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陶瓷电容器的一些基本常识

泉源:华强电子网 作者:zhengwq 阅读:245

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陶瓷电容器(ceramic capacitor;ceramic condenser )又称为瓷介电容器或独石电容器。望文生义,瓷介电容器就是介质质料为陶瓷的电容器。凭据陶瓷材料的差别,这类电容器可分为容量为1~300 pF的低频瓷介电容器和容量为300—22 000 pF的高频瓷介电容器两类。按构造情势分类,又可分为图片状电容器、管状电容器、矩形电容器、片状电容器、穿心电容器等多种。

  陶瓷电容器(ceramic capacitor;ceramic condenser )又称为瓷介电容器或独石电容器。望文生义,瓷介电容器就是介质质料为陶瓷的电容器。凭据陶瓷材料的差别,这类电容器可分为容量为1~300 pF的低频瓷介电容器和容量为300—22 000 pF的高频瓷介电容器两类。按构造情势分类,又可分为图片状电容器、管状电容器、矩形电容器、片状电容器、穿心电容器等多种。

  简介编纂它的形状以片式居多,也有管形、圆形等外形。陶瓷电容器是以陶瓷材料为介质的电容器的总称。其品种繁多,外形尺寸相差甚大。按运用电压可分为高压,中压和高压陶瓷电容器。按温度系数,介电常数差别可分为背温度系数、正温度系数、整温度系数、下介电常数、低介电常数等。另外,另有I型、II型、III型的分类要领。一样平常陶瓷电容器和其他电容器比拟,具有运用温度较下,比容量大,耐湿润性好,介质消耗较小,电容温度系数可正在大范围内挑选等长处。普遍用于电子电路中,用量非常可观。

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  陶瓷电容器品种编纂

  半导体陶瓷电容器

  (1)外面层陶瓷电容器 电容器的细小型化,即电容器正在尽量小的体积内得到尽量大的容量,那是电容器生长的趋势之一。关于星散电容器组件来讲,细小型化的根基路子有两个:

  ①使介质质料的介电常数尽量进步;

  ②使介质层的厚度尽量加薄。正在陶瓷材料中,铁电陶瓷的介电常数很下,然则用铁电陶瓷制造一般铁电陶瓷电容器时,陶瓷介质很难做得很薄。起首是因为铁电陶瓷的强度低,较薄时轻易碎裂,难于停止现实消费操纵,其次,陶瓷介质很薄时易于形成林林总总的构造缺点,生产工艺难度很大。外面层陶瓷电容器是用BaTiO3等半导体陶瓷的表面上构成的很薄的绝缘层作为介质层,而半导体陶瓷自己可视为电介质的串连回路。外面层陶瓷电容器的绝缘性外面层厚度,视构成体式格局和前提差别,颠簸于0.01~100μm之间。如许既应用了铁电陶瓷的很下的介电常数,又有效地加薄了介质层厚度,是制备细小型陶瓷电容器一个行之有效的计划。

  [1] 左图(a)为外面屡陶瓷电容器的一样平常构造,

  (b)为其等效电路。正在半导体陶瓷外面构成外面介质层的要领许多,这里仅做简朴引见。正在BaTiO3导体陶瓷的两个平行平面上烧渗银电极,银电极和半导体陶瓷的打仗介面便会构成极薄的阻挠层。因为Ag是一种电子逸出功较大的金属,以是正在电场感化下,BaTiO3导体陶瓷取Ag电极的打仗介面上就会泛起缺少电子的阻挠层,而阻挠层自己存在着空间电荷极化,即介面极化。如许半导体陶瓷取Ag电极之间的这类阻挠层便组成了实际上的介质层。

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  这类电容器瓷件,先在大气氛围中烧成,然后正在复原氛围中强迫复原半导化,再正在氧化氛围中把外面层从新氧化成绝缘性的介质层。再氧化层的厚度应掌握恰当。若氧化膜太薄,电极和陶瓷间仍可显现pn结的整流特性,绝缘电阻和耐电强度皆得不到改进。跟着厚度的逐步增添,pn结的整流特性消逝,绝缘电阻进步,对直流偏压的依存性低落。然则,再氧化的工夫不宜过长,不然能够致使陶瓷内部从新再氧化而使电容器的容量低落。复原处置惩罚的温度为800~1200℃,再氧化处置惩罚的温度为500~900℃。经复原处置惩罚后的陶瓷材料,绝缘电阻率可降至10~103Ω·cm,外面层的电阻率低于内部瓷体的电阻率;薄瓷片的电阻率,一样平常比处置惩罚前提雷同的较厚瓷体的电阻率低一些。因为再氧化处置惩罚构成的外面绝缘性介质层的厚度对照薄,以是只管其介电常数不一定很下,然则经复原再氧化处置惩罚后,该外面层半导体陶瓷电容器的单元面积容量仍可达0.05~0.06μF/cm2。

