电容器陶瓷-低频(铁电)
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Y5V材料电容特性Y5V电容器瓷属于低频高介电容器瓷,即Ⅱ类瓷,是强介铁电陶瓷,具有自发极化特性的非线性陶瓷材料,其主要成分为钛酸钡(BaTiO3);其特点是介电系数特别高,介电系数随温度呈非线性变化,介电常数随施加的外电场有非线性变化的关系;Y5V:温度特性Y代表-25℃;“5”代表+85℃;温度系数V代表-80%~+30%;在交变电压作用下,电容器并不是以单纯的电容器的形式出现,它除了具有电容量以外,还存在一定的电感和电阻,在频率较低时,它们的影响可以不予考虑,但随着工作频率的提高,电感和电阻的影响不能忽视,严重时可能导致电容器失去作用。
因此,我们一般通过四个主要参数来衡量片式电容的一般电性能:电容量、损耗角正切、绝缘电阻、耐电压。
下面主要针对电容量的变化进行研究:1、电容量与温度的关系:温度是影响电容器电容量的一个重要因素,电容量与温度之间的这种关系特性称为电容器的温度特性,一般说来,对于Ⅱ类瓷电容器,其影响相对较大,故我们采用“%”来表示它的容量变化率。
下面以Y材料0402F/104规格产品为例来说明Y5V材料的温度特性:温度-25℃+5℃+20℃室温+40℃+85℃容量(nf)73.91 106.25 104.59 99.84 82.62 31.58变化率(%)-29.33 1.59 0 0 -21.01 -69.812、电容量与交流电压的关系:对于Ⅱ类瓷电容器,其容量基本是随所加电压的升高而加速递升的,在生产测试中,一般采用0.5±0.2V和1.0±0.2V作为电容量与损耗正切角的测试电压,电压较低,因此对于同一容量采用不同的介质厚度设计,最终表现出来的容量值不会有太大差异,但是,随着工作电路中交流电压的不同,这种差异较为明显。
下面以Y材料0805F/105规格产品为例来说明Y5V材料交流特性:测试电压0.1V 0.2V 0.3V 0.4V 0.5V 0.6V 0.7V 0.8V 0.9V 1.0V 容量(uf)0.92 1.009 1.08 1.13 1.18 1.21 1.24 1.26 1.277 1.287 变化率(%)0 9.67 17.39 22.83 28.26 31.52 34.78 36.96 38.8 39.89交流特性0.00%5.00%10.00%15.00%20.00%25.00%30.00%35.00%40.00%45.00%0.1V 0.2V 0.3V 0.4V 0.5V 0.6V 0.7V 0.8V 0.9V1V测试电压变化率系列13、电容量与直流电压的关系:在电路的实际应用中,电容器两端可能要施加一个直流电压,电容器在这种情况下的特性叫做直流偏压特性;相对X7R 材料来说,Y5V 材料偏压特性较差,可以通过增加介质厚度的方法取得较好的直流偏压特性。
三、瓷介电容器(一)概述1、电容器用陶瓷的分类方法:适合做电容器的陶瓷很多,为了生产和使用上的规范,将电容器用陶瓷材料按照其性能特点进行分类,分类的主要依据是介电常数ε、损耗角正切tgδ、频率特性、温度特性、电压特性等综合考虑,我国已有完整的电容器用陶瓷材料分类标准,将电容器瓷分成三类(1、2、3类),由此也将陶瓷电容器分成1、2、3类瓷介电容器。
通常将1类瓷称做高频瓷(顺电体陶瓷),2类瓷称为低频瓷(铁电体陶瓷),3类瓷称为半导体瓷。
2、电容器瓷的介电常数并非一个恒定值,是一个与温度有关的电参数,为了描述介电常数这种温度特性,对1类瓷用温度系数TC(也用α表示,单位10-6/℃)来表达,对2、3类瓷用介电常数ε随温度的变化率△ε/ε(%)来表达。
温度特性是各类陶瓷电容器瓷分组的主要依据。
3、陶瓷电容可以有引线,也可以无引线(比如MLCC:贴片陶瓷电容);其包封材料可以是酚醛树脂(液体涂封)、环氧树脂(粉末涂装,兰色、红色、绿色各种颜色)、釉膜涂装(烧结涂装)。
4、相关词语解释:1)结构类似元件:用相同的工艺和材料制造的电容器,即使它们的外形尺寸和数值可能不同,也可以认为是结构类似的电容器。
2)初始制造阶段:单层电容器的初始制造阶段是形成电极的介质金属化(即被银瓷片生产)。
多层电容器的初始制造阶段是介质-电极叠压后的第一次共同烧结。
3)1类瓷介固定电容器:专门设计并用在低损耗、电容量稳定性高或要求温度系数有明确规定的谐振电路中的一种电容器。
例如,在电路中做温度补偿之用。
该类陶瓷介质是以标称温度系数来确定的。
4)2类瓷介固定电容器:适用于作旁路、耦合或对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中的具有高介电常数的一种电容器。
该类陶瓷介质是以在类别温度范围内电容量非线性变化来确定的。
5)3类瓷介固定电容器:是一种具有半导体特征的瓷介电容器。
该类电容器适于作旁路、耦合之用。
该类陶瓷介质是以在类别温度范围内电容量非线性变化来确定的。
