解決指南

Vol.1 C0G特性及高耐壓MLCC的特點與替換解決方案

概要

電子設備中擁有各類電容器，并分別發揮著其各自的特性。一般情況下，電容器的電容量與耐電壓（而定電壓）無法兼顧，且屬于此消彼長的關系，在相同尺寸下，耐電壓提高，則電容量會出現下降趨勢。
薄膜電容器擁有高耐電壓，且具備恰到好處的電容量，同時，由于頻率特性及溫度特性優異，因此多用于車載電子設備、產業設備及家電設備等產品中。
但近年來，用于溫度補償(種類1)的MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)中，耐電壓與電容量也出現了明顯擴大，尤其在諧振電路等用途中，以往一般使用薄膜電容器的領域中也逐漸被MLCC所取代。
TDK開發的C0G特性·高耐壓MLCC是一款在行業最高等級的廣電容量范圍(1nF～33nF)內實現了1000V耐電壓的產品。
以下將通過C0G特性·高耐壓MLCC的特點與薄膜電容器進行比較，并就各種替換的優點進行說明。

目錄

主要電容器特性

在諧振電路中使用C0G特性MLCC的理由

采用導線端子型產品的解決方案

車載等級MLCC（積層貼片陶瓷片式電容器）CGA系列 C0G特性

主要電容器特性

通過電介質陶瓷材料的不同，MLCC大致可分為種類1(溫度補償用)與種類2(高介電常數類)。
種類2的MLCC擁有大容量特點，但也存在因溫度的變化導致電容量變化率大的缺點。另一方面，種類1的MLCC雖然無法達到高介電常數類產品的大容量，但由于溫度變化導致的電容量變化率較小，且由于頻率特性優異，因此被用于對精度要求較高的電路等。

鋁電解電容器、薄膜電容器、MLCC（種類1及種類2）等主要電容器的額定電壓-電容量應對范圍如圖1所示。

圖1：各類電容器的額定電壓-電容量的應對范圍

在電容量較大的產品中，種類2的MLCC達到了電容量為100μF以上的鋁電解電容器所能達到的容值。此外，種類1的MLCC以往只與少部分薄膜電容器的容值范圍相重疊，但近年來，隨著高耐壓化與大容量化的發展，重疊的范圍迅速擴大。
薄膜電容器以及MLCC的特性比較如表1所示。

表1：主要電容器特性比較

◎：優秀○：良好△：一般

鋁電解電容器的特點在于大容量，而其他特性方面，薄膜電容器以及MLCC更為優異。此外，比較薄膜電容器以及種類1的MLCC可發現，薄膜電容器在小型化方面存在難點，而種類1的MLCC則在大容量化以及提高耐電壓方面存在課題。

種類2的MLCC的電容量隨著溫度的變化也會產生大幅變化，而種類1的MLCC基本上保持著直線變化。該直線對于溫度的傾斜度稱為溫度系數，單位為[ppm/°C]。
JIS標準及EIA標準對溫度系數值及其允許差進行了分級。在EIA標準內最為嚴格的C0G特性MLCC(種類1)中，在-55～+125°C的溫度范圍內，溫度系數規定為0ppm/°C，允許差規定為±30ppm/°C。
薄膜電容器與MLCC的溫度特性(溫度變化導致電容量變化)如圖2所示。

