세라믹 커패시터 유전체 및 기타 유형에 대한 가이드

커패시터는 대부분의 전자 회로에서 중요한 부분을 차지합니다. 하지만 실제로 그들은 무엇을 하며, 어떤 원리로 작동하나요? 커패시터는 절연 유전체로 분리된 두 개의 충전된 도체 사이에 전압으로 전기적 잠재 에너지를 저장하는 수동 소자입니다. 절연 유전체 재료는 직류 전류를 제한하고, 교류 전류가 적용된 전압의 존재하에서 극화를 매개로 하여 두 판 사이에 변위 전류를 유도하도록 허용합니다. 이러한 구성 요소는 아날로그 필터 네트워크부터 전원 공급 장치, 고속 디지털 구성 요소에 이르기까지 모든 것에 사용됩니다.

커패시터가 의도한 기능을 수행하도록 돕는 것은 무엇일까요? 커패시터 유전체 내의 전기장의 강도는 장치를 통해 변위 전류가 어떻게 발생하는지 결정하므로, 우리는 절연 유전체를 기반으로 커패시터를 분류할 수 있습니다. 이 글에서는 커패시터 유전체의 분류에 대해 논의하며, 세라믹 커패시터 유전체에 대한 섹션을 포함합니다.

일반적인 커패시터 유전체

여러 종류의 커패시터 유전체가 있으며, 각각 다양한 패키지 크기로 제공됩니다. 일부 재료는 일반적으로 다른 재료보다 훨씬 높은 유전 상수를 가지며, 이는 더 작은 패키지에서 더 높은 용량을 제공한다는 의미에서 "용량 밀도"가 더 높다고 할 수 있습니다. 전원 공급 장치 내부를 살펴본 설계자라면 보드에 수직으로 서 있는 큰 레디얼 커패시터 패키지를 본 적이 있을 것입니다. 이들은 전해 커패시터이며, 이렇게 높은 용량 값을 제공하기 위해서는 이러한 크기의 패키지가 필요합니다.

다른 커패시터 유전체는 높은 용량 밀도를 제공하는 것 외에도 다른 장점을 가지고 있습니다. 매우 높은 내전압 등급을 가질 수 있고, 특정 극성을 요구하지 않아 AC에 매우 유용할 수 있으며, 매우 낮은 온도 계수를 가질 수 있어 정밀 응용 분야에서 더 나은 옵션이 될 수 있습니다. 이것이 데이터시트와 애플리케이션 노트에서 실제 용량 값이 아닌 유전체 재료를 기반으로 커패시터를 선택하도록 권장하는 이유 중 하나입니다. 이러한 응용 분야에서는 커패시터 값보다 커패시터 유전체 재료 자체의 특정 장점이 더 중요할 수 있습니다. 데이터시트나 애플리케이션 노트에서 커패시터 추천 사항을 볼 때 이 점을 기억하세요.

커패시터 유전체의 종류

세라믹

세라믹 커패시터 유전체의 정전 용량은 온도와 적용 전압에 영향을 받습니다. 또한, 낮은 직류 누설 전류 값과 낮은 등가 직렬 저항(ESR)을 가집니다. 세라믹 커패시터는 비극성이므로 PCB 레이아웃에서 어떤 방향으로도 배치할 수 있습니다; 이것은 고주파 AC 및 전력 응용 분야에서 선호되는 이유 중 하나입니다. 그러나, 낮은 ESR은 전력 시스템에서 강한 전이를 허용할 수 있으며, 이는 제어된 ESR 커패시터로 피할 수 있습니다.

세라믹 커패시터는 작은 세라믹 디스크 양면에 금속 필름(예: 은)을 코팅하고 커패시터 포장재에 쌓아 만듭니다. 약 3-6mm의 단일 세라믹 디스크를 사용하여 매우 낮은 정전 용량에 도달할 수 있습니다. 세라믹 커패시터 유전체의 유전 상수(Dk)는 매우 높으므로 작은 포장에서 상대적으로 높은 정전 용량을 얻을 수 있습니다.

