mechanical stress is tested by a so-called substrate bending test. Here, a test PCB with a soldered MLCC chip between two support points is bent by a punch at a path length of 1 to 3mm. The path length depends on the requirements that come out from the application. If no crack appears, the capacitors are able to withstand the wanted requirements. Cracks are usually detected by a short circuit or a change of the capacitance value in the deflected state.

The bending strength of the MLCC chip differs by the property of the ceramic, the size of the chip and the design of the capacitors. Without any special design features, NP0/C0G class 1 ceramic MLCC chips reach a typical bending strength of 2mm while larger types of X7R, Y5V class 2 ceramic chips achieved only a bending strength of approximately 1mm. Smaller chips, such as the size of 0402, reached in all types of ceramics larger bending strength values.

With special design features, particularly by special design of the electrodes and the terminations, the bending strength can be improved. For example, an internal short circuit arises by the contact of two electrodes with opposite polarity, which will be produced at the break of the ceramic in the region of the terminations. This can be prevented when the overlap surfaces of the electrodes are reduced. This is achieved e.g. by an "Open Mode Design" (OMD). Here a break in the region of the terminations only reduce the capacitance value a little bit (AVX, KEMET).

With a similar construction called "Floating Electrode Design" (FED) or "Multi-layer Serial Capacitors" (MLSC), also, only capacitance reduction results if parts of the capacitor body break. This construction works with floating electrodes without any conductive connection to the termination. A break doesn't lead to a short, only to capacitance reduction.However, both structures lead to larger designs with respect to a standard MLCC version with the same capacitance value.

The same volume with respect to standard MLCCs is achieved by the introduction of a flexible intermediate layer of a conductive polymer between the electrodes and the termination called "Flexible Terminations" (FT-Cap) or "Soft Terminations". In this construction, the rigid metallic soldering connection can move against the flexible polymer layer, and thus can absorb the bending forces, without resulting in a break in the ceramic.^[31]

RFI/EMI suppression with X- and Y capacitors

Suppression capacitors are effective interference reduction components because their electrical impedance decreases with increasing frequency, so that at higher frequencies they short circuit electrical noise and transients between the lines, or to ground. They therefore prevent equipment and machinery (including motors, inverters, and electronic ballasts, as well as solid-state relay snubbers and spark quenchers) from sending and receiving electromagnetic and radio frequency interference as well as transients in across-the-line (X capacitors) and line-to-ground (Y capacitors) connections. X capacitors effectively absorb symmetrical, balanced, or differential interference. Y capacitors are connected in a line bypass between a line phase and a point of zero potential, to absorb asymmetrical, unbalanced, or common-mode interference.^[32][33][34]

EMI/RFI suppression capacitors are designed so that any remaining interference or electrical noise does not exceed the limits of EMC directive EN 50081.^[35] Suppression components are connected directly to mains voltage for 10 to 20 years or more and are therefore exposed to potentially damaging overvoltages and transients. For this reason, suppression capacitors must comply with the safety and non-flammability requirements of international safety standards such as

• Europe: EN 60384-14,
• USA: UL 1414, UL 1283
• Canada: CSA C22.2, No.1, CSA C22.2, No.8
• China: CQC (GB/T 14472-1998)

RFI capacitors that fulfill all specified requirements are imprinted with the certifikační značka of various national safety standards agencies. For power line applications, special requirements are placed on the non-flammability of the coating and the epoxy resin impregnating or coating the capacitor body. To receive safety approvals, X and Y powerline-rated capacitors are destructively tested to the point of failure. Even when exposed to large overvoltage surges, these safety-rated capacitors must fail in a bezpečný proti selhání manner that does not endanger personnel or property.

