“电子工业大米”——MLCC
Multi-layer Ceramic Capacitors, referred to as MLCC for short, are the most widely used passive component in the company and are found in almost all packages involving controller chips. What on earth is it? What's the use of it? What is the value of its existence? Read the article to take you into the cogni-tive journey of MLCC.
电子产品所使用的被动元器件包含电阻、电容、电感、变压器、连接器等多种类型，电阻、电容、电感用量最大，约占被动元器件总产值90%。其中电容在三大被动元器件中产值最高，而陶瓷电容（简称MLCC，Multi-layer Ceramic Capaci-tors）又是电容家族里应用最为广泛的一种类型，小小尺寸的MLCC看起来就像一粒粒的大米，因此小名也叫做“电子工业大米”。
公司目前使用最多的被动元器件就是MLCC，几乎所有涉及控制器芯片的封装都有它的身影，例如：eMMC、eMCP、ePOP、UFS，一般每个控制器会配置2~4颗，控制器的电源分支越复杂，需要的数量越多。
电容
电容主要是用来储存电能的，电路上就是利用这个特性用于储能、滤波、旁路、去耦等多种应用。
最早的电容器叫做“莱顿瓶”，是将一个玻璃瓶的里外分别贴有锡箔，瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球，这就构成以瓶子玻璃为电介质的电容器。当带电体（如摩擦产生的静电）跟金属球接触时，带电体上的电荷就会沿着金属杆和链条传到瓶的内壁，而外部的电荷就能在里面保存一个相当长的时间，同时需要注意此时瓶子外壁的锡箔应接地。等需要时，只要与金属接触一下，就可以把储存的电荷再放出来。
刚开始科学家们以为是封闭的瓶子存储了电荷，后来发现就算只有两块平板，只要让他们不接触一样可以储存电荷，并不一定要做成像莱顿瓶那样的装置，这也就形成了现代电容器的雏形。MLCC就是由多层的内电极交错堆叠和介质材料经过高温烧结形成陶瓷芯片，再在两端封上外电极、阻挡层和端子组成。
MLCC选用标准
根据电容器使用的陶瓷介质不同，EIA (Electronic Industries Alliance) 电子工业协会规格与IEC (International Electrical Commission)国际电工技术委员会将陶瓷电容器分为两类，I类陶瓷电容器、II类陶瓷电容器。
I类电容器，包括通用型高频COG、COH电容器和温度补偿型高频电容器。其中COG、COH电容器电性能最稳定，几乎不随温度、电压和时间的变化而变化，适用于低损耗，稳定性要求高的高频电路。
II类为高介电常数型，使用温度稳定型电介质，包括X5R、X6S、Y7R等。X7R这种电容器性能较稳定，其特有的性能不随温度、电压时间的改变发生显著变化，属稳定电容类型。
公司封装的消费类芯片，工作温度-55～85度，一般使用X5R等级即可。如果是车载芯片需要考虑到实际使用环境可能会存在高温的问题，就需要使用耐受温度-55度～125度的X7R系列。
MLCC还有另一个大家比较熟悉的尺寸型号，如0805/0603/0402/0201/01005（数值越大，尺寸越宽越厚），分别对应不同的长、宽、高尺寸。尺寸的选择通常根据芯片封装体的尺寸决定，公司产品较多使用0201型号。
另外最关键的是容量选择，通常由顶层设计决定。终端产品设计时会根据对电容功能的不同需求，进行电容容量和电容位置设计。常用陶瓷电容容量范围：0.5pF~100uF，实际生产的电容的陶瓷容量值也是离散的。选择电容器不能一味的选择大容量，选择合适的才是正确的，例如0402电容可以做到10uF/10V，0805的电容可以做到47uF/10V，但是为了好采购、成本低，一般都不会顶格选电容。满足要求的情况下，选择主要就看是否常用，价格是否低廉。
在实际产品设计中，我们需要去耦的频率范围会比较宽，一个电容可能搞不定，所以我们经常用两种方式。一种是一大一小并联方式，可实现固定频率增大阻抗进行滤波；另一种是多个同容值电容并联，可实现谐振频率一致，但阻抗进一步降低。
电容分层
MLCC常见失效
MLCC现在做到几百层甚至上千层，每层是微米级的厚度，所以稍微有点形变就容易使其产生裂纹。另外同样材质、尺寸和耐压下的MLCC，容量越高，层数就越多，每层也越薄，于是越容易断裂，制造难度也越高。
常见的MLCC不良有以下几方面：
陶瓷介质空洞
导致空洞产生的主要因素为陶瓷粉料内的有机或无机污染，烧结过程控制不当等。空洞的产生极易导致漏电，而漏电又导致器件内部局部发热，进一步降低陶瓷介质的绝缘性能从而导致漏电增加。该过程循环发生，不断恶化，严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸，甚至燃烧等严重后果。
内部分层
多层陶瓷电容器的烧结为多层材料堆叠共烧，烧结温度可以高达1000℃以上。介质和内电极的收缩率的差异、排胶不充分、层间结合力不强，烧结过程中内部污染物挥发，烧结工艺控制不当都可能导致分层的发生。
温度冲击裂纹和应力裂纹
MLCC受到温度冲击时，容易从焊端开始产生裂纹。在这点上，小尺寸电容比大尺寸电容相对来说会好一点，其原理就是大尺寸的电容导热没这么快到达整个电容，于是电容本体的不同点的温差大，导致膨胀大小不同从而产生应力。
机械应力也容易引起MLCC产生裂纹，其失效与温度冲击裂纹类似。由于电容是长方形的（和PCB平行的面），而且短的边是焊端，所以自然是长的那边受到力时容易出问题。
PCB排板时要考虑受力方向。比如分板时的变形方向与电容方向的关系，在生产过程中凡是PCB可能产生较大形变的地方都尽量不要放电容。比如PCB定位铆接、单板测试时测试点机械接触等都会产生形变，半成品PCB板不能直接叠放等。我们设计的产品由于模封后会被环氧树脂保护起来，因此模封前需避免对电容附近的载板产生较大的应力，并通过模封材料选择控制模封后的内应力。
MLCC未来展望
为了满足电子产品不断向小型化、大容量化、高可靠性和低成本的方向发展，MLCC也随之迅速向前发展：种类不断增加，体积不断缩小，性能不断提高，技术不断进步，材料不断更新，轻薄短小系列产品已趋向于标准化和通用化。
公司未来发展多芯片封装技术时，封装密度会越来越高，电容种类也会越来越多。一个封装体由2~4颗MLCC会增加到20~40颗，尺寸由现在的0201减小到01005、008004甚至更小。数量的大幅度增加、尺寸越来越微型化，对设计和生产将会带来巨大的挑战。我们将会顺应技术发展趋势，通过研发和创新来满足不断发展的市场需求。