電子元器件之一電容種類繁多，而陶瓷電容是用得最多種類，沒有之一，因此硬件工程師必須熟練的掌握其特性。

作為一個工作多年的硬件工程師，筆者結合自身經驗，通過查閱各種資料，針對硬件設計需要掌握的重點及難點，總結了此文檔。 通過寫文檔，目的是能夠使自己的知識更具有系統性，溫故而知新，同時也希望對讀者有所幫助，大家一起學習和進步。

1電容的定義

1.1 電容的本質

兩個相互靠近的導體，中間夾一層不導電的絕緣介質，這就構成了電容器。 當電容器的兩個極板之間加上電壓時，電容器就會儲存電荷。

1.2 電容量的大小

電容器的電容量在數值上等于一個導電極板上的電荷量與兩個極板之間的電壓之比。 電容器的電容量的基本單位是法拉(F)。 在電路圖中通常用字母C表示電容元件。

電容量的大小公式：

：兩極板間介質的介電常數

S：兩極板間的正對面積

k：靜電常數，等于k=8.987551×10^9N·m^2/C^2

d：兩極板間的距離

化簡后的公式是：

想使電容容量大，有三種方法：

①使用介電常數高的介質

②增大極板間的面積

③減小極板間的距離。

2MLCC陶瓷電容物理結構

MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）是片式多層陶瓷電容器英文縮寫。 是由印好電極（內電極）的陶瓷介質膜片以錯位的方式疊合起來，經過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極），從而形成一個類似獨石的結構體，故也叫獨石電容器。

可以看到，內部電極通過一層層疊起來，來增大電容兩極板的面積，從而增大電容量。

陶瓷介質即為內部填充介質，不同的介質做成的電容器的特性不同，有容量大的，有溫度特性好的，有頻率特性好的等等，這也是為什么陶瓷電容有這么多種類的原因。

3陶瓷電容的基本參數

3.2 電容單位

電容的基本單位是：F（法），此外還有μF（微法）、nF、pF（皮法），由于電容F的容量非常大，所以我們看到的一般都是μF、nF、pF的單位，而不是F的單位。

它們之間的具體換算如下：

1F=1000000μF

1μF=1000nF=1000 000pF

3.2 電容容量

常用陶瓷電容容量范圍：0.5pF~100uF。

實際生產的電容的陶瓷容量值也是離散的，常用電容容量如下表：

陶瓷電容容量從0.5pF起步，可以做到100uF，并且根據電容封裝（尺寸）的不同，容量也會不同。

選購電容器不能一味的選擇大容量，選擇合適的才是正確的，例如0402電容可以做到10uF/10V，0805的電容可以做到47uF/10V，但是為了好采購、成本低，一般都不會頂格選電容。

一般推薦0402選4.7uF-6.3V，0603選22uF/6.3，0805選47uF/6.3V，其它更高耐壓需要對應降低容量。

滿足要求的情況下，選擇主要就看是否常用，價格是否低廉。

3.3 額定電壓

陶瓷電容常見的額定電壓有：2.5V、4V、6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、450V、500V、630V、1KV、1.5KV、2KV、2.5KV、3KV等等。

額定電壓值與電容的兩極板間的距離有關系，額定電壓越大，一般距離就要更大，否則介質會被擊穿。 因此，這就導致了同等容量的電容，耐壓值高的，一般尺寸會更大。

電容器的外加電壓不得超過規范中規定的額定電壓，實際在電路設計中，一般選用電容時，都會讓額定電壓留有大概70%的裕量。

3.4 電容類型

同介質種類由于它的主要極化類型不一樣，其對電場變化的響應速度和極化率亦不一樣。 在相同的體積下的容量就不同，隨之帶來的電容器的介質損耗、容量穩定性等也就不同。 介質材料劃按容量的溫度穩定性可以分為兩類，即Ⅰ類陶瓷電容器和Ⅱ類陶瓷電容器， NPO屬于Ⅰ類陶瓷，而其他的X7R、X5R、Y5V、Z5U等都屬于Ⅱ類陶瓷。

