Keraamikakondensaator

Keraamikakondensaator ehk keraamiline kondensaator on elektriline kondensaator, mille metallelektroode (nn plaate) eraldav dielektrik on keraamilisest materjalist. Dielektrik võib olla paraelektrilisest materjalist (paraelektrikutes ei avaldu paralleelselt suunatud dipoolmoment) või ferroelektrilisest materjalist.

Paraelektrilised dielektrikud on enamasti väikese dielektrilise läbitavusega. Vastavalt on niisuguse dielektrikuga kondensaatorid väikese mahtuvusega (kuni sadades pikofaradites). Aga et neil on väike mahtuvuse temperatuuritegur ja energiakadu ning hea ajaline stabiilsus, siis on nad asendamatud kõrgsagedusvõnkeringides ja -filtrites.
Ferroelektrilistel dielektrikutel on suur dielektriline läbitavus, mis aga sõltub elektrivälja tugevusest. Selle dielektrikuga kondensaatorid on väikeste mõõtmete juures suure mahtuvusega (kuni 100 µF). Suure temperatuurisõltuvuse ja energiakao tõttu kasutatakse neid peamiselt soovimatute signaalide ja võõrimpulsside blokeerimiseks (edasipääsutõkestamiseks, mahajuhtimiseks) toitevooluahelates, samuti sidestuselemendina kõrgsagedussignaali traktis. Helisagedussignaali edasikandmiseks niisuguse dielektrikuga kondensaatorid ei kõlba, sest piesoefekti tõttu võib tekkida nn mikrofoniefekt (vahelduvate mehaaniliste või akustiliste välismõjutuste muundamine elektrivõngeteks).

Traatviikudega keraamikakondensaatorid ja nende vahel suuruse võrdluseks mimesuguste SMD-kondensaatorite grupid

Paraelektrikust dielektrikuga keraamikakondensaatoreid nimetatakse lühemalt klass-1-keraamikakondensaatoriteks ja ferroelektrikust dielektriku kasutamisel klass-2-keraamikakondensaatoriteks (inglise keeles vastavalt class 1 ceramic capacitor ja class 2 ceramic capacitor).

Keraamikakondensaatorid võivad olla ketta-, tableti- ja liistakukujulised, kusjuures plaatideks on õhukese keraamilise aluse mõlemale küljele sadestatud hõbedakiht, mille külge on joodetud väljaviigud. Samuti valmistatakse erikujuga tugi- ja läbiviikkondensaatoreid. Põhiosa keraamikakondensaatoreid valmistatakse mitmekihilistena pindmontaažiks ehk SMD-komponentidena (Surface-Mounted Device). Niisuguseid väikeseid risttahukakujulisi MLCC-kondensaatoreid (lühend sõnadest Multi Layer Ceramic Capacitor) toodetakse elektroonikaseadmetele umbes 1 triljon tükki aastas.

Ajaloost

Alates 1920. aastatest toodetud keraamikakondensaatoreid (vanemad paremal)

Keraamikakondensaatoreid hakati valmistama 1920. aastail, mil algas raadiotehnika kiire areng. Dielektrikuna kasutati kõigepealt paraelektrilist titaandioksiidi. Umbes samal ajal leiutati ja võeti dielektrikuna kasutusele ka ferroelektriliste omadustega baariumtitanaat suhtelise dielektrilise läbitavusega vähemalt 1000. Pooljuhttehnika arenedes töötati 1950. aastail välja tõkkekiht-keraamikakondensaatorid läbitavusega kuni 15 000.

Tolleaegsed kondensaatorid olid pikkade traatväljaviikudega; klass-1-kondensaatorid torukujulise dielektrikuga, "plaatideks" hõbedakiht toru sise- ja välispinnal. Klass-2-kondensaatorid olid mõlemalt poolt hõbetatud seibi kujulised. Niisuguste seibide "virnastamise" teel jõuti 1960. aastail mitmekihiliste MLCC-kondensaatorite loomiseni. Kui 1970. aastail hakati elektroonikatööstuses üle minema pindmontaaži (SMD) tehnoloogiale, kohandati selleks eelkõige MLCC-kondensaatorid.