第27卷第11期电子元件与材料V ol.27 No.11 2008年11月ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Nov. 2008高介高稳定性BaTiO3基铁电陶瓷研究进展蒲永平,杨公安,王瑾菲,庄永勇(陕西科技大学 材料科学与工程学院,陕西 西安 710021)摘要: 针对BaTiO3基铁电陶瓷材料的特点,介绍了提高其介电常数和温度稳定性的途径,综述了高介高稳定性BaTiO3基铁电陶瓷材料的研究现状。
指出随着电子整机向着微型化的方向发展,介电瓷粉材料也向着高介电常数、高稳定性的方向发展,并提出了解决此问题的思路。
关键词:无机非金属材料;BaTiO3;综述;稳定性;介电常数中图分类号: TM28 文献标识码:A 文章编号:1001-2028(2008)11-0001-03Research progress of BaTiO3-based ferroelectric ceramic materialswith high permittivity and high stabilityPU Yong-ping, YANG Gong-an, WANG Jin-fei, ZHUANG Yong-yong(School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China)Abstract: According to the characteristics of BaTiO3-based ferroelectric ceramic materials, the ways to improve their permittivity and temperature stability were introduced, and the current research status of BaTiO3-based ferroelectric ceramic materials with high permittivity and high stability were reviewed. It is pointed out that dielectric ceramic powder materials would develop towards high permittivity and high stability with the miniaturization trend of electronic equipment. Moreover, the ways to solve these problems were put forward.Key words: non-metallic inorganic material; BaTiO3; review; stability; permittivity铁电陶瓷又称为II类低频电容器陶瓷,这类电容器多用于滤波、旁路和耦合等电子电路中,一般要求有极大的电容量,因此要求用介电常数很高的瓷料来制备。
电容器:[1]戴冬雪,王维,金攀,何小兵. 标准电容器材料和结构的研究[J]. 电测与仪表,2015,52(S1):97-99+103. [2017-10-10].[2]崔驭强,伍学正. 降低高压标准电容器介质损耗因数的研究[J]. 电力电容器,1985,(01):14-19+52. [2017-10-10]. DOI:10.14044/j.1674-1757.pcrpc.1985.01.002JJG183-1992标准电容器检定规程红色为网络搜集数据移相器:[1] 吕文中,李闯,汪小红. BSTO移相器材料结构与温度特性的研究[J]. 电子元件与材料,2006,(11):31-33. [2017-10-10]. DOI:10.14106/ki.1001-2028.2006.11.010相控阵移相器:介电常数在100左右红色为测量样品数据文献中说明基本满足移相器的要求移相器用铁电材料的性能要求:[D].刘成. 钙钛矿型无铅铁电陶瓷的介电与压电性能研究陕西师范大学, 2013.它的主要特性为:(1) 在一定温度范围内存在自发极化,当高于某一居里温度时,自发极化消失,铁电相变为顺电相;(2)存在电畴;(3)发生极化状态改变时,其介电常数-温度特性发生显著变化,出现峰值,并服从Curie-Weiss 定律;(4)极化强度随外加电场强度而变化,形成电滞回线;(5)介电常数随外加电场呈非线性变化;(6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。
(7)电性能:高的抗电压强度和介电常数。
低的老化率。
在一定温度范围内介电常数变化率较小。
介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小加快了铁电陶瓷:应用在:1大容量低频电容器材料纯BaTiO在室温时介电常数约为1400,在居里点(120℃)附近高达6000~10000,3。
功能陶瓷材料的分类及发展前景功能陶瓷是指在应用时主要利用其非力学性能的材料,这类材料通常具有一种或多种功能。