MLCC陶瓷電容主要分為2大類：高節介電常數型和溫度補償型

國內：風華FH、宇陽科技EYANG、信昌電陶PSA、三環CCTC等等。 村田muRata、松下PANASONIC、三星SAMSUNG、太誘TAIYO YUDEN、TDK、威世VISHAY、國巨YAGEO等等。

4陶瓷電容的特點

4.1 電容的基本模型

電容作為基本元器件之一，實際生產的電容都不是理想的，會有寄生電感，等效串聯電阻存在，同時因為電容兩極板間的介質不是絕對絕緣的，因此存在數值較大的絕緣電阻。

所以，實際的電容模型等下如下圖：

5.2 阻抗-頻率特性

根據上述電容模型，我們可以得到電容的復阻抗公式：

實際陶瓷電容的絕緣電阻時非常大的，是兆歐姆級別的，所以R遠大于，所以簡化公式為：

其中為容抗，為感抗，為等效串聯電阻。 很容易看出，在頻率比較低（比較小）的時候，容抗遠大于感抗，電容主要成容性，在頻率比較高的時候，電容主要呈感性。

而當，即諧振的時候，阻抗等于等效串聯電阻，此時阻抗達到最小值，如果是用來濾波的話，此時效果最好。

某村田10uF電容的阻抗頻率曲線如下圖：

注意，這個坐標系是對數坐標系，縱軸為復阻抗的模。

5.3 諧振頻率

從上小節可知，電容在諧振頻率處阻抗最低，濾波效果最好，那么各種規格的電容的諧振頻率是多少呢？

下圖是村田常用電容的諧振頻率表：

頻率曲線如下圖：

5.4 等效串聯電阻ESR

從上小節可以看出，陶瓷的等效串聯電阻并不是恒定的，它是跟頻率有很大的關系。 上述10uF電容在100hz的時候，ESR是3Ω，在700Khz的時候達到最小，ESR是3mΩ，相差了1000倍，是非常大的。

我們非常關心陶瓷電容的ESR到底是多大，特別用在開關電源的時候，需要用來計算紋波的大小。 那么各中電容型號的ESR是多少呢？

下圖為村田普通電容的ESR表。

ES頻率曲線如下圖：

5.5 精度大小

相對于電阻的精度來說，電容的精度要低很多，以下是一般電容的精度。

同一類型的電容精度一般廠家會生產2~4種精度的檔次共選擇。

5.6溫度特性

不同類型的電容的工作溫度范圍是不同的、并且其容量隨溫度的變化也不同，相差非常大，如下表

在設計電路的時候，需要考慮不同電容的溫度系數，按照使用場景選擇符合要求的電容。 在一些對電容容量由要求的地方，就不能選擇Y或者Z系列的電容。

5.7直流偏壓特性

陶瓷電容的另外一個特性是其直流偏壓特性。

對于在陶瓷電容器中又被分類為高誘電率系列的電容器(X5R、X7R特性)，由于施加直流電壓，其靜電容量有時會不同于標稱值，因此應特別注意。

例如，如下圖所示，對高介電常數電容器施加的直流電壓越大，其實際靜電容量越低。

容值越高的電容，直流偏壓特性越明顯，如47uF-6.3V-X5R的電容，在6.3V電壓處，電容量只有其標稱值的15%左右，而100nF-6.3V-X5R的電容容值為其標稱值的，如下圖。

那么，DC偏壓特性的原理是怎樣的呢？

陶瓷電容器中的高誘電率系列電容器，現在主要使用以BaTiO3 (鈦酸鋇) 作為主要成分的電介質。

BaTiO3具有如下圖所示的鈣鈦礦（perovskite）形的晶體結構，在居里溫度以上時，為立方晶體（cubic），Ba2+離子位于頂點，O2-離子位于表面中心，Ti4+離子位于立方體中心的位置。

上圖是在居里溫度（約125℃）以上時的立方晶體（cubic）的晶體結構，在此溫度以下的常溫領域，向一個軸（Ｃ軸）延長，其他軸略微縮短的正方體（tetragonal）晶體結構。

此時，作為Ti4+離子在結晶單位的延長方向上發生了偏移的結果，產生極化，不過，這個極化即使在沒有外部電場或電壓的情況下也會產生，因此，稱為自發極化（spontaneous polarization）。 像這樣，具有自發極化，而且可以根據外部電場轉變自發極化的朝向的特性，被稱為強誘電型（ferro electricity）。