Klass-1-keraamikakondensaatorid

Klass-1-kondensatorite keraamika
Üldvalem	Suhteline läbitavus $\varepsilon _{r}$	Temperatuuri- tegur α 10⁻⁶/K
MgNb₂O₆	21	−70
ZnNb₂O₆	25	−56
MgTa₂O₆	28	+18
ZnTa₂O₆	38	+09
(ZnMg)TiO₃	32	+05
(ZrSn)TiO₄	37	±00
Ba₂Ti₉O₂₀	40	+02

Klass-1-kondensaatorite mahtuvuse temperatuurisõltuvuse tüübid

Need kondensaatorid on mõeldud kasutamiseks peamiselt ostsillaatorite ja sagedusfiltrite võnkeringides, kus on olulised väike energiakadu, väike temperatuurisõltuvus ja samuti mahtuvuse ajaline stabiilsus.

Dielektriku lähtematerjaliks on paraelektriliste ainete graanulite peeneks jahvatatud segu. Näiteks kui põhimaterjaliks on titaandioksiid (TiO₂), võib see soovitud omaduste saamiseks olla modifitseeritud elementidega Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co ja Sr.

Niisugustel keraamilistel materjalidel, mille läbitavus ei sõltu väljatugevusest (rakendatud pingest) ja millel on väike temperatuuritegur, on aga ka suhteline dielektriline läbitavus võrdlemisi väike (6–200).

Mahtuvuse temperatuuriteguri väärtus võib olla olenevalt dielektriku koostisest positiivne (näiteks P100, α = +100·10⁻⁶/K ehk 100 ppm/K), negatiivne (näiteks N470) või nullilähedane (PN0). Neist viimane materjal, täpsemalt PN0/C0G, pakub kõige enam tehnoloogilist huvi. Selliste kondensaatorite mahtuvuse muutus töötemperatuurialas −55…+125 °C on väiksem kui ±0,54%.

Klass-2-keraamikakondensaatorid

Klass-2-kondensaatorite tüüpilised mahtuvusmuutused töötemperatuurialas erinevate dielektrikute korral

Seda liiki kondensaatorite dielektrik on ferroelektrilisest materjalist, näiteks baariumtitanaadist (BaTiO₃) segus lisandainetega (alumiinium- ja magneesiumsilikaadid, alumiiniumoksiidid). Niisuguse dielektriku suur suhteline läbitavus (200 kuni 14 000) võimaldab valmistada kondensaatoreid mahtuvusega 1 nano farad (nF) kuni 100 mikrofaradit (µF). Kuid et nende mahtuvus sõltub tugevasti plaatidevahelisest pingest ja ka ümbrustemperatuurist, siis saab neid kasutada lülitustes, kus mahtuvusemuutusel pole tähtsust.

Nende kondensaatorite mahtuvushälbed (tolerantsid) on üldiselt suuremad kui klass-1-kondensaatoritel

Temperatuurisõltuvuse järgi liigitatakse klass-2- keraamika kategooriatesse, mida tähistatakse kolmekohalise koodiga, näiteks

X7R (−55 °C … +125 °C, ΔC/C₀ = ±15%)
X6R (−55 °C … +105 °C, ΔC/C₀ = ±15%)
Z5U (+10 °C … 0+85 °C, ΔC/C₀ = −56/+22%)
Y5V (−30 °C … 0+85 °C, ΔC/C₀ = −82/+22%)
X7S (−55 °C … +125 °C, ΔC/C₀ = ±22%)
X8R (−55 °C … +150 °C, ΔC/C₀ = ±15%)

Mitmekihilise keraamikakondensaatori skemaatiline ehitus: ① Metallelektroodid ② Keraamika ③ Kontaktpinnad