圖2：C0G特性MLCC與各類電容器溫度特性(溫度變化導致電容量變化)的比較

從圖表中可以看出，相比X7R特性MLCC(種類2)、U2J特性MLCC(種類1)以及各類薄膜電容器，C0G特性MLCC擁有極為穩定的溫度特性。

在諧振電路中使用C0G特性MLCC的理由

將電容器的電容量設為C，線圈電感設為L，則電容器與線圈(電感器)相互組合的LC諧振電路的諧振頻率(f)可以用公式f=１／2π√LC表示。從該公式中可以看出，諧振電容器的電容量變動將會引起諧振頻率的變動。若諧振頻率一致發生變化，則應傳遞的波形將會發生扭曲，從而導致能源傳輸效率降低。
為此，以往在高電壓，且有大電流流經的車載電子設備等諧振電路用途中，會使用相對于溫度變化較為穩定的薄膜電容器。
同時，如上述公式所示，諧振頻率越低，則需要電容量越大的電容器。車載電子設備諧振電路中的諧振頻率設置在數10kHz～數100kHz，因此耐電壓及電容量都很高的薄膜電容器較為適用。
然而，如前所述，由于近年來，種類1的MLCC耐電壓與電容量的發展迅猛，將薄膜電容器替換為C0G特性MLCC的生產商不斷增加。這是因為MLCC相比薄膜電容器體型更小，通過高精度的共振來提高傳送效率，實現節省空間的特點。

《特點》

更高的使用溫度范圍上限
C0G特性的使用溫度范圍上限較高，達到+125°C，適合用于發動機艙內的車載電子設備等。

優秀的耐濕性能
具備85℃/85%RH的耐濕性能。

符合AEC-Q200
產品符合車載用電子元件的可靠性試驗及認定標準試驗的世界標準AEC-Q200。

小型、輕量、SMD型
可在基板上進行表面貼裝的小型輕量SMD芯片元件。可實現大幅節省空間的效果。
雖然與薄膜電容器相比擁有諸多優點，但MLCC存在如下特有弱點，因此需要在替換時注意。

《替換為MLCC的注意》

基板彎曲裂紋等問題
因基板彎曲等導致的應力會導致焊錫開裂，最壞的情況下，電容器本體體會出現開裂，從而出現短路等不良。

印刷電路板的絕緣距離(沿面距離)問題
由于是SMD型小型元器件，因此在印刷電路板表面貼裝的焊盤圖案間隔較窄，施加高電壓后，根據使用條件與環境不同，可能會出現絕緣耐壓不充分的情況。

采用導線端子型產品的解決方案

前述在替換為MLCC時的注意點可通過采用導線端子型MLCC(積層帶導線陶瓷電容器)進行解決。這是一種徑向引線型電容器，其在MLCC的外部電極上通過焊錫接合2條導線后再涂布樹脂涂層。
通過替換為導線端子形產品，除了獲得MLCC獨有的特性之外，還可以有效解決這些問題。

《替換為導線端子型的解決方案》

導線吸收并緩和基板彎曲壓力。

通過使其變為導線端子型，可擴大配線圖案間隔，從而確保絕緣耐壓。

圖3：從SMD型產品替換為導線端子型(積層帶導線陶瓷電容器)的解決方案

車載等級MLCC（積層貼片陶瓷片式電容器）CGA系列 C0G特性

TDK提供車載等級及CGA系列的中耐壓MLCC(額定電壓100~630V)、高耐壓MLCC(額定電壓1000V以上)等各類MLCC。其中，額定電壓為1000V、溫度特性為C0G特性、電容量為1nF~33nF的產品擁有以下類型。除了磁共振式無線充電共振電容器之外，在時間常數電路、濾波器電路、振蕩電路等在有高精度的要求時，需要實現小型化和SMT化的情況下可以用于替換薄膜電容。同時，為了進一步提高可靠性，對于基板彎曲導致的元件體開裂、熱沖擊導致的焊錫開裂以及振動等外部環境因素具有較強耐受性的金屬支架電容及樹脂電極品系列也一應俱全。
EV及自動駕駛等新一代汽車的發展關鍵在于對電池進行高效充電的無線充電技術。在磁共振式無線充電中，諧振電容器的特性與電力傳輸效率息息相關。實現耐電壓1000V的TDK的C0G特性·高耐壓MLCC是作為EV無線充電中的諧振電容器，具備最佳特性的溫度補償用(種類1)MLCC。同時，由于ESR極低，這也是C0G特性·高耐壓MLCC所不可忽視的重要因素。TDK將通過擴大耐電壓及電容量范圍等方式，進一步豐富產品線。

* C0G：–55～+125°C中溫度系數在0±30ppm/°C以內

審核編輯：湯梓紅