如电、磁、光、热、化学、生物等功能,以及耦合功能,如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等功能。
功能陶瓷已在能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等领域得到广泛应用。
1.电子陶瓷电子陶瓷包括绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、敏感陶瓷、磁性材料及导电、超导陶瓷。
根据电容器陶瓷的介电特性将其分为6类:高频温度补偿型介电陶瓷、高频温度稳定型介电陶瓷、低频高介电系数型介电陶瓷、半导体型介电陶瓷、叠层电容器陶瓷、微波介电陶瓷。
其中微波介电陶瓷具有高介电常数、低介电损耗、谐振频率系数小等特点,广泛应用于微波通信、移动通信、卫星通信、广播电视、雷达等领域。
2.热、光学功能陶瓷耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷是陶瓷在热学方面的主要应用。
其中,耐热陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiC等,由于它们具有高温稳定性好,可作为耐火材料应用到冶金行业及其他行业。
隔热陶瓷具有很好的隔热效果,被广泛应用于各个领域。
陶瓷材料在光学方面包括吸收陶瓷、陶瓷光信号发生器和光导纤维,利用陶瓷光系数特性在生活中随处可见,如涂料、陶瓷釉。
核工业中,利用含铅、钡等重离子陶瓷吸收和固定核辐射波在核废料处理方面广泛应用。
陶瓷还是固体激光发生器的重要材料,有红宝石激光器和钇榴石激光器。
光导纤维是现代通信信号的主要传输媒介,具有信号损耗低、高保真性、容量大等特性优于金属信号运输线。
透明氧化铝陶瓷是光学陶瓷的典型代表,在透明氧化铝的制造过程中,关键是氧化铝的体积扩散为烧结机制的晶粒长大过程,在原料中加入适当的添加剂如氧化镁,可抑制晶粒的长大。
其可用作熔制玻璃的坩埚,红外检测窗材料,照明灯具,还可用于制造电子工业中的集成电路基片等。
3.生物、抗菌陶瓷生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷,生物陶瓷除了用于测量、诊断、治疗外,主要是用作生物硬质组织的代用品,可应用于骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科及普通外科等方面。
陶瓷电容器特性特别说明:本文档所有内容来气村田制作所网站,作者仅将所需要的内容总结在一起方便阅读查阅,Q :高介电常数型(X5R/B、X7R/R特性等)与温度补偿型(CH、C0G特性等)的特征和用途有哪些区别?A : 请参阅下表。
Q:陶瓷电容器的静电容量会不会随时间而变化?此外,对于随时间变化有哪些注意事项?A: 陶瓷电容器中,尤其是高诱电率系列电容器(B/X5R、R/X7R特性),具有静电容量随时间延长而降低的特性。
当在时钟电路等中使用时,应充分考虑此特性,并在实际使用条件及实际使用设备上进行确认。
例如,如下图所示,经过的时间越长,其实效静电容量越低。
(在对数时间图上基本呈直线线性降低)*下图横轴表示电容器的工作时间(Hr),纵轴表示的是相对于初始值的静电容量的变化率的图表。
如图中所示,静电容量随着时间延长而降低的特性称为静电容量的经时变化(老化)。
此外,对于老化特性,不仅仅限于本公司的产品,在所有高诱电率型电容器中都有此现象,在温度补偿用电容器中没有老化特性。
另外,因老化而导致静电容量变小的电容器,当由于工序中的焊接作业等使温度再次被加热到居里温度(约125°C)以上时,静电容量将得到恢复。
而且,当电容器温度降至居里温度以下时,将再一次开始老化。
关于老化特性的原理陶瓷电容器中的高诱电率系列电容器,现在主要使用以BaTiO3(钛酸钡)作为主要成分的电介质。
BaTiO3具有如下图所示的钙钛矿(perovskite)形的晶体结构,在居里温度以上时,为立方晶体(cubic),Ba2+离子位于顶点,O2-离子位于表面中心,Ti4+离子位于立方体中心的位置。
上图是在居里温度(约125℃)以上时的立方体(cubic)的晶体结构,在此温度以下的常温领域,为一个轴(C轴)伸长,其他轴略微缩短的正方晶系(tetragonal)晶体结构。
此时,作为Ti4+离子在结晶单位的延长方向上发生了偏移的结果,产生极化,不过,这个极化即使在没有外部电场或电压的情况下也会产生,因此,称为自发极化(spontaneous polarization)。
电容的种类和用途(作用)纸介电容用两片金属箔做电极,夹在极薄的电容纸中,卷成圆柱形或者扁柱形芯子,然后密封在金属壳或者绝缘材料(如火漆、陶瓷、玻璃釉等)壳中制成。
它的特点是体积较小,容量可以做得较大。
但是有固有电感和损耗都比较大,用于低频比较合适。
云母电容用金属箔或者在云母片上喷涂银层做电极板,极板和云母一层一层叠合后,再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成。