Od roku 2012^{[Aktualizace]} most ceramic capacitors used for EMI/RFI suppression were leaded ones for through-hole mounting on a PCB,^[36][37] the surface-mount technique is becoming more and more important. For this reason, in recent years a lot of MLCC chips for EMI/RFI suppression from different manufacturers have received approvals and fulfill all requirements given in the applicable standards.^{[36][38][39][40][41]}

Ceramic power capacitors

• Different styles of ceramic capacitors for power electronic
• 

  Doorknob style high voltage ceramic capacitor

• 

  Disc style power ceramic capacitor

• 

  Tubular or pot style power ceramic capacitor

Although the materials used for large power ceramic capacitors mostly are very similar to those used for smaller ones, ceramic capacitors with high to very high power or voltage ratings for applications in power systems, transmitters and electrical installations are often classified separately, for historical reasons. The standardization of ceramic capacitors for lower power is oriented toward electrical and mechanical parameters as components for use in electronic equipment. The standardization of power capacitors, contrary to that, is strongly focused on protecting personnel and equipment, given by the local regulating authority.

Power ceramic capacitors in a radio-frequency transmitter station

As modern electronic equipment gained the ability to handle power levels that were previously the exclusive domain of "electrical power" components, the distinction between the "electronic" and "electrical" power ratings has become less distinct. In the past, the boundary between these two families was approximately at a reactive power of 200 volt-amps, but modern power electronics can handle increasing amounts of power.

Power ceramic capacitors are mostly specified for much higher than 200 volt-amps. The great plasticity of ceramic raw material and the high dielectric strength of ceramics deliver solutions for many applications and are the reasons for the enormous diversity of styles within the family of power ceramic capacitors. These power capacitors have been on the market for decades. They are produced according to the requirements as class 1 power ceramic capacitors with high stability and low losses or class 2 power ceramic capacitors with high volumetric efficiency.

Class 1 power ceramic capacitors are used for resonant circuit aplikace v vysílací stanice. Class 2 power ceramic capacitors are used for jističe, pro power distribution lines, for high voltage zásoby energie in laser-applications, for indukční pece a v voltage-doubling circuits. Power ceramic capacitors can be supplied with high rated voltages in the range of 2 kV up to 100 kV.^[42]

The dimensions of these power ceramic capacitors can be very large. At high power applications the losses of these capacitors can generate a lot of heat. For this reason some special styles of power ceramic capacitors have pipes for water-cooling.

Elektrické vlastnosti

Sériově ekvivalentní obvod

Series-equivalent circuit model of a ceramic capacitor

All electrical characteristics of ceramic capacitors can be defined and specified by a series equivalent circuit composed out of an idealized capacitance and additional electrical components, which model all losses and inductive parameters of a capacitor. In this series-equivalent circuit the electrical characteristics of a capacitors is defined by

• C, the capacitance of the capacitor,
• R_insul, insulation resistance of the dielectric, not to be confused with the insulation of the housing
• R_ESR, equivalent series resistance, which summarizes all ohmic losses of the capacitor, usually abbreviated as "ESR".
• L_ESL, ekvivalentní sériová indukčnost, which is the effective self-inductance of the capacitor, usually abbreviated as "ESL".

The use of a series equivalent circuit instead of a parallel equivalent circuit is defined in IEC/EN 60384-1.

Standardní hodnoty kapacity a tolerance

The "rated capacitance" C_R or "nominal capacitance" C_N is the value for which the capacitor has been designed. The actual capacitance depends on the measuring frequency and the ambient temperature. Standardized conditions for capacitors are a low-voltage AC measuring method at a temperature of 20 °C with frequencies of

• Class 1 ceramic capacitors
  • C_R ≤ 100 pF at 1 MHz, measuring voltage 5 V
  • C_R > 100 pF at 1 kHz, measuring voltage 5 V
• Class 2 ceramic capacitors
  • C_R ≤ 100 pF at 1 MHz, measuring voltage 1 V
  • 100 pF < C_R ≤ 10 µF at 1 kHz, measuring voltage 1 V
  • C_R > 10 µF at 100/120 Hz, measuring voltage 0.5 V

Capacitors are available in different, geometrically increasing upřednostňované hodnoty jak je uvedeno v Řada E. standards specified in IEC/EN 60063. According to the number of values per decade, these were called the E3, E6, E12, E24, etc. series. The units used to specify capacitor values includes everything from picofarad (pF), nanofarad (nF), microfarad (µF) and farad (F).

