なぜMLCCは定格容量未満で測定されるのか？

MLCCは10 µFと表示されることがありますが、LCRメーターや実際の回路は明らかに低い容量を示すことがあります。これは、コンデンサーが不良であることを必ずしも意味するわけではありません。なぜなら、トレランス、DCバイアス、ACテスト電圧、周波数、温度、老化、及び誘電体の種類がすべてその値に影響を与える可能性があるからです。測定設定も重要で、特にLCRメーターの設定やフィクスチャーの補償が関わります。この記事では、MLCCが定格容量未満で測定される理由と、その実効容量を正しく測定し評価する方法を説明します。

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図1. MLCCの定格容量の意味

MLCCの定格容量とは何か？

MLCCの定格または名目容量は、100 nF、1 µF、または10 µFのように、コンポーネントに割り当てられた容量値です。それは部品番号またはデータシートに記載されている値であり、指定された容量トレランスの参照として機能します。村田はこれをコンデンサーの名目値と説明しています。 _[2]

よって、名目容量は製造業者の参照値です。実際に測定された実効容量は、以下のセクションで説明するように他の条件下で異なることがあります。

容量トレランスと初期値の変動

図2. トレランスと初期値の変動

MLCCの容量トレランスは、製造業者が指定した条件下でテストされた際に、その測定された容量が名目値からどれだけ異なることが許されるかを定義しています。一般的なトレランスコードにはJ = ±5%、K = ±10%、そしてM = ±20%が含まれますが、±1%や±2%などのより厳しいトレランスも、一部のコンデンサータイプに対しては利用可能です。TDKは公式なMLCCカタログにこれらのトレランスコードを直接掲載しています。 _[3]

例えば、±20%のトレランスを持つ10 µFのMLCCは、8 µFから12 µFの間で受け入れられる初期容量を持つことができます。±10%のトレランスを持つ10 µFの部品は9 µFから11 µFの範囲になり、±5%は9.5 µFから10.5 µFを許可します。

この初期トレランスは、動作条件によって引き起こされる変化とは区別する必要があります。トレランスのために名目値未満から始まるコンデンサーは、DCバイアス、温度、老化、または異なる測定条件によって、追加の実効容量を失う可能性があります。例えば、新しい10 µF ±20%のMLCCから9.2 µFを測定することは、それ自体では問題を示しているわけではありません。なぜなら9.2 µFはその許可された初期範囲内だからです。したがって、期待された容量が低い原因を調査する前に、データシートのトレランスを最初に確認するべきです。 _[2][3]

DCバイアスがMLCC容量をどのように減少させるか

DCバイアスとは、コンデンサにかけられるDC電圧のことです。DCバイアス特性は、その電圧が増加するにつれて有効容量がどのように変化するかを説明します。この挙動は、高い誘電率のセラミック材料の電圧依存性の誘電特性に起因します。誘電体を通じて電界が強くなると、その有効誘電率は減少することがあり、これにより容量が低下します。_[1][4]

誘電体の種類	DCバイアスの挙動	DC電圧が増加するにつれての典型的な応答
C0G / NP0	非常に小さいか、実質的にゼロ	容量は比較的安定している
X5R	存在する	有効容量が減少する
X7R	存在する	有効容量が減少する
その他のクラスIIタイプ	一般的に存在する	減少は誘電体およびコンデンサの設計に依存する

表の注釈：誘電体コードだけでは、失われる容量の正確な量を示すことはできません。

容量の減少量は、すべてのX5RまたはX7R MLCCで同一ではありません。DCバイアス特性は特定のコンデンサ設計に依存するため、誘電体コードだけでは残りの容量を計算することはできません。特定の部品番号に対するメーカーの特性データを所定の動作電圧で確認する必要があります。

例えば、10 µFのX7R MLCCは、直流電圧がかかると実際には10 µFよりもかなり少ない値を提供する可能性があります。電圧がかかるにつれて減少は大きくなることが多いですが、すべての10 µF X7Rコンデンサに適用できる普遍的な割合はありません。最も正確なアプローチは、特定の部品番号に対するメーカーのDCバイアス特性曲線を確認し、所定の動作電圧での有効容量を読み取ることです。_[1][4]