它的特点是介质损耗小,绝缘电阻大、温度系数小,适宜用于高频电路。
陶瓷电容用陶瓷做介质,在陶瓷基体两面喷涂银层,然后烧成银质薄膜做极板制成。
它的特点是体积小,耐热性好、损耗小、绝缘电阻高,但容量小,适宜用于高频电路。
铁电陶瓷电容容量较大,但是损耗和温度系数较大,适宜用于低频电路。
薄膜电容结构和纸介电容相同,介质是涤纶或者聚苯乙烯。
涤纶薄膜电容,介电常数较高,体积小,容量大,稳定性较好,适宜做旁路电容。
聚苯乙烯薄膜电容,介质损耗小,绝缘电阻高,但是温度系数大,可用于高频电路。
金属化纸介电容结构和纸介电容基本相同。
它是在电容器纸上覆上一层金属膜来代替金属箔,体积小,容量较大,一般用在低频电路中。
油浸纸介电容它是把纸介电容浸在经过特别处理的油里,能增强它的耐压。
它的特点是电容量大、耐压高,但是体积较大。
铝电解电容它是由铝圆筒做负极,里面装有液体电解质,插入一片弯曲的铝带做正极制成。
还需要经过直流电压处理,使正极片上形成一层氧化膜做介质。
它的特点是容量大,但是漏电大,稳定性差,有正负极性,适宜用于电源滤波或者低频电路中。
使用的时候,正负极不要接反。
钽、铌电解电容它用金属钽或者铌做正极,用稀硫酸等配液做负极,用钽或铌表面生成的氧化膜做介质制成。
它的特点是体积小、容量大、性能稳定、寿命长、绝缘电阻大、温度特性好。
用在要求较高的设备中。
半可变电容也叫做微调电容。
它是由两片或者两组小型金属弹片,中间夹着介质制成。
调节的时候改变两片之间的距离或者面积。
它的介质有空气、陶瓷、云母、薄膜等。
电容电感的选择及EMI中的应用(转载于internet)电容谐振频率电容值DIP (MHz) STM (MHz)1.0μF2.5 50.1μF8 160.01μF 25 501000pF 80 160100 pF 250 50010 pF 800 1.6(GHz)一NPO电容器NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。
它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。
NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。
在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃,电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。
NPO电容的漂移或滞后小于±0.05%,相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。
其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。
NPO电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同,大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。
下表给出了NPO电容器可选取的容量范围。
封装DC=50V DC=100V0805 0.5---1000pF 0.5---820pF1206 0.5---1200pF 0.5---1800pF1210 560---5600pF 560---2700pF2225 1000pF---0.033μF1000pF---0.018μFNPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容,以及高频电路中的耦合电容。
二X7R电容器X7R电容器被称为温度稳定型的陶瓷电容器。
当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15%,需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。
X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的,它也随时间的变化而变化,大约每10年变化1%ΔC,表现为10年变化了约5%。
X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用,而且当电压变化时其容量变化是可以接受的条件下。
它的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。
技术文件陶瓷电容设计选型指导技术文件版本:A版页数:第6页共22 页(3)陶瓷电容的封装表(4)为贴片电容常用的封装描述。
表(4)EIA(inch) 国标(mm)长宽高0402 1005 1.0±0.10 0.5±0.10 0.25±0.150603 1608 1.6±0.15 0.8±0.15 0.35±0.150805 2012 2.0±0.20 1.25±0.20 0.5±0.251206 3216 3.2±0.20 1.6±0.20 0.5±0.251210 3225 3.2±0.20 2.5±0.20 0.5±0.201812 4832 4.5±0.30 3.2±0.20 0.6±0.352225 5665 5.6±0.25 6.5±0.40 0.64±0.40备注说明1812及以上的封装,由于体积较大,在加工过程中容易受温度和机械应力而产生不良,目前在我司禁用(华为要求)。