The percentage of allowed deviation of the capacitance from the rated value is called capacitance tolerance. The actual capacitance value must be within the tolerance limits, or the capacitor is out of specification. For abbreviated marking in tight spaces, a letter code for each tolerance is specified in IEC/EN 60062.

Požadovaná kapacitní tolerance je dána konkrétní aplikací. The narrow tolerances of E24 to E96 will be used for high-quality class 1 capacitors in circuits such as precision oscillators and timers. On the other hand, for general applications such as non-critical filtering or coupling circuits, for class 2 capacitors the tolerance series E12 down to E3 are sufficient.

Temperature dependence of capacitance

Capacitance of ceramic capacitors varies with temperature. The different dielectrics of the many capacitor types show great differences in temperature dependence. The temperature coefficient is expressed in Díly na milión (ppm) per degree Celsius for class 1 ceramic capacitors or in percent (%) over the total temperature range for class 2 capacitors.

Frequency dependence of capacitance

Frequency dependence of capacitance for ceramic X7R and Y5V class 2 capacitors (curve of NP0 class 1 for comparisation)

Most discrete capacitor types have greater or smaller capacitance changes with increasing frequencies. The dielectric strength of class 2 ceramic and plastic film diminishes with rising frequency. Therefore, their capacitance value decreases with increasing frequency. This phenomenon is related to the dielektrická relaxace in which the time constant of the electrical dipoles is the reason for the frequency dependence of permitivita. The graph on the right hand side shows typical frequency behavior for class 2 vs class 1 capacitors.

Voltage dependence of capacitance

DC Bias characteristic of ferroelectrics ceramic materials

Capacitance of ceramic capacitors may also change with applied voltage. This effect is more prevalent in class 2 ceramic capacitors. The ferroelectric material depends on the applied voltage.^[43][44] The higher the applied voltage, the lower the permittivity. Capacitance measured or applied with higher voltage can drop to values of -80% of the value measured with the standardized measuring voltage of 0.5 or 1.0 V. This behavior is a small source of nonlinearity in low-distortion filters and other analog applications. In audio applications this can be the reason for harmonic distortions.

The voltage dependence of capacitance in the both diagrams above shows curves from ceramic capacitors with NME metallization. For capacitors with BME metallization the voltage dependence of capacitance increased significantly.^{[45][46][47][48]}

Voltage proof

For most capacitors, a physically conditioned dielectric strength or a breakdown voltage usually could be specified for each dielectric material and thickness. This is not possible with ceramic capacitors. The breakdown voltage of a ceramic dielectric layer may vary depending on the electrode material and the sintering conditions of the ceramic up to a factor of 10. A high degree of precision and control of process parameters is necessary to keep the scattering of electrical properties for today's very thin ceramic layers within specified limits.

The voltage proof of ceramic capacitors is specified as rated voltage (UR). This is the maximum DC voltage that may be continuously applied to the capacitor up to the upper temperature limit. This guaranteed voltage proof is tested according to the voltages shown in the adjacent table.

Furthermore, in periodic life time tests (endurance tests) the voltage proof of ceramic capacitors is tested with increased test voltage (120 to 150% of U_R) to ensure safe construction.

Impedance

Zjednodušený sériový ekvivalentní obvod kondenzátoru pro vyšší frekvence (výše); vector diagram with electrical reactances X_ESL and X_C and resistance ESR and for illustration the impedance Z and dissipation factor tan δ

The frequency dependent AC resistance of a capacitor is called impedance ${displaystyle Z}$ and is a complex ratio of voltage to current in an AC circuit. Impedance rozšiřuje koncept Ohmův zákon to AC circuits, and possesses both magnitude and phase at a particular frequency, unlike resistance, which has only magnitude.

Impedance is a measure of the ability of the capacitor to pass alternating currents. In this sense impedance can be used like Ohms law

${displaystyle Z={frac {hat {u}}{hat {imath }}}={frac {U_{mathrm {AC} }}{I_{mathrm {AC} }}}.}$

to calculate either the peak or the effective value of the current or the voltage.

As shown in the series-equivalent circuit of a capacitor, the real-world component includes an ideal capacitor ${displaystyle C}$, an inductance ${displaystyle L}$ and a resistor ${displaystyle R}$.