AC試験電圧と測定周波数が容量に与える影響

LCRメーターは、定義されたAC試験電圧および測定周波数の下で容量を測定します。これらの設定がメーカーの指定された条件と異なる場合、測定値はデータシートの容量と一致しない可能性があります。これは、異なるメーターやテストセットアップ間で測定を比較する際に特に関連します。_[2][4][5]

TDKは以下の一般的なMLCC容量測定条件を示しています：

MLCCクラス / 容量	測定周波数	AC試験電圧
クラスI, ≤ 1,000 pF	1 MHz ±10%	0.5から5 Vrms
クラスI, > 1,000 pF	1 kHz ±10%	0.5から5 Vrms
クラスII, ≤ 10 µF	1 kHz ±10%	1.0 ±0.2 Vrms
クラスII, > 10 µF	120 Hz ±20%	0.5 ±0.2 Vrms

注意：TDKの一般的なガイダンスは、10 µF以下のクラスII MLCCに対して1 kHz ±10%で1.0 ±0.2 Vrmsを使用し、10 µFを超えるクラスII MLCCに対して120 Hz ±20%で0.5 ±0.2 Vrmsを使用します。正確な製品仕様が優先されます。[5]

コンデンサのインピーダンスは、メーターによって供給される電圧にも影響します。理想的なコンデンサにおいて、容量性インピーダンスの大きさは次のように表されます：

|ZC| = 1 / (2πfC)

ここで、fはヘルツの周波数、Cはファラッドの容量、|ZC|はオームのインピーダンスです。この関係は、コンデンサの自己共振周波数よりも低い動作の近似であり、等価直列抵抗（ESR）や等価直列誘導（ESL）などの実際の効果を無視します。

例えば、理想的な10 µFのコンデンサは1 kHzで：

|ZC| ≈ 15.9 Ω

この比較的低いインピーダンスは、LCRメーターのソースに負荷をかけることがあります。TDKは、高容量MLCCの場合、コンデンサの低インピーダンスとメーターの内部インピーダンスが、コンデンサにかかる実際のAC電圧が選択した試験レベルを下回る原因となり、予期しない低い容量測定値を引き起こす可能性があることに注意しています。

MLCCをデータシート値に対して確認する際は、指定された周波数とAC試験電圧を使用し、必要な信号が実際にコンデンサに到達していることを確認してください。_[5][6]

温度がMLCC容量に与える影響

図3. 温度がMLCC容量に与える影響

MLCCの容量は、その温度が上昇または下降するにつれて変化する可能性があります。メーカーは、この挙動を温度特性コードを使用して説明し、特定の温度範囲内で許可される容量の変化を定義します。この変化の量と形状は、コンデンサ内部で使用されるセラミック誘電体に強く依存します。_[3][7]

温度コード	クラス	動作温度範囲	温度係数または許可される容量の変化
C0G	クラスI	−55°Cから+125°C	0 ±30 ppm/°C
X5R	クラス II	−55°C から +85°C	±15%
X7R	クラス II	−55°C から +125°C	±15%

注意: EIAクラスIIの温度特性は25°Cを基準としています。 _[7]

差異は主に誘電体材料に起因します。クラスI C0G MLCCは、温度に対して小さく、ほぼ線形に変化する温度補償セラミックを使用しています。クラスIIのMLCCは、バリウムチタン酸塩に基づく高誘電率材料を使用しており、誘電率は温度に対してより強く非線形的に変化します。これにより、クラスIIコンデンサは小型パッケージではるかに高い静電容量を提供できますが、温度の安定性は低くなります。 _[7][9]

温度コードは、許容される最大範囲を定義するもので、すべてのコンデンサの正確な静電容量曲線を示すものではありません。2つのX7R MLCCはどちらも±15%の仕様を満たすことができますが、異なる誘電体配合や内部設計を使用するため、容量と温度の関係曲線は異なる場合があります。 _[3][7]