MLCC detailne ehitus:
① keraamiline dielektrik ② keraamiline ümbris ③ elektroodid (plaadid) ④ väljekontaktid

5 V klass-1-kondensaatorite mahtuvuse sõltuvus temperatuurist erinevate keraamiliste materjalide korral

X7R-keraamikakondensaatori mahtuvuse muutus sõltuvalt rakendatavast pingest erineva nimipinge korral

MLCC-kondensaatorid

Kondensaatori dielektriku lähtematerjaliks on sobiva koostisega ferroelektriku peeneks jahvatatud pulber, millest koos sideainega pressitakse kõrgel temperatuuril paagutamise teel õhukesed plaadid (paksus 1 µm ringis olenevalt kondensaatori nimipingest). Ühelt küljelt metallitatud plaatidest moodustatakse mitmekihiline plokk ja metallelektroodid ühendatakse vaheldumisi väljaviikudega, milleks on metallitatud kontaktpinnad ploki otstes.

MLCC-kondensaatoreid valmistatakse mõõtmetega 0,6×0,3 mm kuni 20,3×15,3 mm, nimipingega alates 4 V ja nimimahtuvusega kuni 100 µF.

Järgmistes tabelites on esitatud MLCC-kondensaatorite nimimahtuvused olenevalt tüüpsuurusest ja nimipingest

Klass-1-kondensaatorite suurimad mahtuvused (keraamika tüüp NP0/C0G)
	01005	0201	0402	0603	0805	1206	1210	1812	2220
Nimi- pinge	Tüüpsuurus, EIA kood
	Mõõtmed mm
	0,4×0,2	0,6×0,3	1,0×0,5	1,6×0,8	2,0×1,25	3,2×1,6	3,2×2,5	4,5×3,2	5,7×5,0
	Suurim mahtuvus vastavalt tüüpsuurusele
6,3 V	220 pF	–	–	33 nF	–	–	–	–	–
10 V	220 pF	–	4,7 nF	33 nF	100 nF	100 nF	220 nF	–	–
16 V	220 pF	–	2,2 nF	15 nF	47 nF	120 nF	220 nF	–	–
25 V	220 pF	1,0 nF	2,2 nF	47 nF	47 nF	120 nF	220 nF	–	–
50 V	100 pF	220 pF	1,5 nF	10 nF	47 nF	100 nF	150 nF	220 nF	470 nF
100 V	–	100 pF	1,0 nF	4,7 nF	22 nF	100 nF	100 nF	150 nF	330 nF
250 V	–	–	330 pF	2,2 nF	8,2 nF	22 nF	47 nF	100 nF	–
500 V	–	–	–	–	820 pF	4,7 nF	10 nF	22 nF	47 nF
630 V	–	–	–	–	1,2 nF	4,7 nF	15 nF	22 nF	47 nF
1000 V	–	–	–	–	270 pF	1,0 nF	2,7 nF	5,6 nF	12 nF
2000 V	–	–	–	–	–	270 pf	680 pF	1,5 nF	3,9 nF
3000 V	–	–	–	–	–	–	–	390 pF	1,0 nF