To calculate the impedance ${displaystyle Z}$ the resistance and the both reactances have to be added geometrically

${displaystyle Z = {sqrt {{ESR} ^ {2} + (X_ {mathrm {C}} + (- X_ {mathrm {L}})) ^ {2}}}}$

wherein the capacitive reactance (Kapacita ) je

${displaystyle X_ {C} = - {frac {1} {omega C}}}$

and an inductive reactance (Indukčnost ) je

${displaystyle X_ {L} = omega L_ {mathrm {ESL}}}$.

Ve zvláštním případě rezonance, in which both reactive resistances have the same value (${displaystyle X_{C}=X_{L}}$), pak bude impedance určena pouze ${displaystyle {ESR}}$.

Typical curves of the impedance of X7R and NP0-MLCC-Chips

Data sheets of ceramic capacitors only specify the impedance magnitude ${displaystyle Z}$. The typical impedance curve shows that with increasing frequency, impedance decreases, down to a minimum. The lower the impedance, the more easily alternating currents can pass through the capacitor. At the minimum point of the curve, the point of resonance, where X_C has the same value as X_L, the capacitor exhibits its lowest impedance value. Here only the ohmic ESR determines the impedance. With frequencies above the resonance, impedance increases again due to the ESL.

ESR, dissipation factor, and quality factor

The summarized losses in ceramic capacitors are ohmic AC ztráty. DC losses are specified as "svodový proud " or "insulating resistance" and are negligible for an AC specification. These AC losses are nonlinear and may depend on frequency, temperature, age, and for some special types, on humidity. The losses result from two physical conditions,

• line losses with internal supply line resistances, the contact resistance of the electrode contact, the line resistance of the electrodes
• the dielektrické ztráty z dielektrická polarizace

The largest share of these losses in larger capacitors is usually the frequency dependent ohmic dielectric losses. Regarding the IEC 60384-1 standard, the ohmic losses of capacitors are measured at the same frequency used to measure capacitance. Tyto jsou:

• 100 kHz, 1 MHz (preferred) or 10 MHz for ceramic capacitors with C_R ≤ 1 nF:
• 1 kHz or 10 kHz for ceramic capacitors with 1 nF < C_R ≤ 10 μF
• 50/60 Hz or 100/120 Hz for ceramic capacitors with C_R > 10 μF

Results of the summarized resistive losses of a capacitor may be specified either as equivalent series resistance (ESR), as ztrátový činitel (DF, tan δ), or as faktor kvality (Q), depending on the application requirements.

Class 2 capacitors are mostly specified with the dissipation factor, tan δ. The dissipation factor is determined as the tangent of the reactance ${displaystyle X_{C}}$ - ${displaystyle X_{L}}$ and the ESR, and can be shown as the angle δ between the imaginary and impedance axes in the above vector diagram, see paragraph "Impedance".

Pokud je indukčnost ${displaystyle ESL}$ je malý, lze ztrátový faktor odhadnout jako:

${displaystyle an delta =ESRcdot omega C}$

Class 1 capacitors with very low losses are specified with a dissipation factor and often with a faktor kvality (Q). The quality factor is defined as the reciprocal of the dissipation factor.

${displaystyle Q={frac {1}{tandelta }}={frac {f_{0}}{B}} }$

The Q factor represents the effect of elektrický odpor, and characterizes a resonator's šířka pásma ${displaystyle B}$ relative to its center or resonant frequency ${displaystyle f_{0}}$. A high Q value is a mark of the quality of the resonance for resonant circuits.

In accordance with IEC 60384-8/-21/-9/-22 ceramic capacitors may not exceed the following dissipation factors:

The ohmic losses of ceramic capacitors are frequency, temperature and voltage dependent. Additionally, class 2 capacitor measurements change because of aging. Different ceramic materials have differing losses over the temperature range and the operating frequency. The changes in class 1 capacitors are in the single-digit range while class 2 capacitors have much higher changes.