温度はDCバイアスとともに考慮する必要があります。X5RまたはX7Rの±15%の評価は、指定された標準条件下での温度特性を示しています。動作回路では、印加されたDC電圧が同時に静電容量を減少させる可能性があるため、実効静電容量は温度コードだけから予測される範囲を外れることがあります。正確な設計のためには、特定の部品番号の製造業者の温度およびDCバイアス曲線を確認してください。 _[1][2]

加齢および長期静電容量損失

図4. 加齢および長期静電容量損失

加齢とは、セラミックがキュリー温度を下回った後に、強誘電性クラスII MLCCに発生する静電容量の徐々に減少することです。TDKは、加齢は強誘電体誘電材料の自然な特性であり、時間の経過とともにその結晶構造の変化によって生じると説明しています。[8]

減少は、時間とともにおおよそ対数的です。メーカーは通常、10年ごとに失われる静電容量の割合を、時間の経過に対する静電容量ロスの割合として指定します。ここでの10年は、10倍の経過時間の増加を表し、例えば、10時間から100時間、または100時間から1,000時間のようなものです。[8]

誘電体の種類	加齢挙動	長期静電容量の挙動
C0G / NP0、クラスI	実質的に加齢なし	時間とともに非常に安定
X5R、クラスII	加齢が起こる	静電容量が徐々に減少する
X7R、クラスII	加齢が起こる	静電容量が徐々に減少する
その他の強誘電性クラスIIタイプ	加齢が一般的に発生する	加齢率は誘電系に依存する

テーブル注: 加齢率は通常、別に指定され、X5RまたはX7Rコード単体から判断することはできません。

加齢は、誘電体がそのキュリー温度を超えて加熱され、強誘電体構造がリセットされるときに起こる退加齢によって reversible です。コンデンサがキュリー温度を下回ると、加齢プロセスが再び始まります。

この原則は、特定のコンデンサを加熱するための一般的な指示として扱うべきではありません。退加齢の温度と期間は、特定の部品または誘電系に対する製造業者のガイダンスから得るべきです。TDKの指定された熱処理のような手順は、そのガイダンスによってカバーされる製品および条件に適用され、普遍的であると仮定されるべきではありません。_[8]

静電容量測定において、コンデンサの最後の資格を持つ熱処理からの時間が結果に影響を与える場合があります。TDKはこれを最後の熱の時間（TOLH）と呼んでいます。したがって、加齢は測定されたまたは実効的な静電容量を変更する他の影響とは別に考慮する必要があります。_[5][8]

誘電体の種類は静電容量の安定性にどのように影響するか

誘電体の種類は、電圧、温度、時間、および測定条件が変化したときに、MLCCがどれだけ安定しているかを決定する主な要因の1つです。セラミックコンデンサは一般にクラスIとクラスIIタイプに分類され、これらのクラスは異なる誘電体材料を使用しているため、回路内で異なる挙動を示します。_[9]

特性	C0G / NP0	X5R	X7R
セラミッククラス	クラス I	クラス II	クラス II
温度範囲	一般的に −55°C から +125°C 以上、部品によって異なる	−55°C から +85°C	−55°C から +125°C
温度安定性	非常に高い	±15%	±15%
DCバイアス効果	実質的に無	実効静電容量を減少させる可能性がある	実効静電容量を減少させる可能性がある
加齢	本質的に なし	現在	現在
静電容量 密度	低い	高い	高い
典型的な 使用	タイミング、調整、フィルタリング、マッチング、精密回路	デカップリング、バイパス、平滑化	デカップリング、バイパス、平滑化

高容量を小型パッケージで実現することよりも静電容量の精度と安定性が重要な場合はC0G/NP0を選択してください。 高い静電容量密度が必要な場合はX5RまたはX7Rを選択しますが、キャパシタが意図した動作条件下で十分な有効静電容量を提供していることを確認するために製造元の特性データを確認してください。 X7RはX5Rよりも高い温度範囲にも対応しています。