전해질(즉, 탄탈럼, 알루미늄 등) 또는 산화물 유전체

이 커패시터들은 필요한 용량이 매우 높은 회로에서 사용됩니다. 여기서는 양극으로 작용하는 매우 얇은 금속 필름 층을 대체하기 위해 젤리나 페이스트 형태의 반액체 전해질 용액이 사용됩니다. 이들은 용량의 안정성(예: 더 타이트한 허용 오차 및 온도 변화) 측면에서 더 안정적이며, 고전압에서도 더 안정적입니다. 이들은 세라믹 커패시터보다 높은 ESR을 가지고 있으며 비극성입니다.

플라스틱 필름

이 커패시터 유전체는 낮은 Dk 값을 가지므로 훨씬 큰 크기를 가지지만, 고주파 회로에서 매우 유용합니다. 필름 커패시터는 다양한 유전 특성을 가진 커패시터의 상대적으로 큰 가족을 포함하는 가장 일반적으로 사용 가능한 커패시터 유형입니다. 따라서, 이 커패시터들에 대한 다양한 재료 사양이 있을 수 있습니다.

PCB 기판

기술적으로, PCB는 큰 인접 평면 층을 포함할 때마다 큰 커패시터입니다. PCB의 평면은 매우 낮은 ESL로 약 50 pF/sq. in.의 용량을 제공할 수 있으며, 이는 고속 PCB의 PDN에서 패키지 유발 과도 현상을 해결하기 위해 사용할 수 있는 가장 효과적인 형태의 커패시터가 종종 평면 커패시터라는 이유입니다.

세라믹 커패시터 유전체 및 그 강도 기반 분류

세라믹 캐패시터의 등급은 그 유전체의 유전 강도에 따라 결정되며, 이는 캐패시터 유전체의 내전압을 결정합니다.

• 1급: 1급 세라믹 캐패시터는 주로 Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co, Sr의 산화물 첨가제로 만들어집니다. 이러한 캐패시터는 온도 변화에 상대적으로 민감하지 않은 AC 회로가 필요한 응용 프로그램에서 선택됩니다. 예를 들어, 제품이 가혹한 운영 조건에서 높은 정밀도를 가져야 하는 필터나 매칭 네트워크와 같은 공진 회로에서 사용될 수 있습니다.
• 2급: 이 세라믹 캐패시터는 온도에 민감한 바륨 타이타네이트 기반 유전체 재료로 만들어집니다. 이 세라믹 캐패시터는 높은 전기 용량 밀도를 가지고 있으며, 즉 작은 부피에서 높은 전기 용량에 도달할 수 있습니다. 일반적으로 2급 세라믹 캐패시터는 스무딩, 바이패싱, 커플링 및 디커플링 응용 프로그램에 사용됩니다.
• 3급: 이 그룹의 세라믹 캐패시터 유전체는 2급 세라믹 재료에 비해 높은 전기 용량을 제공합니다. 3급 캐패시터는 구식으로 간주되며 더 이상 IEC에 의해 표준화되지 않습니다. 현대의 2급 다층 세라믹 캐패시터는 더욱 컴팩트한 패키지에서 더 높은 용량, 더 나은 안정성 및 더 타이트한 정확도를 제공할 수 있습니다.

위의 정의들은 IEC/EN 60384-1 및 IEC/EN 60384-8/9/21/22에서 표준화되었습니다. EIA는 세라믹 커패시터 유전체에 대한 네 가지 클래스로 구성된 자체 정의 세트를 가지고 있습니다. 각 클래스는 로마 숫자로 표시되므로, 커패시터가 클래스 3 대 클래스 III로 정의된 제품 페이지를 볼 경우 이러한 지정이 동등하지 않다는 점을 기억하세요.

커패시터 코딩 시스템

세라믹 커패시터를 지정하는 데 사용되는 세 자리 알파벳 및 숫자 코딩 시스템이 있으며, 이 시스템은 세라믹의 클래스에 따라 다릅니다. 커패시터 케이스에 추가적인 코드 마킹은 정격 작동 전압, 허용 오차 및 온도 계수를 나타낼 수 있습니다.