  (2)晶界层陶瓷电容器 晶粒发育对照充裕的BaTiO3半导体陶瓷的表面上,涂覆恰当的金属氧化物(比方CuO或Cu2O、MnO2、Bi2O3、Tl2O3等),正在恰当温度下,于氧化条件下停止热处理,涂覆的氧化物将取BaTiO3构成低共溶液相,沿启齿气孔和晶界敏捷散布渗出到陶瓷内部,正在晶界上构成一层薄薄的固溶体绝缘层。这类薄薄的固溶体绝缘层的电阻率很下(可达1012~1013Ω·cm),只管陶瓷的晶粒内部仍为半导体,然则全部陶瓷体表现为隐介电常数高达2×104到8×104的绝缘体介质。用这类瓷制备的电容器称为晶界层陶瓷电容器(boundarg layer ceramic capacitor),简称BL电容器。高压陶瓷电容器(一)概述跟着电子工业的高速生长,急迫要求开辟击穿电压下、消耗小、体积小、可靠性下的高压陶瓷电容器。远20多年来,国内外研制胜利的高压陶瓷电容器曾经普遍应用于电力系统、激光电源、磁带录像机、彩电、电子显微镜、复印机、办公自动化装备、宇航、导弹、帆海等方面。高压陶瓷电容器的瓷料重要有钛酸钡基和钛酸锶基两大类。钛酸钡基陶瓷材料具有介电系数下、交换耐压特性较好的长处,但也有电容转变率随介质温度降低、绝缘电阻下降等瑕玷。钛酸锶晶体的居里温度为-250℃,正在常温下为立方晶系钙钛矿构造,是顺电体,不存在自觉极化征象,正在下电压下钛酸锶基陶瓷材料的介电系数转变小,tgδ及电容转变率小,这些长处使其作为高压电容器介质是非常有益的。(二)制造工艺要点(1)质料要精选影响高压陶瓷电容器质量的身分,除瓷料构成中,优化工艺制造、严厉工艺前提是非常重要的。因而,对质料既要思索本钱又要注重纯度,挑选产业纯质料时,必需注重质料的适用性。(2)熔块的制备熔块的制备质量对瓷料的球磨细度和烧成有很大的影响,如熔块分解温度偏低,则分解不充分。对后续工艺晦气。如分解料中残余Ca2+,会障碍轧膜工艺的停止:如分解温度偏高,使熔块过硬,会影响球磨效力:研磨介质的杂质引入,会低落粉料活性,致使瓷件烧成温度进步。

  (3)成型工艺成型时要防备厚度偏向压力不均,坯体钳口气孔过多,若有较大气孔或层裂发生,会影响瓷体的抗电强度。

  (4)烧成工艺应严格控制烧成轨制,接纳机能优秀的控温装备及导热性优越的窑具。

  (5)包封包启料的挑选、包启工艺的掌握和瓷件外面的干净处置惩罚等对电容器的特性影响很大。冈此,必需挑选抗潮性好,取瓷体表里亲切联合的、抗电强度下的包封料。现在,大多挑选环氧树脂,少数产物也有选用酚醛脂停止包启的。另有接纳先绝缘漆涂覆,再用酚醛树脂包启要领的,那对降低成本有肯定意义。大规模生产线上多接纳粉末包启手艺。为进步陶瓷电容器的击穿电压,正在电极取介质外面接壤边沿周围涂覆一层玻璃釉,可有效地进步电视机等高压电路中运用的陶瓷电容器的耐压和高温负荷机能,如涂有一种硼硅酸铅玻璃釉,可使该电容器正在直流电场下的;蕾穿电压进步1.4倍;正在交流电场下的击穿电压进步1.3倍。