より詳しい誘電体の比較については、C0GとX7Rキャパシタの違いに関するガイドをご覧ください。

LCRメータの設定とMLCC静電容量を正確に測定する方法

静電容量の読み取りがデータシートと正確に比較されるためには、指定された条件下でMLCCを測定し、テストセットアップを慎重に制御する必要があります。

1. 正確なMPNとデータシートの改訂版を特定します。

製造元の正確な部品番号を確認し、適用可能なデータシートまたは製品仕様を使用してください。 一般的なMLCC測定設定だけに依存しないでください。

部品番号が利用できない場合は、マーキングのないMLCCの識別方法を確認してから、1つのLCR読み取りを識別として扱ってください。

2. MLCCを並列回路経路から分離します。

キャパシタがPCBに取り付けられている場合、並列に接続された他のキャパシタや回路経路が読み取りに影響を与える可能性があります。個々のMLCCの測定が必要な場合は、コンポーネントを分離してください。

3. 最後の加熱の温度と時間を記録します。

キャパシタの温度を記録し、クラスIIのMLCCの場合は最後の加熱時間（TOLH）も関連のある場合は記録してください。老化は静電容量に影響を与える可能性があります。

4. 指定された周波数とACテストレベルを選択します。

製品仕様書に記載されている測定周波数とAC電圧を使用します。 第4節で議論された一般的なTDK条件は、特定の部品に適用される場合のみ使用してください。

5. 適切なCpまたはCs測定モードを選択します。

TDKは、キャパシタインピーダンスが10 kΩを超える場合はCpを使用し、10 Ω未満の場合はCsを使用するという目安を提供します。これらの範囲の間のインピーダンスの場合は、コンポーネントの仕様と機器のガイダンスを使用して適切な等価回路モデルを選択してください。

6. フィクスチャ面でOPENおよびSHORT補償を実施します。

DUTに使用する同じフィクスチャ、テストリード、またはピンセットを接続し、測定面で補償を行います。OPEN補償は不要な並列コンダクタンスを修正し、SHORT補償は不要な直列インピーダンスを修正します。

7. ALCまたは同等のレベル制御を有効にします。

LCRメータが自動レベル制御（ALC）またはレベルモニタリングを提供する場合は、適切な場合にそれを有効にします。これは、メータソースに負荷をかける可能性のある高静電容量、低インピーダンスのMLCCに特に便利です。

8. DUTの実際のVrmsを確認します。

メータで選択された電圧が実際にMLCCに到達している電圧であるとは限りません。メータのレベルモニタを確認するか、適切な測定方法を使用してキャパシタにかかる実際のAC電圧を確認してください。

9. 静電容量と損失係数を記録します。

テスト条件が安定したら、測定された静電容量と損失係数（DF）を周波数、AC電圧、等価回路モード、温度、およびその他の関連条件とともに記録します。

10. 結果を指定された許容範囲と比較します。

測定された静電容量を、製造元が指定したのと同じ条件でコンポーネントの公称値と許容範囲と比較します。読み取りが許容範囲外の場合は、MLCCが不良であると結論する前に、テスト周波数、ACレベル、Cp/Csモード、補償、実際のDUT電圧、温度、老化条件を再確認してください。

TDK C1608X5R1A106K080AC（10 µF ±10%、10 V、X5R、0603 MLCC）を考慮してください。TDKの現在の製品ページは、これらの定格値を確認し、最大損失係数を10%と指定しています。

TDKは、2016年1月3日付の特性シートを発行しており、この正確なMPNのDCバイアス曲線を含んでいます。このシートには特性データが変更される可能性があると明記されており、TDKのオンライン特性グラフは保証された製品特性ではなく、参照データとして特定されています。したがって、DCバイアス曲線は典型的な動作として扱うべきであり、名目容量の許容差およびその他の仕様限界は指定された測定条件下で保証された値のままです。

