다층 세라믹 커패시터(MLCC)는 전자 설계에서 발견되는 가장 일반적인 커패시터 종류 중 하나입니다. 비교적 저렴한 비용으로 다양한 폼 팩터에서 광범위한 대량 정전 용량 및 전압 허용 오차를 제공합니다. 이러한 장치는 디자이너의 도구 상자에서 보편화되었지만 종종 간과되는 몇 가지 특징이 있습니다.

주요 관심사는 온도, 인가된 바이어스 전압 및 수명을 포함한 여러 환경 요인에 대한 유효 커패시턴스의 민감도입니다. 이러한 요인을 고려하지 않으면 특히 제조 변동성과 전체 공차 누적에서 제품 고장의 위험이 매우 현실화됩니다.

MLCC 온도 고려 사항

MLCC는 일반적으로 유전체에 사용되는 세라믹 재료의 유형에 따라 두 가지 등급으로 나뉩니다. 클래스 I 커패시터는 감도가 가장 낮고 가장 견고하며 일반적으로 TiO2로 제작됩니다. 3글자 EIA 코드는 섭씨 온도당 ppm 단위의 온도 계수(TC), 승수 및 허용 오차를 분류하는 데 사용됩니다. 클래스 I 커패시터는 종종 모든 온도 감도 중 가장 낮은 C0G로 표시되며, 이는 -55°C ~ +125°C 온도 범위와 ±30ppm/°C의 커패시턴스 변화 및 ±0.3% 미만의 총 커패시턴스 변동을 의미합니다. .

클래스 II 커패시터는 일반적으로 BaTiO3 유전체로 구성되며 더 높은 온도 감도를 희생시키면서 훨씬 더 넓은 범위의 벌크 정전 용량을 제공합니다. 일반적으로 사용되는 클래스 II 장치는 X7R, Y5V, Z5U입니다. 표 1은 EIA 코드와 온도 계수 및 용량 범위에 대한 해당 값을 나타냅니다.

표 1을 사용하여 몇 가지 예가 아래에 나와 있습니다.

• l ±15% EIA 코드의 커패시턴스 변화가 있는 -55 ~ +125도는 X7R입니다.
• l ±15% EIA 코드의 커패시턴스 변화가 있는 -55 ~ +85도는 X5R입니다.
• l +22%의 커패시턴스 변화로 -30 ~ +85도, -82% EIA 코드는 Y5V

표 1. 세라믹 등급 유전체 EIA 코드

그림 1 - 다른 EIA 코드에 대한 MLCC 커패시턴스 대 온도의 변화

그림 1은 여러 EIA 코딩 MLCC의 전체 온도 범위에 걸친 커패시턴스 변화를 보여줍니다. 커패시터가 작동하는 환경 조건을 알고 설계의 허용 가능한 변동을 이해하는 것은 적절한 기능에 매우 중요할 수 있습니다. 예를 들어, 고온 애플리케이션에서 더 적절한 X7R 장치 대신 저가형 Y5V 장치를 선택하면 실패가 보장됩니다.

MLCC 커패시터에 대한 DC BIAS 전압 영향

MLCC 커패시터의 또 다른 고유 감도는 적용된 DC 바이어스 전압에 따른 벌크 커패시턴스의 변화입니다. 예를 들어, 그림 2와 같이 인가된 DC 전압이 클수록 유효 정전 용량은 작아집니다. 이 예에서 커패시턴스는 25V에서 약 45%까지 떨어지며 이는 장치의 50V 등급의 절반에 불과합니다.

이 현상의 원인은 세라믹 유전체의 결정 구조입니다. DC 전압이 적용되지 않으면 전기장이 존재하지 않으며 수정 쌍극자가 장치 전체에서 무작위로 배열됩니다. 이 시나리오를 자발 분극이라고 하며 높은 유전 상수를 초래하고 결과적으로 높은 커패시턴스를 생성합니다.

그림 2 - 자동차용 X7R 50V MLCC의 커패시턴스 대 인가 DC 전압의 변화

그림 3 - DC 바이어스 전압이 적용된 경우(위)와 적용된 경우(아래)의 결정 분극

낮은 DC 전압이 인가되면 그림 3과 같이 전기장이 일부 쌍극자를 병렬로 정렬합니다. 이러한 전기장과 쌍극자의 정렬은 커패시턴스를 감소시킵니다. 더 많은 DC 전압이 적용될수록 더 많은 쌍극자가 정렬되기 시작하고 커패시턴스가 지속적으로 저하됩니다. 정격 전압에 도달하면 커패시턴스 수준이 공칭 값에서 70%까지 떨어질 수 있습니다. 특히 클래스 II 장치는 BaTiO3 구성으로 인해 이러한 문제가 발생합니다.

온도 감도의 경우와 마찬가지로 DC 바이어스 전압에 대한 의존성을 인식하면 설계에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 최소 DC 구성 요소로 작은 AC 신호를 필터링하는 데 MLCC를 사용하는 경우 다양한 MLCC 옵션이 적합할 수 있습니다. 대신 설계가 고전압 DC 조정기의 리플을 필터링하는 경우 MLCC가 최선의 선택이 아닐 수 있습니다.

DC 바이어스 의존성의 핵심 요소는 유전체의 두께입니다. 유전체가 두꺼워지면 전계 강도가 약해지고 정전 용량 감소가 최소화됩니다. 따라서 DC 바이어스 효과를 최소화하기 위해 설계자는 다음 기술을 적용할 수 있습니다.

• l 더 큰 케이스 크기 선택
• 엘 더 높은 정격 전압을 선택하십시오
• 엘 더 나은 유전체를 선택하십시오
• l 여러 장치를 병렬로 연결

MLCC 노화

높은 커패시턴스를 달성하기 위해 상위 등급 MLCC에 사용되는 유전체 재료는 고유한 노화 프로세스로 인해 어려움을 겪습니다. 이러한 물질의 결정 격자에는 영구적인 전기 쌍극자를 발생시키는 변형 에너지가 내장되어 있습니다. 시간이 지남에 따라 이 변형이 완화되고 커패시턴스가 천천히 저하됩니다.

그림 4는 1000시간 이상 경과한 X7R 및 Y5V 장치의 예를 보여줍니다. 장치의 온도를 120C 이상으로 올리면 이 노화 과정을 되돌릴 수 있지만 설계자는 제품의 수명 계산에 노화 효과를 포함시키기만 하면 됩니다.

그림 4 - X7R 대 Y5V MLCC 세라믹 유전체 수명 저하 정전 용량

결론

MLCC는 현대 전자 설계에서 매우 중요한 장치이지만 그 한계를 이해해야 합니다. 다른 커패시터 기술과 달리 설계자는 의도한 응용 제품의 온도, DC 바이어스 및 에이징 요구 사항을 잘 알고 있어야 합니다. 그래야만 적절한 유전체 재료, 케이스 크기 및 회로 토폴로지를 결정할 수 있습니다.

출처:EPCI