贴片电容容值偏低現象成因与应对

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MLCC產品容值偏低現象

     针对经常有客户问及容值偏低的问题，本文从仪器差异、测试环境、测试条件、材料老化等方面对此作出完整之说明及解释,以期对MLCC产品容值偏低现象有进一步的认识。

1、量测仪器差异对量测结果之影响.
  高容量的电容量测时更易有容值偏低现象，主要原因是电容两端之实际施于电压无法达到测试条件需求所致，也就是说加在电容两端的电压由于仪器本身内部阻抗分压的原因与仪器显示的设定电压不同。为使量测结果误差降至最低,建议客戶将仪器調校並將儀器的设定电压与实际在产品两端所测之电压尽量调整,使实际于待测物上之輸出电压一致.
2、测试条件对量测结果之影响
首先考虑量测条件的问题。对于不同容值的电容会采用不同的条件来量测其容值。主要在电压设定和测试频率设定上有差異，不同容值的量测条件如下表所示:

电容	AC 电压	频率
C>10μF	1.0± 0.2Vrms	120Hz
1000pF<C≦10μF	1.0± 0.2Vrms	1kHz
C≦ 1000pF	1.0± 0.2Vrms	1MHz

 
注： 表中所列之电压是指实际加在电容两端的有效电压。
因仪器的原因，电容两端实际的輸出电压与设定的量测电压实际上可能会有所偏差。
3、影响高容量测之因素
3.1 仪器內部阻抗之大小因素.
由于不同测试仪器之间的內部阻抗不相同，造成仪器将总电压分压而使到达测试物的实际电压变小。在实际的测试动作中，我们可以使用万用表等测试夹具两端的实际电压，以验证实际施于测试物的輸出电压。
3.2不同阻抗的测试仪器对比
仪器内阻100Ω压降
1V*[100Ω/(100Ω+16Ω)]=0.86V
10uF测试电容两端电压 ：
1V*[16Ω/(100Ω+16Ω)]=0.14V
平均电容值读数 ： 6-7μF


仪器内阻1.5Ω压降 ：
1V*[1.5Ω/(1.5Ω+16Ω)]=0.086V
10uF测试电容两端电压  ：
1V*[16Ω/(1.5Ω+16Ω)]=0.914V
平均电容值读数  ： 9-10μF

综合以上实验，可以得到有效电压与电容量的关系如下：
→ 當AC Voltage 較小，则量测出之电容值偏小
→當AC Voltage 較大，则量测出之电容值偏大
下圖為量測電壓與量測容值的對照圖
  
3.3 电容大小因素
电容量大小会影响电容之阻抗.
Z(Ω)=R+j(-1/ωc)
where ω=2π f
∵ 电容之R很小∴Z(Ω) ≒ 1/ωc
Ex：10μF Z ≒ 1/(2 π *1k*(10*10-6)
≒16 (Ω)
22μF Z ≒ 1/(2 π *1k*(22*10-6)
≒7.2 (Ω)
22μF Z ≒ 1/(2 π *120*(22*10-6)
≒60.3 (Ω)
Z(Ω) ≒ 1/ωc
Ex： 10μF Z ≒ 1/(2 π *1k*(10*10-6)
≒16 (Ω)
因此待测电容两端之AC Voltage要保持在1Vrms则仪器之输出电流
I(rms)=V(rms)/Z=1/16=62.5 mA
所以若仪器之最大输出电流小于62.5 mA，则待测电容两端之AC Voltage会
小于1Vrms，所测得之容值就会变小。
3.4、频率因素
Z(Ω) ≒ 1/ωc
Ex：22μF，1kHz Z ≒ 1/(2 π *1k*(22*10-6)
≒7.2 (Ω)
22μF，120Hz Z ≒ 1/(2 π *120*(22*10-6)
≒60.3 (Ω)
→因此当频率愈大， Z愈小，要使待测电容两端之AC Voltage维持一定，则
仪器可提供之输出电流必须够大，若仪器可提供之输出电流太小，待测电容
两端之AC Voltage会变小，所测得之容值就会变小。
4、量测环境条件对量测结果之影响
电容class Ⅱ（Y5V/X7R/X5R）产品被称为非温度补偿性元件,即在不同的工
作温度下,容量会有比较明显的变化,我们举Y5V为例说明：
Y5V 的温度特性如下图所示：

→代表的意思为：在不同的操作温度下，容值与实际容值之间的差异量。比如，在40℃时的测试资料将比25℃时的测试资料低了近20%。所以，在外部温度比较高的情况下,诸如夏天,容值的测试值就会显的偏低。通常建议放置在25℃的环境下一段时间,使材料于较稳定之测试环境下再进行测试。
5、MLCC产品材料老化现象
老化是指电容容值随时间降低的现象，它在所有以铁电系材料做介电质的材料均有发生，是一种自然，不可避免的现象。发生的原因是内部晶体结构随温度和时间产生变化导致了容值下降的現象，属可逆现象。
老化速率呈典型对数曲线如下：





   当对老化的材料施加高于材料居里温度的高温，當環境溫度回到常溫後,材料的分子结构将会回到原始的状态。材料将由此开始老化的又一个循环。建议进行容值恢复所使用之条件为150℃/1hour。然后在常温25℃下放置24小时，再行测试，容值将恢复到正常规格之内。
或者以如下方式驗證：将测试容量偏低的产品浸至锡炉或过回流焊后，再行测试，容值将恢复到正常规格之内。
客戶不需要在上線前,事先進行容值恢复動作,只需要將元件置於板上正常生產作業,產品經過回流焊或波峰焊後,即可恢復正常容值。