HF use, inductance (ESL) and self-resonant frequency

Elektrická rezonance occurs in a ceramic capacitor at a particular rezonanční frekvence where the imaginary parts of the capacitor impedance a přijetí cancel each other.This frequency where X_C is as high as X_L is called the self-resonant frequency and can be calculated with:

${displaystyle omega ={frac {1}{sqrt {LC}}}}$

where ω = 2πF, ve kterém F is the resonance frequency in Hertz, L is the inductance in henries, a C is the capacitance in farads.

The smaller the capacitance C and the inductance L the higher is the resonance frequency.The self-resonant frequency is the lowest frequency at which impedance passes through a minimum. For any AC application the self-resonant frequency is the highest frequency at which a capacitor can be used as a capacitive component. At frequencies above the resonance, the impedance increases again due to ESL: the capacitor becomes an inductor with inductance equal to capacitor's ESL, and resistance equal to ESR at the given frequency.

ESL in industrial capacitors is mainly caused by the leads and internal connections used to connect the plates to the outside world. Larger capacitors tend to higher ESL than small ones, because the distances to the plate are longer and every millimeter increases inductance.

Ceramic capacitors, which are available in the range of very small capacitance values (pF and higher) are already out of their smaller capacitance values suitable for higher frequencies up to several 100 MHz (see formula above).Due to the absence of leads and proximity to the electrodes, MLCC chips have significantly lower parasitic inductance than f. E. leaded types, which makes them suitable for higher frequency applications. A further reduction of parasitic inductance is achieved by contacting the electrodes on the longitudinal side of the chip instead of the lateral side.

Sample self-resonant frequencies for one set of NP0/C0G and one set of X7R ceramic capacitors are:^[49]

Note that X7Rs have better frequency response than C0Gs. It makes sense, however, since class 2 capacitors are much smaller than class 1, so they ought to have lower parasitic inductance.

Stárnutí

Aging of different Class 2 ceramic capacitors compared with NP0-Class 1 ceramic capacitor

v feroelektrický class 2 ceramic capacitors capacitance decreases over time. This behavior is called "aging". Aging occurs in ferroelectric dielectrics, where domains of polarization in the dielectric contribute to total polarization. Degradation of the polarized domains in the dielectric decreases permittivity over time so that the capacitance of class 2 ceramic capacitors decreases as the component ages.^[50][51]

The aging follows a logarithmic law. This law defines the decrease of capacitance as a percentage for a time decade after the soldering recovery time at a defined temperature, for example, in the period from 1 to 10 hours at 20 °C. As the law is logarithmic, the percentage loss of capacitance will twice between 1 h and 100 h and 3 times between 1 h and 1000 h and so on. So aging is fastest near the beginning, and the capacitance value effectively stabilizes over time.

The rate of aging of class 2 capacitors mainly depends on the materials used. A rule of thumb is, the higher the temperature dependence of the ceramic, the higher the aging percentage. The typical aging of X7R ceramic capacitors is about 2.5% per decade^[52] The aging rate of Z5U ceramic capacitors is significantly higher and can be up to 7% per decade.

The aging process of class 2 capacitors may be reversed by heating the component above the Curie bod.^[2]

Class 1 capacitors do not experience ferroelectric aging like Class 2's. But environmental influences such as higher temperature, high humidity and mechanical stress can, over a longer period of time, lead to a small irreversible decline in capacitance, sometimes also called aging. The change of capacitance for P 100 and N 470 Class 1's is lower than 1%, for capacitors with N 750 to N 1500 ceramics it is ≤ 2%.

Insulation resistance and self-discharge constant

The resistance of the dielectric is never infinite, leading to some level of DC "leakage current", which contributes to self-discharge. For ceramic capacitors this resistance, placed in parallel with the capacitor in the series-equivalent circuit of capacitors, is called "insulation resistance R_ins". The insulation resistance must not be confused with the outer isolation with respect to the environment.

The rate of self-discharge with decreasing capacitor voltage follows the formula

${displaystyle u(t)=U_{0}cdot mathrm {e} ^{-t/ au _{mathrm {s} }},}$

With the stored DC voltage ${displaystyle U_{0}}$ and the self-discharge constant

${displaystyle au _{mathrm {s} }=R_{mathrm {ins} }cdot C}$

That means, after ${displaystyle au _{mathrm {s} },}$ capacitor voltage ${displaystyle U_{0}}$ dropped to 37% of the initial value.