(4)陶瓷电容的材料特性陶瓷是个绝缘体,而作为电容器介质用的陶瓷除了具有绝缘特性外,还有一个重要的特性,就是极化,即在外电场的作用下,正负电荷会偏离原有的位置,从而表现出正负两个极性,绝缘体的极化特性一般用介电常数ε来表示,即介质的κ值。
下表(5)为几种材料的介质常数,图(1)为陶瓷电容的极化图。
表(5)介质介质常数值真空 1.0空气 1.004BaTiO3(钛酸钡)400左右铁电陶瓷1000~12000图(1)技术文件陶瓷电容设计选型指导技术文件版本:A版页数:第7页共22 页(5)陶瓷电容的制造工艺和内部结构a、陶瓷电容的制造工艺多层陶瓷介质电容器的绝缘体材料主要使用陶瓷,其基本构造是将陶瓷和内部电极交相重叠,即由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,烧结成整体,然后是电极制造,引线焊接,涂覆,包封。
陶瓷电容的材料
陶瓷电容器的主要材料包括:
1. 陶瓷介质材料:这是陶瓷电容的核心部分,通常选用的陶瓷介质有钛酸钡(BaTiO₃)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸锶钡(SrBi₂Nb ₂O₉)等。
这些陶瓷材料经过精密配方设计和高温烧结后具有高介电常数、低损耗、稳定的电气性能以及良好的温度特性。
2. 金属电极材料:在陶瓷介质上涂覆的金属层作为电容器的两个导电极板,常用的金属材料包括镍、银、钯及其合金等,它们需要与陶瓷介质有良好的化学结合力,并且电阻率要低以降低接触电阻和提高电容器的效能。
3. 封装材料:为了保护内部结构不受外界环境影响,陶瓷电容器外部会采用环氧树脂、塑封料、陶瓷封装体等材料进行封装。
不同的应用领域和性能要求,会选择不同类型的陶瓷介质材料制作电容器,例如:
- NPO(Negative Temperature Coefficient of Capacitance)类陶瓷电容器使用的是温度系数非常低的高稳定型陶瓷介质。
- X7R和Y5V等类型则是利用了温度系数较高的铁电陶瓷,这类电容器在特定温度范围内电容量变化较大,适用于成本敏感且对容量稳定性要求相对较低的应用场合。
Y5V材料电容特性Y5V电容器瓷届丁低频高介电容器瓷,即皿类瓷,是强介铁电陶瓷,具有自发极化特性的非线性陶瓷材料,其主要成分为钛酸彻(BaTiO3);其特点是介电系数特别高,介电系数随温度呈非线性变化,介电常数随施加的外电场有非线性变化的关系;Y5V :温度特性Y代表-25C; "5”代表+85C ;温度系数V代表-80%~+30%;在交变电压作用下,电容器并不是以单纯的电容器的形式出现,它除了具有电容量以外,还存在一定的电感和电阻,在频率较低时,它们的影响可以不予考虑,但随着工作频率的提高,电感和电阻的影响不能忽视,严重时可能导致电容器失去作用。
因此,我们一般通过四个主要参数来衡量片式电容的一般电性能:电容量、损耗角正切、绝缘电阻、耐电压。
下面主要针对电容量的变化进行研究:1、电容量与温度的关系:温度是影响电容器电容量的一个重要因素,电容量与温度之间的这种关系特性称为电容器的温度特性,一般说来,对丁皿类瓷电容器,其影响相对较大,故我们采用“%”来表示它的容量变化率。
卜面以Y 材料0402F/104规格产品为例来说明Y5V材料的温度特性:温度-25 C+5C+20 C室温+40 C+85 C容量(nf)73.91106.25104.5999.8482.6231.58变化率(%)-29.33 1.5900-21.01-69.81容量随温度变化变化率对丁皿类瓷电容器,其容量基本是随所加电压的升高而加速递升的,在生产测试中,一股采用0.5土0.2V和1.0土0.2V作为电容量与损耗正切角的测试电压,电压较低,因此对丁同一容量采用不同温度的介质厚度设计,最终表现出来的容量值不会有太大差异,但是,随着工作电路中交流电压的不同,2、电容量与交流电压的关系:这种差异较为明显。
卜面以Y材料0805F/105规格产品为例来说明Y5V材料交流特性:测试电压0.1V0.2V0.3V0.4V0.5V0.6V0.7V0.8V0.9V 1.0V 容量(uf )0.92 1.009 1.08 1.13 1.18 1.21 1.24 1.26 1.277 1.287变化率(%09.6717.3922.8328.2631.5234.7836.9638.839.89交流特性45.00%40.00%率化变测试电压3、电谷量与直流电压的关系:在电路的实际应用中,电容器两端可能要施加一个直流电压,电容器在这种情况下的特性叫做直流偏压特性;相对X7R材料来说,Y5V材料偏压特性较差,可以通过增加介质厚度的方法取得较好的直流偏压特性。