積層セラミック コンデンサ (MLCC) は、電子設計で最も一般的なコンデンサの種類の 1 つです。比較的低コストで、多数のフォームファクタで幅広いバルク静電容量と電圧耐性を提供します。これらのデバイスは設計者の道具箱にあるのが一般的になっていますが、見落とされがちないくつかの特殊性があります。

主な関心事は、温度、印加バイアス電圧、使用年数などのいくつかの環境要因に対する実効静電容量の感度です。これらの要因が考慮されていない場合、特に製造上のばらつきや全体的な公差の積み重ねにおいて、製品の故障のリスクが非常に現実的になります。

MLCC の温度に関する考慮事項

MLCC は通常、誘電体に使用されるセラミック材料の種類に基づいて 2 つのクラスに分類されます。クラス I コンデンサは最も堅牢で感度が最も低く、通常は TiO2 から作られています。3 文字の EIA コードは、摂氏 1 度あたりの温度係数 (TC)、乗数、および許容差を分類するために使用されます。クラス I コンデンサは、多くの場合、温度感度が最も低い C0G としてリストされます。これは、-55 °C ～ +125 °C の温度範囲で、静電容量の変化が ±30 ppm/°C、合計静電容量の変化が ±0.3% 未満であることを意味します。 。

クラス II コンデンサは通常、BaTiO3 誘電体から構成されており、より高い温度感度を犠牲にして、はるかに広い範囲のバルク静電容量を提供します。一般的に使用されるクラス II デバイスは、X7R、Y5V、Z5U です。表 1 は、EIA コードと、温度係数および容量範囲の対応する値を示しています。

表 1 を使用して、いくつかの例を以下に示します。

• -55 ～ +125 度、静電容量変化は ±15% EIA コードは X7R
• -55 ～ +85 度、静電容量変化は ±15% EIA コードは X5R
• -30 ～ +85 度、静電容量変化は +22%、-82% EIA コードは Y5V

表 1. セラミッククラス誘電体 EIA コード

図 1 – さまざまな EIA コードの温度に対する MLCC 静電容量の変化

図 1 は、EIA コード化されたいくつかの異なる MLCC の全温度範囲にわたる静電容量の変化を示しています。コンデンサが動作する環境条件を知り、設計の許容変動を理解することは、適切に機能するために重要です。たとえば、高温アプリケーションでは、より適切な X7R デバイスの代わりに低コストの Y5V デバイスを選択すると、ほぼ確実に故障することになります。

MLCC コンデンサに対する DC BIAS 電圧の影響

MLCC コンデンサのもう 1 つの固有の感度は、印加された DC バイアス電圧によるバルク静電容量の変化です。たとえば、図 2 に示すように、印加される DC 電圧が大きくなるほど、実効静電容量は小さくなります。この例の静電容量は 25V で約 45% 低下しますが、これはデバイスの 50V 定格の半分に過ぎません。

この現象の原因はセラミック誘電体の結晶構造です。DC 電圧が印加されていない場合、電場は存在せず、結晶双極子はデバイス全体でランダムに配置されます。このシナリオは自発分極と呼ばれ、高い誘電率をもたらし、その結果、高い静電容量が得られます。

図 2 – 車載用 X7R 50V MLCC の印加 DC 電圧に対する静電容量の変化

図 3 – DC バイアス電圧を印加した場合 (上) と印加した場合 (下) の水晶の分極

低い DC 電圧が印加されると、図 3 に示すように、電場によって双極子の一部が平行に整列します。電場による双極子のこの整列により、静電容量が減少します。より多くの DC 電圧が印加されると、より多くの双極子が整列し始め、静電容量は継続的に低下します。定格電圧に達すると、静電容量レベルが公称値から 70% も低下する可能性があります。特に、クラス II デバイスは、BaTiO3 構造によりこの問題に悩まされます。

温度感度の場合と同様に、DC バイアス電圧への依存性を認識することは、設計に大きな影響を与える可能性があります。MLCC を使用して DC 成分を最小限に抑えた小さな AC 信号をフィルタリングする場合は、さまざまな MLCC オプションが適している可能性があります。代わりに、高電圧 DC レギュレータからのリップルをフィルタリングする設計の場合、MLCC は最良の選択ではない可能性があります。

DC バイアス依存性の重要な要素は誘電体の厚さです。誘電体が厚くなると電界強度が弱まり、静電容量の減少は最小限になります。したがって、DC バイアスの影響を最小限に抑えるために、設計者は次の手法を適用できます。

• l 大きめのケースサイズを選択してください
• l より高い定格電圧を選択してください
• l より良い誘電体を選択する
• l 複数のデバイスを並列に配置する

MLCCのエージング

高い静電容量を実現するために高級な MLCC で使用される誘電体材料には、固有の経年劣化プロセスが発生します。これらの材料の結晶格子には、永久電気双極子を引き起こす歪みエネルギーが組み込まれています。時間の経過とともにこの歪みは緩和され、静電容量はゆっくりと低下します。

図 4 は、1000 時間のエージングを経た X7R および Y5V デバイスの例を示しています。この老化プロセスはデバイスの温度を 120℃ 以上に上げることで逆転できますが、設計者は製品の寿命計算に老化の影響を組み込むだけで済みます。

図 4 – X7R 対 Y5V MLCC セラミック誘電体の静電容量の経年劣化

結論

MLCC は現代の電子設計において非常に貴重なデバイスですが、その限界を理解しておく必要があります。他のコンデンサ技術とは異なり、設計者は対象アプリケーションの温度、DC バイアス、および経年劣化の要件をよく知っている必要があります。そうして初めて、適切な誘電体材料、ケースサイズ、回路トポロジーを決定することができます。

出典:EPCI