The insulation resistance given in the unit MΩ (10⁶ Ohm) as well as the self-discharge constant in seconds is an important parameter for the quality of the dielectric insulation. These time values are important, for example, when a capacitor is used as timing component for relays or for storing a voltage value as in a vzorek a podržte obvody nebo operační zesilovače.

In accordance with the applicable standards, Class 1 ceramic capacitors have an R_ins ≥ 10,000 MΩ for capacitors with C_R ≤ 10 nF or τ_s ≥ 100 s for capacitors with C_R > 10 nF. Class 2 ceramic capacitors have an R_ins ≥ 4,000 MΩ for capacitors with C_R ≤ 25 nF or τ_s ≥ 100 s for capacitors with C_R > 25 nF.

Insulation resistance and thus the self-discharge time rate are temperature dependent and decrease with increasing temperature at about 1 MΩ per 60 °C.

Dielektrická absorpce (nasáknutí)

Dielectric absorption is the name given to the effect by which a capacitor, which has been charged for a long time, discharges only incompletely. Although an ideal capacitor remains at zero volts after discharge, real capacitors will develop a small voltage coming from time-delayed dipole discharging, a phenomenon that is also called dielektrická relaxace, "soakage" or "battery action".

In many applications of capacitors dielectric absorption is not a problem but in some applications, such as long-time-constant integrátoři, vzorek a podržte circuits, switched-capacitor analogově-digitální převaděče and very low-distortion filtry, it is important that the capacitor does not recover a residual charge after full discharge, and capacitors with low absorption are specified. The voltage at the terminals generated by dielectric absorption may in some cases possibly cause problems in the function of an electronic circuit or can be a safety risk to personnel. In order to prevent shocks, most very large capacitors like power capacitors are shipped with shorting wires that are removed before use.^[53]

Microphony

All class 2 ceramic capacitors using ferroelectric ceramics exhibit piezoelectricity, and have a piezoelectric effect called mikrofonika, microphony or in audio applications squealing.^[54] Microphony describes the phenomenon wherein elektronický components transform mechanical vibrace into an electrical signal which in many cases is undesired hluk.^[55] Sensitive electronic preamplifiers generally use class 1 ceramic and film capacitors to avoid this effect.^[55]

In the reverse microphonic effect, the varying electric field between the capacitor plates exerts a physical force, moving them as a speaker.^[55] High current impulse loads or high ripple currents can generate audible acoustic sound coming from the capacitor, but discharges the capacitor and stresses the dielectric.^[56][57][58]

Pájení

Ceramic capacitors may experience changes to their electrical parameters due to soldering stress. The heat of the solder bath, especially for SMD styles, can cause changes of contact resistance between terminals and electrodes. For ferroelectric class 2 ceramic capacitors, the soldering temperature is above the Curie bod. The polarized domains in the dielectric are going back and the aging process of class 2 ceramic capacitors is starting again.^[2]

Hence after soldering a recovery time of approximately 24 hours is necessary. After recovery some electrical parameters like capacitance value, ESR, leakage currents are changed irreversibly. The changes are in the lower percentage range depending on the style of capacitor.

Dodatečné informace

Standardizace

The standardization for all elektrický, elektronický components and related technologies follows the rules given by the Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC),^[59] A nezisková, nevládní mezinárodní organizace norem.^[60][61]

Definice charakteristik a postup zkušebních metod pro kondenzátory pro použití v elektronických zařízeních jsou stanoveny v obecné specifikaci:

• IEC 60384-1, Pevné kondenzátory pro použití v elektronických zařízeních - Část 1: Obecná specifikace

Zkoušky a požadavky, které musí splňovat keramické kondenzátory pro použití v elektronických zařízeních ke schválení jako standardizované typy, jsou stanoveny v následujících dílčích specifikacích:

