中心議題：

• MLCC技術的新進展

解決方案：

• 串聯“浮動電極”設計解決電容器有效區（active area）的電壓應力問題。
• 通過塗層電容器進一步解決表麵電弧放電問題
• HVArc Guard電容器采用了專利的內部電極配置，可以防止表麵電弧放電現象
• 通過在環氧聚合物端點上加上銀，可以防止電路板彎曲時發生的故障，進而增加可靠性
• 在X7R電解質的新製劑方麵進行修改，可減少與施加電壓的耦合
• HVArc Guard對於潮濕環境有很好的耐受性

高壓表麵貼裝MLCC（多層陶瓷電容器）的額定值通常設定在500VDC或更高。這些MLCC 廣泛應用在電源當中
，用來隔離和濾波DC和ACdianya。tamenzaijianshaowenbozaoshenghexiaochukaiguanwenyaqisuoyinqideqianzaidebuanquanshunbianfangmianzuoyongyouweizhongyao。qitazhidezhuyideyingyongshizaidengzhenliuqizhongzuoweihuanchongdianrongqi；最近MLCC也已經集成在可植入醫療器械當中，以保護低電壓電路免受外部去心髒纖顫引起的瞬變的影響。不過
，當電壓升高至750VDCyishangshi，zaijiexianduanzhijianyijianzhuangzaidianlubanshangdeqitaqijianzhijianjiuhuichuxianbijiaoyanzhongdebiaomianhuwenti。youyuzhexieyuanyin
，dianrongqijiexianduanhebiaomiantiezhuangqijianzhijiandefenli，yijishixian（line-of-sight）和表麵的距離對性能的可靠非常關鍵。UL和VDE要求中已經規定了這些距離，而安全額定電容器和電容器性能是在IEC 60384-14、IEC 60950
、ENI132400和UL 60950標準中規定的。為了符合這些要求的距離，人們已經開發出了用於這些應用的較大外殼尺寸的電容器

，例如1808和更大的尺寸。設計人員也在使用開槽電路板（s l o t t e d board）、靈活的電路和電路板均勻塗層或塗層電容器（coated capacitor）來(lai)防(fang)止(zhi)表(biao)麵(mian)弧(hu)。其(qi)他(ta)可(ke)靠(kao)性(xing)方(fang)麵(mian)的(de)問(wen)題(ti)，特(te)別(bie)是(shi)使(shi)用(yong)較(jiao)大(da)外(wai)殼(ke)尺(chi)寸(cun)的(de)多(duo)層(ceng)電(dian)容(rong)器(qi)是(shi)造(zao)成(cheng)板(ban)彎(wan)曲(qu)和(he)壓(ya)電(dian)應(ying)力(li)最(zui)終(zhong)導(dao)致(zhi)開(kai)裂(lie)而(er)引(yin)發(fa)元(yuan)件(jian)故(gu)障(zhang)的(de)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)。此(ci)外(wai)
，在(zai)電(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)非(fei)常(chang)昂(ang)貴(gui)的(de)應(ying)用(yong)當(dang)中(zhong)，生(sheng)產(chan)者(zhe)已(yi)經(jing)開(kai)發(fa)出(chu)了(le)可(ke)以(yi)在(zai)較(jiao)高(gao)電(dian)壓(ya)下(xia)穩(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)的(de)體(ti)積(ji)較(jiao)小(xiao)的(de)MLCC。本文將介紹可以解決這些問題的表麵貼裝多層陶瓷電容器的設計、材料和性能。

設計
許多年前
，人們發現在空氣中測試500VDC以上的電壓時
，MLCC標準設計的性能出現了問題。有效層（active layer）之間的內部擊穿和接線端之間的表麵弧導致了故障的出現。為了解決電容器的有效區（active area）的電壓應力問題
，製造商開發出了一種串聯“浮動電極”設計，在單個元件內有效集成了2個以上的電容器組。圖1是這類設計與標準MLCC的比較。



標準MLCC
這些電容器的電容值通常是相同的，所以在這種情況下每個電容器的有效電壓（VC）都等於施加在該器件上的總電壓（VT）除以電容器的數目（n）即VC=VT/n。利(li)用(yong)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)每(mei)個(ge)電(dian)容(rong)器(qi)組(zu)的(de)有(you)效(xiao)電(dian)壓(ya)。高(gao)壓(ya)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)者(zhe)還(hai)利(li)用(yong)這(zhe)個(ge)原(yuan)理(li)
，通(tong)過(guo)串(chuan)聯(lian)單(dan)個(ge)電(dian)容(rong)器(qi)來(lai)降(jiang)低(di)每(mei)個(ge)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)電(dian)壓(ya)。不(bu)過(guo)，在(zai)兩(liang)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)總(zong)電(dian)容(rong)（CT）都將會下降：1/CT=(1/C1+1/C2…+1/Cn)利用一台高速相機觀察到了另一個重要的問題，即在一個標準電容器設計上施加一個電壓之後出現的表麵電弧放電現象，如圖2所示。“浮動電極”串聯設計可以有效地解決表麵弧的問題。不過，與如前所述的標準設計相比
，其主要弊端在於其較低的容量。



