積層セラミックコンデンサ ガイド

—— 積層セラミックコンデンサは、どんな特長があるコンデンサですか？

積層セラミックコンデンサは、酸化チタンやチタン酸バリウムなどの誘電体と電極を、多数積み重ねたチップタイプのセラミックコンデンサです（図1）。セラミックが持つ優れた高周波特性などのメリットを活かしながら、小型で大容量を実現できるため、電子回路の広い範囲で使われるようになりました。特に大容量の積層セラミックコンデンサはバイパス、デカップリング、平滑、バックアップなどに用途が拡がり、電解コンデンサやタンタルコンデンサからの置き換えも進んでいます。

—— 積層セラミックコンデンサは、高周波や高速信号に向いているのですか?

コンデンサは誘電体を電極で挟み込んだ素子ですから、誘電体の特性がコンデンサの特性に大きく影響します。大容量積層セラミックコンデンサに使われる誘電体は高誘電率のセラミックですので、シンプルな構造のまま、容量の大きなコンデンサを形成でき、他のコンデンサに比べ高周波性能に優れると同時に、高絶縁かつ低リークで耐湿性などにも優れますが、現実には有限の特性を有し、無限の周波数まで使える理想コンデンサというわけではありません。実際の部品としてのコンデンサには、電極構造などに伴うインダクタンス成分なども含まれ、図2A の等価回路のように、理想コンデンサと直列に小さな抵抗（ESR）とインダクタンス（ESL）が接続された部品であると考えることができます。

LCRの直列回路なので、インピーダンスは共振特性を示します。共振周波数はCと ESLの値で決まり、共振周波数付近の特性は、ESRに支配され、具体的には 図2B のようになります。厳密には、ESRが周波数によって変化するなど、 図2A の等価回路では表現しきれない部分もありますが、他のコンデンサに比べてESL、ESR共に小さいのでコンデンサとして高い周波数まで動作し共振周波数付近のインピーダンスが小さく、低インピーダンス領域が広いので、高周波や高速信号あるいはノイズ対策等に向いていると言えます。

図2：等価回路 [A]とインピーダンス特性例 [B]

例えば 図3 は、電源の出力に積層セラミックコンデンサとタンタルコンデンサを使った場合（何れも100μF）について、パルス負荷に対する応答を比較したものです。タンタルではESRによるステップ状の電圧変動が見えますが、積層セラミックコンデンサはESRが小さいので、段差がほとんど観測できません。

—— 温度特性とか種類がたくさんあります。

積層セラミックコンデンサは、製造に当たって誘電体の特性を様々に制御できるので、色々な電気特性を持つ製品バリエーションがあります。選択に当たっては、使用目的に合ったものを選ぶことが大切です。手順としては静電容量と耐圧を出発点とし、サイズ、温度特性などで絞り込むのが基本です。サイズは一般のSMD（表面実装部品）と同様に縦横の長さで呼ばれます。その際、ミリを基準にした日本流（JIS相当）とインチを基準にしたアメリカ流（EIA相当）の二通りの呼び習わし方があり、例えば、EIAの0603サイズはJISでは1608となるなど間違えやすい面があるので注意してください（図5）。

図5：サイズの表記

また、各種の温度特性を持つ製品群があるのが積層セラミックコンデンサの大きな特徴で、選択のポイントでもあります。積層セラミックコンデンサの温度特性は、まずClass1とClass2の2種類に大別され、何れも静電容量変化率と使用温度範囲によって特性コードが規定されています（図6）。

Class1は信号回路用で、比較的小容量のグループです。0±60ppm/℃（CH特性）など温度に対する容量変化率がごく僅かなものや、容量にわずかな負の温度係数を持たせることで回路の温度補償などに用いるためのもの（RH特性など）があります。いっぽう、Class2（高誘電率系）は電源回路やカップリングなどに用いる大容量のグループです。Class2は、さらに温度係数の大きなグループがあります。便宜上、表ではA、B、Cに分類してあります。結論を先に書きますと、Class1とClass2では同じセラミックでも、別種のコンデンサであると考えたほうがよいです。

ちなみに、大容量の積層セラミックコンデンサはClass2であり、表の［C］に属するものも多いです。実際、Class1と2では、誘電体の組成からして別のモノです。Class1は安定しており、容量変化に敏感な回路にも使えます。温度に対してリニアに変化することを逆に利用して、温度補償などにも用いられます。これに対して、Class2では容量変化がグンと大きくなります。［B］のグループでも、常温の範囲で±10％オーダの容量変化があります。ただ、この程度であれば、他のコンデンサの容量精度とあまり変わらないという見方もできるので、その意味では置き換えができる範囲にあります。しかし、F、Z5V、Y5U、など［C］のグループは、温度に対する容量の変化率が極めて大きくなっています。数ある電子部品の中で定数がこれほど変化するものは、他にないと言えるほどの値です。したがって、このグループの積層セラミックコンデンサが使えるのは、電源の平滑やデカップリングなど、容量に対してラフな回路部分に限られます。図7に、他のコンデンサとの比較を示しました。

—— 積層セラミックコンデンサの選定や設計に当たって注意点はありますか？

積層セラミックコンデンサ（特にClass2）は、小型・大容量・低ESR・低ESLが大きな特長ですが、同時に他のコンデンサとは異なる特性を示す部分もあります。DC電圧に対する容量変化が大きいのもそのひとつです。図8 は、定格電圧10V容量100μF品のDC電圧対容量特性例ですが、DC10Vが加わった状態での容量は無印加時の30％まで低下します。

図8：DCバイアス対静電容量特性例

電源回路などに使用する場合に直流電圧が加わることで、容量が回路の許容値を下回ることも考えられるわけで、設計に際しては値に余裕を見込んでおく必要があります。耐電圧は、変動のピークで定格いっぱいまで見込むことができますが、定格の80％以下で使うことが推奨されます。スイッチング電源回路などで使用する場合のリップル電流なども、定格値以内で使わなければならないことは言うまでもありません。

※部品特性については、電子部品メーカー各社よりツールが提供されています。