Capacitores Cerámicos

Capacitores
Cerámicos

Indice
1.
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:

Características eléctricas:

3.
Construcción

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.

1. 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.

2. 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.

3. Se coloca un electrodo patrón, opuesto al
   colocado en el punto b).
4. 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.

   

   

5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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