表(biao)麵(mian)電(dian)弧(hu)放(fang)電(dian)問(wen)題(ti)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)塗(tu)層(ceng)電(dian)容(rong)器(qi)得(de)到(dao)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)解(jie)決(jue)。增(zeng)加(jia)引(yin)線(xian)和(he)塗(tu)覆(fu)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂(zhi)是(shi)一(yi)種(zhong)有(you)效(xiao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，但(dan)如(ru)此(ci)一(yi)來(lai)這(zhe)種(zhong)產(chan)品(pin)不(bu)再(zai)是(shi)可(ke)以(yi)表(biao)麵(mian)貼(tie)裝(zhuang)的(de)。近(jin)來(lai)已(yi)出(chu)現(xian)一(yi)些(xie)塗(tu)層(ceng)已(yi)用(yong)來(lai)保(bao)持(chi)表(biao)麵(mian)貼(tie)裝(zhuang)的(de)能(neng)力(li)，但(dan)是(shi)這(zhe)些(xie)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)過(guo)於(yu)昂(ang)貴(gui)，而(er)且(qie)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)非(fei)常(chang)複(fu)雜(za)。組(zu)裝(zhuang)電(dian)路(lu)板(ban)類(lei)似(si)塗(tu)層(ceng)的(de)應(ying)用(yong)還(hai)可(ke)以(yi)防(fang)止(zhi)電(dian)弧(hu)放(fang)電(dian)的(de)發(fa)生(sheng)，但(dan)是(shi)除(chu)了(le)額(e)外(wai)成(cheng)本(ben)外(wai)，在(zai)許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)塗(tu)層(ceng)會(hui)不(bu)利(li)於(yu)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)最(zui)後(hou)組(zu)裝(zhuang)期(qi)間(jian)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)焊(han)接(jie)。為(wei)了(le)克(ke)服(fu)這(zhe)些(xie)缺(que)點(dian)，人(ren)們(men)開(kai)發(fa)出(chu)了(le)HVArc Guarddianrongqi，tacaiyonglezhuanlideneibudianjipeizhi，keyifangzhibiaomiandianhufangdianxianxiang。jinguanzhezhongpeizhibuhuixiangchuanlianshejinayangnenggoujiangdineibuyouxiaodianya，danzaixuduoqingkuangxiayouxiaozhongdiequ（active overlap area）會增加超過300%，有助於實現較高的容量和使電容器進一步小型化。HVArc Guard MLCC的橫截麵如圖3所示。



在HVArc Guard設計中，防護電極包圍著有效電極，在端點電荷和有效層之間形成一個屏障。得到的電場可以阻止端點到端點的電弧，並增加dc擊穿電壓水平。防護電極隻占很小的空間，留下其餘的部分給有效電極
，進而增加了可用容量。

電路板彎曲
rutongzaiqianyibufenzhongtidaodenayang，hanjieyinxianhetucengyiguangfanyongyushengchangaoyayuanjian。chuleyinxianwai，yinxiankuangyekeyiyonglaifengzhuangduogedianrongqi，yidedaogenggaoderonglianghezengjiafuhexing。jinguanzengjiayigeouyixingyinxiankuanghuixianzhuzengjiayuanjiandechengben
，danshitakeyibimiandianlubanwanqudefasheng。zhidaozuijin
，doumeiyouyouxiaodefangfalaizengjiabiaomiantiezhuangqijianduandiandefuhexing
，danzhegelishiyijingyiqubufufanle。tongguozaihuanyangjuhewuduandianshangjiashangyin，keyifangzhidianlubanwanqushifashengdeguzhang，jinerzengjiakekaoxing。zhezhongxuanzemuqianyiyongyuwomendeOMD-Cap範圍高壓係列設計以及HVArc Guard電容器。當電路板彎曲時
，標準電容器與相同HVArc Guard電容器的聚合物端點的測試顯示的故障率差異如圖4所示。



