Capacitores Cerámicos
Indice1. Información general 2. Los capacitores cerámicos están clasificados en tres tipos 3. Construcción 4. Capacitores cerámicos en chips para montaje superficial
1. Información general
Los capacitores con dieléctrico de cerámica son una única familia con una constante dieléctrica relativamente alta, son de diseño físico de fácil fabricación, en donde se puede encontrar una gran variedad de formatos.
La cerámica usada está basada en TiO2 (dióxido de titanio) y titanatos (combinación de óxido de titanio y otros óxidos).
2. Los capacitores cerámicos están clasificados en tres tipos
Cerámicos de clase I [COG (NP0)] (estable):
Este tipo de capacitores empleados, usualmente a base de dióxido de titanio o titanato de calcio con aditivos, pueden ser usados para lograr las características deseadas, éstas son el coeficiente de temperatura nominal sobre el rango de 25 a 85 ºC, la constante dieléctrica relativa de 6 a 500 y un factor de potencia de 0,4 o menor.
Los capacitores cerámicos de clase I son utilizados en circuitos resonantes, alta frecuencia y acoplamiento, dieléctricos de temperatura compensada, estabilidad dieléctrica y otras aplicaciones donde un alto Q son esenciales. Conocidos también como NP0 o Negativo Positivo Cero.
Cerámicos de clase II [XR7] (semiestable): Son usados cuando la miniaturización es requerida para aplicaciones de radio frecuencia, filtros y acoplamiento de etapas, donde el Q y la estabilidad pueden estar comprometida.
La clase II está subdividida en dos subgrupos, estable e inestable. Los cerámicos estables (estable k) tienen una constante dieléctrica de 250 a aproximadamente 2400, tienen una característica no lineal de temperatura definida dentro de un rango de -60 a 120 ºC. Los cerámicos inestables (alto k) tienen una constante dieléctrica de 3000 a 10000. Estos valores de alto k son obtenidos por formulaciones especiales de titanatos y aditivos. El rango de operación de temperatura es de –55 a 85 ºC o menos (dependiendo de la fórmula usada) causado por la disminución del k de un 30 al 80%.
Cerámicos de clase III [Z5U] (propósitos generales): En estos diseños un disco cerámico aislante con un tratamiento de calor es aplicado en una atmósfera reducida para que disminuya la resistividad por debajo de 10 W -cm. Los electrodos de plata son aplicados en la superficie y son soldados al mismo tiempo, un capacitor formado entre el electrodo y el cuerpo semiconductor aplicados a ambos lados del disco, es decir, que la terminación está hecha por dos capacitores en serie. Son aplicados en circuitos de acoplamiento y como supresores de interferencia.
Envejecimiento: Estos dieléctricos presentan un fenómeno conocido como Transformación de la fase del cristal a la temperatura de Curie, es decir, el rango de la temperatura en la que algunos cristales cambian su forma, dando por resultado un incremento en la constante dieléctrica (k) en o sobre la temperatura de Curie. El incremento en (k)provoca un incremento en el valor de la capacitancia. Llevar los capacitores cerámicos de la temperatura de Curie a la temperatura ambiente (25 ºC) da como resultado una disminución gradual de (k). Esta disminución es una función logarítmica dependiente del tiempo y la velocidad del cambio es la velocidad de envejecimiento.
La velocidad de envejecimiento para los dieléctricos es: COG (NP0) = 0 (no envejece) X7R = 1 % (máximo de decrecimiento por década de tiempo) Z5U = 3 % (máximo de decrecimiento por década de tiempo)
La temperatura de Curie para dieléctricos susceptibles de envejecimiento es: X7R = alrededor de + 120 ºC Z5U = alrededor de + 8 ºC
Efectos de la tensión:
Los capacitores de clase I son relativamente insensibles a los cambios en la capacitancia y el factor de disipación debido a los efectos del voltaje de las corrientes continuas y alternas, los de clase II y III muestran un incremento en los factores de capacitancia y disipación cuando se aumenta el voltaje de AC, también muestran un cambio negativo en la capacitancia y el factor de disipación la aplicación de voltajes de DC.