  [2] 多层陶瓷电容器多层陶瓷电容器(Multilayer Ceramic Capacitor,MLCC)是片式元件中运用最普遍的一类,它是将内电极质料取陶瓷坯体以多层瓜代并联叠合,并共烧成一个整体,又称片式独石电容器,具有小尺寸、下比容、高精度的特性,可贴装于印制电路板(PCB)、混淆集成电路(HIC)基片,有效地缩小电子信息终端产品(尤其是便携式产物)的体积和重量,进步产物可靠性。适应了IT家当小型化、沉量化、下机能、多功能的发展方向,国度2010年前景目的纲领中明确提出将外面揭装元器件等新型元器件作为电子工业的生长重点。它不只封装简朴、密封性好,并且能有效地断绝同性电极。MLCC正在电子线路中能够起到存储电荷、阻断直流、滤波、福合、辨别差别频次及使电路调谐等感化。正在高频开关电源、计算机网络电源和挪动通讯装备中可局部庖代有机薄膜电容器和电解电容器,并大大进步高频开关电源的滤波机能和抗干扰机能。1.小型化关于便携式摄录机、手机等袖珍型电子产品,需求越发小型化的MLCC产物。另一方面,因为周详印刷电极和叠层工艺的前进,超小型MLCC产物也逐渐面世和获得运用。以日本矩形MLCC的生长为例,外形尺寸曾经从20世纪80年月前期的3216减小到如今的0603。海内企业消费的MLCC支流产物是0603型,已打破了0402型MLCC大规模消费的手艺难关。0201型MLCC已研制出样品,产业化手艺和国内市场需求均处于发育成熟阶段,现在最小的020l型MLCC少边以至不到500 μm。

  [3] 2.低成本化——贵金属内电极MLCC传统的MLCC因为接纳高贵的钯电极或钯银合金电极,其制造本钱的70%被电极质料占去。包孕高压MLCC在内的新一代MLCC,接纳了自制的贵金属材料镍、铜做电极,大大低落了MLCC的本钱。然则贵金属内电极MLCC需求正在较低的氧分压下烧结以包管电极质料的导电性,而过低的氧分压会带来介质瓷料的半导化偏向,不利于元件的绝缘性和可靠性。村田建造所前后开辟出几种抗复原瓷料,正在复原氛围下烧结,制成的电容器的可靠性可取本来运用贵金属电极的电容器相媲美,这类电容器一面世便很快进入市场。现在,贵金属化的Y5V组别电容器的销量已占该组别MLCC的一半阁下,别的正在追求扩大贵金属电极正在其他组别电容器上的运用。我国正在那方面也有明显希望。清华大学取元器件厂商合感化化学要领制备高纯钛酸钡纳米粉(20~100 nm),经由过程受主搀杂和单稀土搀杂构建“核一壳”构造去进步质料高温抗借原性和实现温度稳固特性,研制出一系列具有自主知识产权的温度稳固型下机能纳米/亚微米晶抗复原钛酸钡瓷料,所研制的质料配方构成、制备要领具有独创性,质料综合机能居国际抢先程度。其中高机能X7R(0302)贵金属内电极MLCC瓷料室温相对介电常数高达3 000,陶瓷晶粒尺寸小于300 nm,容温转变率小于±12%,介电消耗小于2.5×10-2,绝缘电阻率约为1013 Ω·cm。MLCC击穿场强大于70 MV/m。已制备出超薄层贵金属内电极MLCC产物,陶瓷介质单层厚度约为3 μm。3.大容量化、高频化一方面,随同半导体器件高压驱动和低功耗化,集成电路的事情电压已由5 V低落到3 V和1.5 V;另一方面,电源小型化需求小型、大容量产物以替换体积大的铝电解电容器。为了知足这类高压大容量MLCC的开辟取运用,正在质料方面,已开辟出相对介电常数比BaTiO3下1~2倍的弛豫类高介质料。正在开辟新产品历程中,同时生长了三种关键技术,即制取超薄生片粉料疏散手艺、改进生片成膜技术和内电极取陶瓷死片膨胀率相婚配手艺。近来日本的松下电子组件公司胜利研制出电容量最大为100μF,最高耐压为25 V的大容量MLCC,该产物可用于液晶显示器(LCD)的电源线路。通信产业的快速生长对元器件的频次要求愈来愈下。美国Vishay公司推出的Cer—F系列MLCC的高频特性能够取薄膜电容器相媲美,正在下频段的某些运用中能够替换薄膜电容器。而我国高频、超高频MLCC产物取外洋仍有肯定的差异,主要原因是缺少根蒂根基质料及其配方的研发力度。跟着手艺不断更新,现已络续出现出了低失真率和打击噪声小的产物、下频宽温少寿命产物、下安全性产物和下牢靠低成本产物。