Klass-2-kondensaatorite suurimad mahtuvused (keraamika tüüp X7R)
	01005	0201	0402	0603	0805	1206	1210	1812	2220
Nimi- pinge	Tüüpsuurus, EIA kood
	Mõõtmed mm
	0,4×0,2	0,6×0,3	1,0×0,5	1,6×0,8	2,0×1,25	3,2×1,6	3,2×2,5	4,5×3,2	5,7×5,0
	Suurim mahtuvus vastavalt tüüpsuurusele
4 V	–	–	2,2 µF	2,2 µF	22 µF	100 µF	100 µF	–	–
6,3 V	–	0,1 µF	2,2 µF	10 µF	22 µF	47 µF	100 µF	–	–
10 V	1,0 nF	0,1 µF	2,2 µF	10 µF	22 µF	22 µF	47 µF	–	–
16 V	1,0 nF	0,1 µF	2,2 µF	4,7 µF	10 µF	22 µF	22 µF	–	–
25 V	–	10 nF	0,1 µF	2,2 µF	10 µF	10 µF	22 µF	–	22 µF
50 V	–	1,5 nF	0,1 µF	0,47 µF	4,7 µF	4,7 µF	10 µF	–	10 µF
100 V	–	–	4,7 nF	0,1 µF	0,1 µF	4,7 µF	10 µF	3,3 µF	10 µF
200 V	–	–	–	10 nF	56 nF	0,15 µF	0,22 µF	1,0 µF	1,0 µF
250 V	–	–	–	2,2 nF	22 nF	0,1 µF	0,22 µF	0,47 µF	1,0 µF
500 V	–	–	–	3,9 nF	22 nF	68 nF	0,1 µF	0,22 µF	0,47 µF
630 V	–	–	–	1,5 nF	12 nF	33 nF	0,1 µF	0,15 µF	0,33 µF
1000 V	–	–	–	1,0 nF	4,7 nF	22 nF	68 nF	0,1 µF	0,12 µF
2000 V	–	–	–	–	–	2,2 nF	6,8 nF	10 nF	22 nF
3000 V	–	–	–	–	–	–	–	1,2 nF	15 nF

MLCC-kondensaatorite mõõtmete kooditabel
EIA kood (tollides)	Mõõtmed L × W toll × toll	IEC/EN kood (millimeetrites)	Mõõtmed L × W mm × mm	EIA koog (tollides)	Mõõtmed L × W tolll × toll	IEC/EN Code (millimeetrites)	Mõõtmed L × W mm × mm
01005	0,016 × 0,0079	0402	0,4 × 0,2	1806	0,18 × 0,063	4516	4,5 × 1,6
015015	0,016 × 0,016	0404	0,4 × 0,4	1808	0,18 × 0,079	4520	4,5 × 2,0
0201	0,024 × 0,012	0603	0,6 × 0,3	1812	0,18 × 0,13	4532	4,5 × 3,2
0202	0,02 × 0,02	0505	0,5 × 0,5	1825	0,18 × 0,25	4564	4,5 × 6,4
0302	0,03 × 0,02	0805	0,8 × 0,5	2010	0,20 × 0,098	5025	5,0 × 2,5
0303	0,03 × 0,03	0808	0,8 × 0,8	2020	0,20 × 0,20	5050	5,08 × 5,08
0504	0,05 × 0,04	1310	1,3 × 1,0	2220	0,225 × 0,197	5750	5,7 × 5,0
0402	0,039 × 0,020	1005	1,0 × 0,5	2225	0,225 × 0,25	5664/5764	5,7 × 6,4
0603	0,063 × 0,031	1608	1,6 × 0,8	2512	0,25 × 0,13	6432	6,4 × 3,2
0805	0,079 × 0,049	2012	2,0 × 1,25	2520	0,25 × 0,197	6450	6,4 × 5,0
1008	0,098 × 0,079	2520	2,5 × 2,0	2920	0,29 × 0,197	7450	7,4 × 5,0
1111	0,11 × 0,11	2828	2,8 × 2,8	3333	0,33 × 0,33	8484	8,38 × 8,38
1206	0,126 × 0,063	3216	3,2 × 1,6	3640	0,36 × 0,40	9210	9,2 × 10,16
1210	0,126 × 0,10	3225	3,2 × 2,5	4040	0,4 × 0,4	100100	10,2 × 10,2
1410	0,14 × 0,10	3625	3,6 × 2,5	5550	0,55 × 0,5	140127	14,0 × 12,7
1515	0,15 × 0,15	3838	3,81 × 3,81	8060	0,8 × 0,6	203153	20,3 × 15,3