Variación de la capacitancia típica con la frecuencia:
Guía de selección:
Tipo | Capacitancia [pF] | Vdc [V] |
Clase I | 1-10000 | 200 |
82-39000 | 100 | |
270-82000 | 50 | |
1-680 | 200 | |
82-2200 | 100 | |
270-5600 | 50 | |
1-270 | 500 | |
1-4700 | 500 | |
1-3300 | 200 | |
348-12000 | 100 | |
1870-100000 | 50 | |
1-4700 | 200 | |
390-18000 | 100 | |
2200-68000 | 50 | |
1-220 | 100 | |
82-560 | 50 | |
200-5100 | 50 | |
10-3300 | 100 | |
110-6800 | 50 | |
240-10000 | 25 | |
Clase II | 47-330000 | 100 |
5600-680000 | 50 | |
12000-1000000 | 25 | |
10-10000 | 200 | |
1200-100000 | 100 | |
12000-100000 | 25 | |
10-1000000 | 100 | |
5600-3300000 | 50 | |
510-3900 | 1600 | |
47-47000 | 500 | |
100-12000 | 200 | |
1000-100000 | 100 | |
100-1000 | 1500 | |
10-1500 | 500 | |
10-1500 | 200 | |
10-3000 | 300 | |
10-5000 | 500 | |
Clase III [m F] | 0.02-0.47 | 12 |
0.01-0.2 | 18 | |
0.01-0.47 | 25 |
Características eléctricas:
Los capacitores cerámicos están hechos en numerosos estilos: La fabricación de los capacitores comienza con cilindros u hojas de cerámica que está hecha de una pantalla de seda o pintada con una pasta de metal precioso consistiendo en platino, paladio o plata para formar los electrodos. Las hojas de electrodo están apiladas o procesadas como una capa simple y está subsecuentemente cortada en cuadrados, discos, rectángulos u otros diseños. En un diseño monolítico las hojas están apiladas y compactadas, conteniendo electrodos en cada corte. Los terminales de la sección cerámica con electrodos expuestos a una pasta de metal precioso generalmente plata, o plata – platino fundidos por encima de los 750 ºC para formar terminales de metal soldable.
Circuito equivalente de un capacitor real:
L: inductancia [Hy = Vs/A] C: capacitancia [F = As/V] ESR: resistencia equivalente serie [W ]
Impedancia: Z: impedancia (resistencia en AC) [W ] f: frecuencia del voltaje aplicado [Hz]
4. Capacitores cerámicos en chips para montaje superficial
La construcción monolítica utilizada en la producción de los chips multicapa da por resultado un bloque sólido de cerámica con un sistema de electrodos unificados y terminales metalizados para permitir el soldado al circuito.
Terminales: Las dos áreas metalizadas de conducción del cuerpo del capacitor están conectadas a sus electrodos internos. Los capacitores cerámicos en chips no tienen polaridad por lo tanto no se necesita hacer otra distinción en los terminales. El terminal metálico conecta las placas en paralelo. El valor de capacitancia creado por la intersección entre éstas placas, separadas por capas de dieléctrico, se suma.
Dieléctrico: Es un material aislante entre las capas conductivas que almacena la carga eléctrica.
Electrodos: Son placas conductivas internas en un capacitor cerámico monolítico en chips, que están depositados en una secuencia impresa alternada. Se colocan capas sucesivas para aumentar la capacitancia al valor de diseño requerido.
Placa dieléctrica: Está compuesta por dos electrodos opuestos que almacenan la carga dieléctrica. El espesor está determinado por el voltaje de corriente continua que soporta el chip.
Fórmula para determinar la capacitancia en capacitores monolíticos cerámicos en chip: Capacitancia (pF) = K x A x N 4.452 x t K = Constante dieléctrica relativa del material utilizado para formar el área dieléctrica activa. En el aire o vacío es 1. A = Area útil de los electrodos en pulgadas cuadradas. N = Número de capas dieléctricas activas. t = Espesor de la capa dieléctrica activa en pulgadas. 4.452 = Factor de conversión de unidades.
