積層セラミックコンデンサ ガイド

取材協力:太陽誘電株式会社

小さいのに大きい
~ 積層セラミックコンデンサは、小型大容量 ~

—— 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、電解コンデンサタンタルコンデンサからの置き換えも進んでいます。

           
 図1:積層セラミックコンデンサ(MLCC)の内部構造
       

コンデンサなのにLCR
~ 等価回路で考える ~

—— 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。

     

図3:電源に使用時のパルス負荷応答

       
     

図4 は、コンデンサをデカップリングに使用したときの過渡応答の比較例です。デカップリングでの端子電圧は、負荷の急変に対して時間的に3種類の低下形態を示します。第一は急変直後10ns以内の低下でコンデンサのESLによって生じます。第二は200ns程度までに起こる低下で、これは主に容量で決まります。第3はESRによるもので、長い尾を引いた低下として観測されます。

     

図4:デカップリング回路での応答比較例

       
     

やや、ややこしい
~ 積層セラミックコンデンサの形状、特性の種類と表記 ~

—— 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)。


図6:MLCCの温度特性分類


コード
規格 静電容量変化率 or 温度係数
温度範囲
Class1   
(温度補償系)
SL JIS -1000~350ppm/℃  -55~125℃   A
CH/C0H JIS/EIA  0±60ppm/℃  -55~125℃
PH JIS -150±60ppm/℃ -25~85℃
CJ/C0J JIS/EIA 0±120ppm/℃   -55~125℃
UJ/U2J JIS/EIA -750±120ppm/℃ -55~125℃
 CK/C0K JIS/EIA  0±250ppm/℃  -55~125℃
CG/C0G JIS/EIA 0±30ppm/℃ -55~125℃
UK/U2K JIS/EIA -750±250ppm/℃ -55~125℃
Class2
(高誘電率系)
B JIS ±10% -25~85℃ B
JB JIS ±10% -25~85℃
X7S EIA ±22% -55~125℃
X6S EIA ±22% -55~105℃
X7T EIA +22, -33% -55~125℃
X6T EIA +22, -33% -55~105℃
X5T EIA +22,-33% -55~85℃
X7U EIA +22, -56% -55~125℃
R/X7R JIS/EIA ±15% -55~125℃
X5R EIA ±15% -55~85℃
X8R EIA ±15% -55~150℃
F JIS +30,-80% -25~85℃ C
Z5U EIA +22, -56% +10~85℃
Y5V EIA +22,-82% -30~85℃
表中のコードはJIS/EIA規格で表記した(メーカが独自に定める場合もある)
A、B、Cの分類は本誌独自のもの
















































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。

   
図7:容量変化の比較

 


電圧で容量が変わる
~ バイアス依存とDC定格 ~

—— 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。

対電圧、対時間でも変化する

いっぽう、図9は、端子に加わるDC電圧に対する容量の変化をプロットしたグラフです。積層セラミックコンデンサは、印加電圧によっても容量が大きく変化します。つまり、印加電圧に対して非線形な振る舞いをする素子であり、通常のコンデンサとは大きく異なります。例えば、F特性(Cグループ)の場合、定格電圧付近では、所期の1/5以下の容量になります。なお、交流の印加に対しては直流とは異なる特性を示します(図10)。

同様に、大容量の積層セラミックコンデンサには経時変化があります。高誘電率系の誘電体は、無負荷で常温中に放置した場合、対数時間に対してほぼ直線的に静電容量が減少していきます。およそ1年(8760時間)で20%、10年で30%程度を見込む必要があります(図11)。これらの特性は積層セラミックコンデンサが強誘電体素子である事に起因しますが、よく知られるように、強誘電体は圧電素子としても利用されています。つまり、積層セラミックコンデンサは圧電素子としての性格も併せ持っており、例えば機械的な衝撃が加わると、パルス性のノイズが現れることがあることなども覚えておきましょう。


図9:ゲイン(G)バンド幅(W)積

          
    

    図10:交流電圧印加特性例



 
 
     
図11:経時変化特性例
   



ESRは小さい方が良い…とは限らない

積層セラミックコンデンサは、大容量化によって応用範囲がぐっと広くなりました。電源回路の出力部への応用はその典型です。これまでアルミ電解コンデンサ等が使われてきた電源出力に、積層セラミックコンデンサを使えるようになりました。ただし、ここでも無条件での置き換えには注意が必要です。場合によって、積層セラミックコンデンサを使うと、電源が発振してしまうことがあるからです。発振の原因は、積層セラミックコンデンサのESR(Equivalent Series Register:等価直列抵抗)が小さい点にあります。理想コンデンサに直列につながるESRは、理想的なコンデンサではゼロであり、通常はできるだけ小さい方がよいです。そして、セラミックコンデンサは、ESRが小さいことが特長です。大容量のMLCCもこの特長を受け継ぎ、低ESRですが、電源の出力に使うと、これが逆に災いすることがあります。そのメカニズムを、図12に示しました。

   
図12:電源のループ特性

 


以下簡単に説明すると、電源回路は出力電圧を一定に保つために、負帰還を施します。出力のコンデンサは、負帰還のループ内に接続されており、電源の出力とで位相の遅れ要素を構成します。いっぽう、帰還ループは位相回転が180°に達する周波数で、ループ利得が1[0dB]以上あると発振してしまいます。このため、何らかの方法で高域の位相を進め、位相回転が180°に達する周波数で、ループ利得が1以下になるよう位相補償を施します。ところが、多くの電源回路制御ICでは、位相補償に出力コンデンサのESRを利用(高域で位相を戻す)しており、ループ設計に際して、アルミ電解などのESR値を想定しているものが多くなっています。したがって、代わりにESRの小さな積層セラミックコンデンサを使うと、補償が不足して発振してしまう、というわけです。

ちなみに、LDO(Low Dropout)タイプの電源ICは、この傾向が強いとも言われています。対策としては、ESRに相等する抵抗を直列に入れたり、帰還抵抗に並列にコンデンサを入れたりする方法(図13のCf)も考えられますが、最近では、予め積層セラミックコンデンサを想定して設計された電源ICも増えてきています。その場合は、ICで指定された型番のコンデンサを使うのが一番です。

   
図13:位相補償

 

以上、大容量MLCC使用上のポイントを述べました。注意点を列挙してきたため、やや使いにくい印象を持つかもしれません。たしかに安易な使い方は禁物ですが、大容量MLCCは、そうした面を補って余りある優れたコンデンサです。ツボをシッカリ押さえて、存分に活用したいものです。


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