再現可能な比較は次のように設定できます：

テスト項目	再現条件 / 報告情報
正確な MPN	TDK C1608X5R1A106K080AC
メーカー参照	TDK 特性シート、2016年1月3日
メーター	Keysight E4980A オプション001、またはDCバイアスおよびレベルモニター機能を備えた同等の精密LCRメーター
フィクスチャ	Keysight 16034E SMDフィクスチャ、1.6 × 0.8 mmコンポーネントに適しており、E4980Aと互換性があります
校正状態	メーターの現在の校正証明書番号と校正日を記録します。TDKは、公開された曲線に使用される機器の校正状態を開示していません。
等価回路モード	この再現にはCs-Dを使用し、スイープ全体を通じてモードを変更しないでください。10 µFおよび1 kHzでは、理想的なリアクタンスは約15.9 Ωであり、単純なCp/Csのルールオブサムの範囲内に収まるため、Cs-DはTDKの元の設定に関する主張ではなく、宣言されたテスト選択肢です。
周波数	1 kHz ±10%、TDKの一般的な条件に合致し、10 µFまでのClass II MLCCに対応しています。
指令されたACレベル	1.000 Vrms
測定されたACレベル	各バイアスステップでDUTに加わる実際のVrmsをメーターのレベルモニターまたは適切なボルトメーターを使用して記録します。ここで測定値は報告されていません。なぜなら、独立したベンチテストが実施されていないからです。TDKは、オシレーター設定と実際のDUT電圧が異なる可能性があることに注意を促しています。
ALC	ON、実際のDUTレベルがモニターされています。TDKは高容量MLCCの正確な測定にはALCまたは同等のレベルコントロールを推奨しています。
DCバイアススイープ	再現のために、0、1、2、3、4、5、6、8、10 VDCを使用し、10 Vの定格を超えないでください。各ステップでの実際のDCレベルを記録します。
温度	定義された実験室温度、例えば25°Cでテストを行い、測定された温度を記録します。公開されているTDKの特性シートには、DCバイアス曲線に使用される正確な温度は明記されていません。
最後の加熱からの時間	サンプルの既知のTOLHを記録します。未知の場合は、値を推測せずにTOLH不明として報告してください。メーカー承認の手順が適用されない限り、新しいTOLHを確立するためにキャパシタを加熱しないでください。
繰り返し測定	例えば、読み取りが安定した後、各バイアスステップで5回の測定を行い、すべての生データ容量とDF値を保持します。TDKの公開された曲線は、繰り返し測定を提供していません。
報告された量	各バイアスステップで、容量、損失係数、実際のAC Vrms、実際のDCバイアス、温度、読み取り番号を記録します。
測定不確かさ	実際の設定に対して計算された不確かさを報告します。E4980Aの0.05%の基本精度を全体の測定不確かさとして扱わないでください。適用可能なメーターの精度、フィクスチャ寄与、校正状態、電圧レベル誤差、観測された再現性を含めてください。

繰り返し測定はTDKの公開されたDCバイアス特性曲線と比較できます。グラフを視覚的に評価して正確なパーセンテージの容量損失を割り当てないでください。数値的な曲線値が必要な場合は、TDKのダウンロード可能な特性データまたは他のメーカーが提供する数値ソースを使用してください。公開されたDCバイアス曲線は典型的/参照動作を表しており、それ自体はDCバイアス下での±10%の保証された有効容量限界ではありません。

0 V DCバイアスでは、測定された容量は指定の測定条件が満たされている限り、指定された10 µF ±10%の許容範囲と比較できます。ゼロ以外のDCバイアスでは、測定された傾向をTDKの特性曲線と比較してくださいが、典型的なDCバイアス特性を保証された名目容量の許容範囲から分離しておいてください。

指定されたテスト条件下で部品が許容範囲を下回る場合は、MLCC故障モードで取り上げられたメカニズムを検査してください。

参考

村田製作所「セラミックコンデンサに直流電圧を印加すると静電容量は変化しますか？ 静電容量の変化に関して注意すべき点はありますか？」

村田製作所「公称静電容量値が得られないのはなぜですか？」

TDK株式会社「TDK MLCCカタログ番号の説明。」

村田製作所「静電容量の電圧特性。」

TDK株式会社「静電容量と損失ファクタを正しく測定するにはどうすればよいですか？」

TDK株式会社「メーターが設定された電圧とは異なる測定電圧を供給するのはなぜですか？」

村田製作所「セラミックコンデンサの温度特性は何ですか？」

TDK株式会社「MLCCの「エイジング」とは何ですか？」

村田製作所「高誘電体型（X5R/X6S/X7Rなど）と温度補償型（C0G/U2Jなど）の特性および用途の違いは何ですか？」

TDK株式会社「測定誤差の補償とは何か、なぜ必要なのですか？」