  [3] 陶瓷电容器介质编纂陶瓷材料具有优胜的电学、力学、热学等性子,可用作电容器介质、电路基板及封装质料等。

  陶瓷材料的微观构造陶瓷材料是由氧化物或其他化合物制成坯体后,正在靠近熔融的温度下,经高温焙烧造得的质料。一般包孕质料破碎摧毁、浆料制备、坯件成型和高温烧结等主要历程。陶瓷是一个庞大的多晶多相体系,一样平常由结晶相、玻璃相、气相及相界交错而成,这些相的特性、构成、相对含量及其散布状况,决意着全部陶瓷的根基性子。陶瓷中的晶相通常指那些巨细差别、外形纷歧、取向随机的晶粒,晶粒的直径一般为几微米至几十微米。晶相能够同属一种化合物或一种晶系,也能够是差别化合物或差别晶系。陶声中若存在两种以上构成和构造互不雷同的晶粒时,则称其为多晶相陶瓷,个中相对含量最多产物相等为主晶相,其他的称为副品相。个中主晶相的机能基本上决意了质料的机能,如相对f电常数、电导率、消耗及热膨胀系数等。以是,要得到机能优越的陶瓷,便必需挑选恰当的:晶相。另外,借应思索晶粒的巨细、匀称水平、晶粒取向、晶界构成及杂质散布等状况。晶粒间界是指两个晶粒之间的过渡区,正在这个过渡区内,品质构造的完整性或化学成分取晶粒体内有明显的区分。正在晶粒间界上一般聚集着大量的位错、热缺点取杂质缺点,因此对陶瓷材料的力学性能和电学机能有严重影响。气相一样平常散布于晶界、重结晶晶体内和玻璃相中,它是陶瓷构造构造中很难制止的一部分。其来源于烧成历程中各个晶粒之间不可能实现完整严密的镶嵌,玻璃相也不能够完整添补各个晶粒的闲暇;也能够是因为坯料烧结时开释出气体而构成的气孔。气相会严峻天影响陶瓷材料的电学机能、力学性能和热学机能。一样平常期望陶瓷中气相的含量越少越好。陶瓷的微观构造决意了质料的一系列力学性能和电学机能。同等的晶粒构成,微细晶粒的均匀分布及致密的烧结体,可使陶瓷的机器强度和介电机能到达预期的效果。

  [4]电容器瓷介的特性取分类陶瓷电容器(如图所示)是正在陶瓷基体两面构成金属层后焊接引线制成的,这些用作电容器的陶瓷材料被称为瓷介。

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  陶瓷电容器与其他电容器的介质质料比拟,介电陶瓷有如下特性:①介电常数和介电常数的温度系数及其机械性能和热物理性能可调控,且介电常数也较大。②有些介电陶瓷(强介瓷,重要为铁电瓷)的介电常数能随电场强度发作转变,能够用它制造非线性电容器,偶然称为压敏电容器。③质料雄厚,本钱低,易于大量生产。除外面层型和晶界层型瓷介外,瓷介最大的瑕玷是难以做得很薄,故使电容器的容量遭到要大限定。另外,瓷介常含有气隙,以致其抗电强度不下,一样平常不超过35kV/mm。电容器瓷介有多种分类要领。按用处可分为:

  1类瓷,用于制造1类(高频)瓷介电容器;

  2类瓷,用于制造2类(铁电)瓷介电容器;3类瓷,用于制造3类(半导体)瓷介电容器。个中相对介电常数较大(ε=12~600)的1类瓷称为高介瓷;而把相对介电常数更高(ε=103~104)的2类瓷称为强介瓷;而相对介电常数较低(ε<10.5)的3类瓷称为低介瓷。高介瓷和低介瓷的tanδ很小,适合于制造高频电路中的电容器,故称之为高频瓷。因为强介瓷的tanδ大,只适合于制造低频电路中运用的电容器,因此又称之为低频瓷。工程上一样平常接纳混淆分类的要领,将电容器瓷分为高介瓷、强介瓷、独石瓷和半导体晶界瓷。上面重要引见几种低介、高介瓷和强介瓷的机能特性。

  低介瓷滑石瓷是一种典范的低介瓷。

  滑石瓷是以自然滑石(3MgO·4SiO2·H2O)为主要原料制备而成的,故此取名滑石瓷。它的主晶相是原顽辉石,即偏偏硅酸镁(MgO-SiO2)。滑石瓷的配方中除主要成分滑石中,为革新工艺前提及改进瓷料的机能,借引进了一系列的添加物,如粘土、菱镁矿、碳酸钡等。滑石瓷是一种低介构造陶瓷,属于硅酸盐中的MgO—Al2O3一SiO2体系。滑石瓷的特性是介电常数很低,介质消耗很小,工艺机能好,便于制造外形庞大的零件。别的,它的矿源雄厚,产物本钱低,因而一向是运用最广的构造陶瓷之一。滑石瓷的介电常数固然不下,但它具有下的绝缘强度,并且高频下的介质消耗角正切值很低,其tanδ值可低达(3.5~4)×10-4,因此可用来制造种种小容量的高压电容器、高压大功率瓷介电容器。滑石瓷借具有较下的静态抗弯强度、较小的线膨胀系数和较好的化学稳定性。滑石瓷还可用于种种范例的绝缘子、线圈骨架、高频瓷轴、波段开关、电子管座及电阻基体等。它能够用于制造绝大部分的构造零件。