• IEC 60384-8, Pevné kondenzátory z keramického dielektrika, třída 1
• IEC 60384-9, Pevné kondenzátory z keramického dielektrika, třída 2
• IEC 60384-21, Pevné povrchové vícevrstvé kondenzátory z keramického dielektrika, třída 1
• IEC 60384-22, Pevné povrchové vícevrstvé kondenzátory z keramického dielektrika, třída 2

Výměna tantalového kondenzátoru

Vícevrstvé keramické kondenzátory se stále častěji používají k výměně tantal a hliník s nízkou kapacitou elektrolytický kondenzátory v aplikacích jako bypass nebo vysokofrekvenční spínané napájecí zdroje protože jejich cena, spolehlivost a velikost se stávají konkurenceschopnými. V mnoha aplikacích jejich nízký ESR umožňuje použití nižší nominální hodnoty kapacity.^{[62][63][64][65][66]}

Vlastnosti a nevýhody keramických kondenzátorů

Vlastnosti a nevýhody keramických kondenzátorů viz hlavní článek Typy kondenzátoru # Porovnání funkcí kondenzátoru

Označení

Potištěné značení

Pokud to prostor dovoluje, mají keramické kondenzátory, stejně jako většina ostatních elektronických součástek, vytištěné značky udávající výrobce, typ, jejich elektrické a tepelné vlastnosti a datum výroby. V ideálním případě, pokud jsou dostatečně velké, bude kondenzátor označen:

• název výrobce nebo ochranná známka;
• typové označení výrobce;
• jmenovitá kapacita;
• tolerance na jmenovité kapacitě
• jmenovité napětí a povaha napájení (AC nebo DC)
• klimatická kategorie nebo jmenovitá teplota;
• rok a měsíc (nebo týden) výroby;
• certifikační značky bezpečnostních standardů (pro bezpečnostní EMI / RFI odrušovací kondenzátory)

Menší kondenzátory používají zkratkovou notaci, aby zobrazily všechny relevantní informace v omezeném prostoru. Nejčastěji používaným formátem je: XYZ J / K / M VOLTS V, kde XYZ představuje kapacitu (počítáno jako XY × 10^Z pF), písmena J, K nebo M označují toleranci (± 5%, ± 10% a ± 20%) a VOLTS V představuje pracovní napětí.

Příklady

• Kondenzátor s následujícím textem na těle: 105K 330V má kapacitu 10 × 10⁵ pF = 1 µF (K = ± 10%) s pracovním napětím 330 V.
• Kondenzátor s následujícím textem: 473M 100V má kapacitu 47 × 10³ pF = 47 nF (M = ± 20%) s pracovním napětím 100 V.

Kapacitu, toleranci a datum výroby lze identifikovat krátkým kódem podle IEC / EN 60062. Příklady krátkého značení jmenovité kapacity (mikrofarad):

• u47 = 0,47 uF
• 4u7 = 4,7 uF
• 47 u = 47 uF

Datum výroby je často vytištěno v souladu s mezinárodními normami.

• Verze 1: kódování s číselným kódem rok / týden, „1208“ je „2012, týden číslo 8“.
• Verze 2: kódování s kódem roku / měsíce,

Kód roku: „R“ = 2003, „S“ = 2004, „T“ = 2005, „U“ = 2006, „V“ = 2007, „W“ = 2008, „X“ = 2009, „A“ = 2010 , „B“ = 2011, „C“ = 2012, „D“ = 2013 atd.

Kód měsíce: „1“ až „9“ = leden až září, „O“ = říjen, „N“ = listopad, „D“ = prosinec

„X5“ je poté „2009, květen“

U velmi malých kondenzátorů, jako jsou čipy MLCC, není označení možné. Zde může identifikaci typu zajistit pouze sledovatelnost výrobců.

Barevné kódování

Identifikace moderních kondenzátorů nemá žádné podrobné barevné kódování.

Výrobci a výrobky

Přehled celosvětově působících výrobců a jejich produktových řad Od roku 2012^{[Aktualizace]} je uveden v následující tabulce:

Viz také

• Oddělovací kondenzátor
• Seznam výrobců kondenzátorů
• Odlévání pásky
• Typy kondenzátoru

Reference