예를 들어, 클래스 2 세라믹 커패시터는 작동 온도 한계와 온도 변화에 대한 용량의 민감도에 따라 분류됩니다. 민감도 값은 상한 및 하한 온도 한계 내에서 평가되며 이러한 한계를 벗어난 경우 보장되지 않습니다. 이 코드들은 세라믹 커패시터 유전체 재료에 부여된 이름이 아니라는 점에 유의하세요. 세라믹 화합물은 독점 제품 이름이나 화학 화합물 이름일 수 있습니다. 대신, 이러한 코드는 응용 분야를 필요한 허용 오차 수준에 맞추는 데 사용됩니다.
아래 표는 Class 2 세라믹 커패시터(X5R, X7R 등)의 3자리 명명 코드에 있는 문자를 보여줍니다.

특정 유전체를 가진 커패시터 찾는 방법

전해질, 플라스틱 또는 폴리에스터 유전체가 있는 커패시터를 찾고 있다면, PCB 부품 라이브러리 도구에서 이러한 것들을 검색하기만 하면 됩니다. Octopart와 같은 서비스는 특정 유전체, 케이스 크기, 장착 스타일 등 다양한 옵션을 보여줄 수 있습니다. 유전체를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 주요 사항이 있습니다:

• 용량과 온도 계수: 이 두 가지 사항은 유전체 기반 구성 요소 검색을 할 때 함께 고려되어야 합니다.
• 허용 오차: 이는 온도 계수와 같지 않으며, 정격 용량 값 주변의 변동을 의미합니다(다른 수동 부품에서와 마찬가지로).
• 수명: 커패시터 유전체는 수명 제한이 있으며, 용량이 점차 감소하여 결국 장치의 허용 오차 수준으로 정의된 한계를 넘어서게 됩니다.
• 기생 요소: 고주파 응용 프로그램에서는 ESL과 ESR이 중요하며, 빠른 스위칭을 포함하는 일부 전력 응용 프로그램이나 디지털 시스템의 전력 무결성에 있어서도 중요합니다.
• 케이스 크기: 칩 커패시터와 레디얼/액시얼 전해 커패시터의 경우, 큰 케이스는 더 큰 용량을 제공합니다. 이는 칩 커패시터의 SMD 케이스 코드와 같은 표준 지정을 따를 수 있습니다. 작은 케이스는 더 작은 패드 크기를 가지며, 따라서 더 작은 ESL을 가집니다.

세라믹 커패시터의 경우, 이 기본 사양 중에서 1번과 2번만이 3자리 명명 코드를 기반으로 표준화되어 있습니다. 특정 코드가 귀하의 애플리케이션에서 작동할 것임을 알고 있다면, 코드로 검색할 수 있습니다. 세라믹처럼 표준화된 명명 시스템을 가지고 있지 않은 다른 유형의 커패시터는, 코드의 문자를 검색하기만 해서는 필요한 전해 커패시터를 찾지 못할 수 있습니다.

마지막으로, 전력 애플리케이션의 경우, 내압이 중요합니다. 커패시터 유전체는 그들의 유전 강도 측면에서 특징지어지는데, 이는 유전체를 붕괴시키기 위해 필요한 전기장 강도입니다. 내압은 장치별로 구체적이며, 전력 시스템을 설계할 때 중요한 사양이 될 것입니다. 전원 공급장치를 설계할 때 이 사양을 고려하는 것을 잊지 마시고, AC 또는 DC 전압에 대한 등급이 적용되는지 확인하십시오; 이는 시스템이 실패할 수 있는 흔한 실수입니다!

전원 공급 장치이든 무선 장치이든, 캐패시터를 포함해야 하며 캐패시터 유전체를 기반으로 선택해야 할 수도 있습니다. 디자인에 필요한 캐패시터를 찾았다면, CircuitMaker의 PCB 설계 도구를 사용하여 회로도와 PCB 레이아웃을 준비하세요. 모든 CircuitMaker 사용자는 아이디어에서 생산에 이르기까지 디자인을 진행하는 데 필요한 회로도, PCB 레이아웃, 제조 문서를 생성할 수 있습니다. 사용자는 또한 Altium 365™ 플랫폼에서 개인 작업 공간에 접근할 수 있으며, 클라우드에 디자인 데이터를 업로드하고 저장하고, 안전한 플랫폼에서 웹 브라우저를 통해 프로젝트를 쉽게 볼 수 있습니다.

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