  [4]高介瓷取强介瓷高介瓷的重要种类有

  金红石瓷、钛酸钙瓷、钛酸镁系瓷、钛酸锆系瓷和锆酸盐瓷;强介瓷重要是以钛酸钡为主晶相的钛酸钡系瓷。金红石瓷又称二氧化钛瓷,其主晶相为金红石(TiO2),属四方(正方)晶系。这类瓷料的相对介电常数约为80~90,介电常数的温度系数αε为-(750~850)×10-6/℃,介质消耗小,适合于制造高频瓷介电容器。另外,这类瓷料的成型机能比其他下介电容器瓷好,因此也是制造大功率瓷介电容器的重要瓷料之一。钛酸钙瓷以钛酸钙(CaTiO3)为主晶相,属钙钛矿型构造。这类瓷料的相对介电常数下,约140~150,介质消耗小,约为(2~4)×10-4,它是一种常用的电容器陶瓷,可用于制造对容量稳定性要求不下的槽路电容器、高频旁路电容器和耦合电容器,借可作为种种电容器瓷料的温度系数调节剂。钛酸钙瓷的相对介电常数很下,但介电常数的温度系数却为很大的负值,能够制造出一种相对介电常数取钛酸钙相称,而温度系数却和金红石相称的钛酸钙一铋化合物一钛酸锶系瓷。钛酸镁系瓷重要包孕钛酸镁瓷、钛酸镁一钛酸钙系瓷、钛酸镁一钛酸镧一钛酸钙系瓷等。个中钛酸镁瓷主晶相为正钛酸镁(2MgO·TiO2)。相对介电常数约16~18,αε=(30±10)×10-6/℃,tanδ=(1~3)×10-4,很适于制造热稳定性下的瓷介电容器。钛酸锆系瓷的主晶相是钛酸锆(ZrTiO3),这类瓷具有优越的介电机能,介质消耗小,正在高温下的介电机能及稳定性优于其他瓷介。锆酸盐瓷的重要长处是高温介电机能比露钛陶瓷下,露钛的金红石瓷、钛酸镁瓷等一般只能正在85℃下工做。工作温度太下且正在直流电场感化下,露钛陶瓷轻易发作电化学老化,即绝缘电阻逐步减小,介质消耗逐步增大,致使最初不克不及运用。锆酸盐瓷大部分能事情正在155℃以至更高温度下,而很少发作电化学老化。正在锆酸盐化合物中,适宜于制造高频电容器的质料只要锆酸钙和锆酸锶两种。钛酸钡系瓷的相对介电常数很下(4 000~6 000),故又称强介瓷,这类瓷重要是铁电瓷。铁电瓷的特性是相对介电常数随外加电场强度的转变而改动,即具有非线性。凭据非线性强弱。可分为强非线性瓷和强非线性瓷。强非线性瓷重要用作电容器介质,而制造电压敏感电容器时,则接纳强非线性瓷。介电陶瓷重要用于制造体积很小、容量上限较大和用于低频电路的电容器。因而,对它的重要要求起首是相对介电常数大及其温度稳定性好,其次才是抗电强度下和介质消耗角正切值小等。而一般规律是相对介电常数越大的强介瓷,其非线性越强,相对介电常数随温度的转变率也越大。

  矩形电容定名要领编纂矩形片状陶瓷电容器矩形电容定名要领有多种,常见的有:(1)同内矩形片状陶瓷电容器矩形电容定名系列代号 温度特性容量 偏差耐压包装

  CC3216 CH 151K 101WT(2)美国Predsidio公司系列

  代号 温度特性 容量 偏差包装

  CCl206 NPO151JZT取片状电阻雷同,以上代号中的字母示意矩形片状陶瓷电容器,4位数字示意其少、宽度,厚度略薄一点,一样平常为1~2mm。取片状电阻类似,容量的前两位示意有用数,第3位示意有用数后零的个数,单元为pF。如151示意150pF、1p5示意1.5pF。偏差局部字母寄义:C为±0.25pF,D为±0.5pF,F为±1 pF,J为±5pF,K为±10pF,M为±20pF,I为-20%~81%。


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