Se puede incrementar la capacitancia por medio de un aumento en K, en el área del electrodo, o en el número de capas dieléctricas. También reduciendo el espesor de la capa dieléctrica.
Otra forma de cálculo es: Capacitancia (F) = E0 x Er x (N-1) x A d E0 = Constante dieléctrica absoluta, 8.85 x 10-12 [F/m]. Er = Constante dieléctrica relativa del material. A = Area efectiva de los electrodos [m2]. N = Número de capas dieléctricas activas. d = Espesor de la capa dieléctrica activa [m].
Construcción: Los capacitores monolíticos cerámicos se construyen por medio de depósitos sucesivos de material dieléctrico y electrodos.
Se coloca el dieléctrico que se encuentra en estado semejante a una masa. El espesor de esta capa de base es de 0.003" – 0.005" para un diseño de 50 a 100 VCC. Luego se seca el dieléctrico ya sea por medio de una corriente de aire en la superficie o por un ciclo de calor.
- Se coloca un electrodo patrón en la parte superior de la capa de base. Para esto el material del electrodo se encuentra en forma de pasta, la que se inyecta por la fuerza en aberturas (red) en la pantalla con el uso de un rodillo.
Según el material utilizado y el voltaje deseado del capacitor en chip, el espesor de ésta capa será de apenas de 0.001" a 0.002", 0.003" o más; para 50 y 100 VCC, será de 0.001" a 0.0015" de espesor.
- Nuevamente se coloca una placa dieléctrica sobre el electrodo patrón. Esta capa se convertirá en una capa dieléctrica activa al oponerla a la base colocada en el punto a).
Como se trata de construir un capacitor multicapa, el procedimiento continúa colocando capas alternadas de dieléctrico y electrodos para obtener el valor de capacitancia deseado.
- Se coloca un electrodo patrón, opuesto al colocado en el punto b).
- El último paso de la secuencia consiste en la colocación de la parte superior que tiene el mismo propósito que la capa de base colocada en el punto a).
Cortes perpendiculares al plano de longitud, atraviesan los electrodos comunes exponiendo así los bordes para luego colocar terminaciones que conectarán estas placas comunes en paralelo.
- Se corta el mosaico en chips separados utilizando hojas cortantes giratorias. En las figuras se podrá observar que los cortes a lo largo de los ejes de la dimensión longitudinal proporcionan márgenes de dieléctrico para proteger los electrodos internos.
- Los capacitores cerámicos en chips individuales se separan y hornean a una temperatura de 1200°C para fundir la combinación de electrodos y capas dieléctricas en un bloque monolítico.
- Los capacitores horneados se colocan dentro de una especie de barril giratorio donde se redondean todas las esquinas facilitando la aplicación de materiales de terminación alrededor de los extremos donde emergen los electrodos internos y para minimizar las roturas.
- Se forman las terminaciones, generalmente sumergiendo los extremos del capacitor en el material de terminación, a una profundidad bastante precisa. El material de terminación se encuentra en forma de pasta de una mezcla plata – paladio.
El material de aporte utilizado para el estañado es Sn62 (62 % de estaño, 38 % de plomo, 2 % de plata) que tiene un punto de ebullición en 190 ºC.
Una exposición mayor puede resultar en una pérdida excesiva de material primario de terminación del capacitor en chips, por absorción en la soldadura utilizando para la unión del chip al circuito, comúnmente conocida como "lixiviación". Esta lixiviación puede prevenirse protegiendo la terminación primaria del chip con una capa de material menos soluble, como el níquel. El uso de una capa "protectora de terminación" es aconsejable cuando se utiliza una soldadura múltiple para la unión al sustrato.
La figura representa una capa protectora de una terminación del chip. La superficie exterior expuesta de capas de níquel perderá humedad por medio de la pasivación. Por lo tanto, se coloca sobre las capas protectoras un revestimiento de estaño a modo de terminación final. En esta etapa de la construcción se ha llegado obtener un capacitor cerámico monolítico multicapa en chip.
Autor:
Luis Velazquez Buenos Aires Argentina