材料
高壓電容器通常是采用X 7 R 和C0G 電解質製造的。這些名稱描述了在-55～+125℃溫度係數將分別為美國電子工業協會（EIA）的±15%和±30×10-6/℃。C0G電容器也可以用更常用的術語表示，即NP0（正負零）。不過，值得注意的是，在1kHz條件下以1Vrms進行電容測量非常重要，各種材料可以用這些名稱來描述。對許多電源應用來說，重要的是知道在某個具體電壓下的電容容量。X7R和C0G（NP0）電容器之間存在顯著的差異；施加了DC電壓的X7R電容器將釋放出大量容量，而C0G（NP0）電容仍然沒有太大的變化。出現這種現象是由於與C0G（NP0）電解質的鐵電性質相比
，鐵電X 7 R 材料在剩餘極化（remnant polarization）方麵有根本的不同。實際上，雖然X7R MLCC具有高得多的容量
，但是其容量在施加DC電壓時會顯著下降。這方麵的一個例子如圖5所示。因此，當采用多層電容器時，設計人員必須考慮到施加電壓下的可用容量。



如前麵敘述的那樣，有許多材料可以滿足X7R或C0G（NP0）的這類TCC要求。這些材料與各種設計的組合並不能在施加的DC電壓下以完全相同的方式實現。不同製造商任何給定電壓的可用容量一定會有很大的差異。較高的電壓可以與X 7 R 電解質中的鐵電疇（ferroelectric domain）相耦合，在元件上產生一種機械應力。這種“壓電應力”會導致電容器在z方向上若幹微米的移動。當然，這是根據壓電執行器的原理，但是在MLCC的情況下
，連續的電壓尖峰會導致應力裂紋和故障。為了解決這個問題，應該使用這種具有降低壓電耦合能力的2000VDC 以上額定值的X7R電解質電容器。降低耦合係數的影響可以增加擊穿耐壓
，如圖6所示。這些設計采用了完全相同的有效厚度和“浮動電極”型設計。唯一的差異在於X7R電解質的新製劑方麵的修改
，它可以減少與施加電壓的耦合。這種新製劑已用於我們的高壓OMD-Cap產品線。



AC電壓的考慮因素
在許多應用中，AC電源處理以及承受AC電壓的能力至關重要。測量這種能力的一種典型方法是在各種高頻條件下施加AC紋波電壓，直到電容器增加到超過環境溫度20℃以上。不過，在X7R電容器與C0G（NP0）的電容器之間又一次出現了顯著的差異
，前者的剩餘電偶（remnant dipole）隨著施加的電場移動而引起發熱，而後者在這種情況下的溫度不會增加。另一個AC 能力指標是通過施加60Hz AC電壓
，將其提升至6kV峰值30s 以上，直到發生電解質擊穿而實現的。這種類型測試的結果可以與對1000VDC額定值的1206 X7R HVArc Guard電容器施加500Vdc/s的破壞測試的DC擊穿電壓相比，如圖7所示。D C 電壓故障的發生遠遠超過了1000VDC額定值。由於AC電壓故障發生在1000VAC左右，與DC電壓相比
，故障的分布範圍很窄。



環境考慮因素
如前麵提到的那樣，電容器或電路板塗層可以防止表麵弧，而且還可以作為一種防潮的屏障。為了測試HVArc Guard元件對由濕度引起的故障的易感性，對1210外殼尺寸、1000VDC額定值的MLCC樣品進行了擊穿電壓測試
，其環境條件為23.8℃/53.3%RH，提高的溫濕度為85℃/85%RH。其結果如圖8所示。盡管在85/85條件下X7R的平均擊穿電壓相當低
，但C0G（NP0）幾乎不受影響。因此，C0G（NP0）看kan似si不bu那na麼me易yi受shou潮chao濕shi所suo引yin起qi故gu障zhang的de影ying響xiang，而er兩liang種zhong情qing況kuang的de擊ji穿chuan都dou是shi在zai容rong許xu範fan圍wei以yi內nei
，即ji使shi是shi在zai高gao濕shi度du條tiao件jian下xia。兩liang種zhong環huan境jing條tiao件jian下xia測ce試shi的de元yuan件jian擊ji穿chuan範fan圍wei均jun高gao於yu額e定ding電dian壓ya。



結束語
通過采用新型材料和新的設計，已經開發出來可靠的、可表麵貼裝的高壓MLCC，為電源設計人員提供了無須塗層的更小

、更高容量值的電容器。此外
，這些優勢加上使用裸板組裝的能力有助於電源製造商大幅度降低成本。最後我要感謝Pat Gormally
、Paul Coppens、John Jiang
、John Rogers、Vito Coppola和Alice Whitcher，他們在準備本文期間做出了貢獻
，並與我進行了有價值的討論。