與單位體積內的自發極化的相轉變相同的是電容率，可視為靜電容量進行觀測。

當沒有外加直流電壓時，自發極化為隨機取向狀態，但當從外部施加直流電壓時，由于電介質中的自發極化受到電場方向的束縛，因此不易發生自發極化時的自由相轉變。 其結果導致，得到的靜電容量較施加偏壓前低。

這就是當施加了直流電壓后，靜電容量降低的原理。

此外，對于溫度補償用電容器 (CH、C0G特性等) ，以常誘電性陶瓷作為主要原料，靜電容量不因直流電壓特性而發生變化。

5.8 漏電流和絕緣電阻

陶瓷電容絕緣電阻比較大，漏電流小。

絕緣電阻主要與容量有關，容量越大，漏電流越大，下面列出村田的幾種普通電容的絕緣電阻表格，可供參考。

5常見問題

5.1 機械應力導致電容失效

陶瓷電容最坑的失效就是短路了，一旦陶瓷電容短路，產品無法正常使用，危害非常大，那么造成短路失效的原因是什么呢？

答案是機械應力、機械應力會產生裂紋，從而是電容容量變小或者是短路。

為什么會產生扭曲裂紋呢？ 這是由于貼片是焊接在電路板上的。 對電路板施加過大的機械力、使得電路板彎曲或老化，從而產生了扭曲裂紋。

扭曲裂紋從下面的外部電極的一端延伸到上面的外部電極的話，容量就會下降，使得電路呈現出開路狀態（開放）。 因此，即使裂紋不是十分嚴重，如果到達貼片內部電極，焊劑中的有機酸和濕氣會通過裂紋的縫隙侵入，導致絕緣電阻性能降低。 另外，電壓負荷會變高，電流的流量過大時，最糟糕的情況會導致短路。

一旦出現了扭曲裂紋，是很難從外面將其去除的，因此為了防止裂紋的產生，應當控制不要施加過大的機械力。

一般電容封裝越大，越容易產生機械應力失效。

5.1.2 機械應力行為

那么，常見會出現應力的行為有哪些呢？

①貼片原因：貼片機拾取電容力度過大，施力點不在中心，電容不平都可能碰壞電容。

②過量焊錫：當溫度變化時，過度的焊錫在貼片電容器上面產生很高的張力，從而是電容器斷裂，焊錫不足時又會使電容器從PCB上剝離。

③PCB彎曲：焊接到PCB板上后，PCB彎曲，拉動瓷片電容，過應力后損壞。

④跌落、碰撞：PCB/成品跌落導致振動或變形，使電容受到機械應力。

⑤手工焊接：突然加熱或冷卻導致張力比較大（解決辦法是先預熱）

5.1.3 PCB設計注意事項

電容放置方向平行于PCB彎曲方向，放置位置遠離PCB大形變位置。 避免電容在長邊受力，如下圖，右邊的電容擺放就就左邊要好。

下圖PCB拼板，受力大小是：A>B、A>B、A>C、A>D

電容也需要遠離螺絲孔、減小應力。

5.2 嘯叫

一般溫度特性為X5R/B，X7R/R的高介電常數陶瓷電容器中，電介質材料使用強介電性的鈦酸鋇系的陶瓷，具有壓電效應。

在施加交流電壓時，獨石陶瓷電容器貼片會發生疊層方向伸縮。 因此電路板也會平行方向伸縮，而因電路板的振動而產生了噪聲。 貼片及電路板的振幅僅為1pm～1nm左右，但發出的聲響卻十分大。

其實幾乎無法聽到電容器本身發出的噪聲，但將其安裝于電路板后振動會隨之增強，振幅的周期也達到了人耳能夠聽到的頻率帶(20Hz～20kHz)，所以聲音可通過人耳進行識別。 例如可聽到"ji----"、"ki----""pi----"等聲響。

陶瓷電容器的"嘯叫"現象，其振動變化僅為1pm～1nm左右，為壓電應用產品的1/10至幾十分之一，非常之小，因此我們可以判斷這種現象對獨石陶瓷電容器本身及周圍元器件產生的影響，不存在可靠性問題。