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A ceramic capacitor is a fixed-value capacitor where the ceramic material acts as the dielectric. It is constructed of two or more alternating layers of ceramic and a metal layer acting as the electrodes. The composition of the ceramic material defines the electrical behavior and therefore applications. Ceramic capacitors are divided into two application classes:
Ceramic capacitors, especially multilayer ceramic capacitors (MLCCs), are the most produced and used capacitors in electronic equipment that incorporate approximately one trillion (1012) pieces per year.[1]
Ceramic capacitors of special shapes and styles are used as capacitors for RFI/EMI suppression, as feed-through capacitors and in larger dimensions as power capacitors for transmitters.
Since the beginning of the study of electricity non-conductive materials such as glass, porcelain, paper and mica have been used as insulators. These materials some decades later were also well-suited for further use as the dielectric for the first capacitors.
Even in the early years of Marconi's wireless transmitting apparatus, porcelain capacitors were used for high voltage and high frequency application in the transmitters. On the receiver side, the smaller mica capacitors were used for resonant circuits. Mica dielectric capacitors were invented in 1909 by William Dubilier. Prior to World War II, mica was the most common dielectric for capacitors in the United States.[1]
雲母は天然素材であり、無尽蔵に入手できるわけではありません。そのため、1920年代半ば、ドイツでは雲母が不足し、特殊なセラミックである磁器の製造経験から、ドイツで初めてセラミックを誘電体として使用したコンデンサが開発され、セラミックコンデンサという新しい種類のコンデンサが誕生しました。最初のセラミック誘電体として使われたのは、共振回路の温度補償のために静電容量の温度依存性が直線的であり、雲母コンデンサの代替として使用できることから、常誘電性の二酸化チタン（ルチル）でした。1926年にこれらのセラミックコンデンサは少量生産され、1940年代には生産量が増加しました。初期のセラミックコンデンサは、両面に金属層があり、錫メッキ線で接続された円盤状でした。この形状はトランジスタよりも古く、1930年頃から1950年代にかけて真空管機器（ラジオ受信機など）で広く使用されました。
しかし、この常誘電体は誘電率が比較的低かったため、小さな静電容量値しか実現できませんでした。1930年代と1940年代のラジオ市場の拡大により、HFデカップリング用途では電解コンデンサよりも低いものの、より高い静電容量値が求められるようになりました。1921年に発見された、誘電率が1,000の範囲にある強誘電体セラミック材料であるチタン酸バリウムは、二酸化チタンや雲母の約10倍であり、電子機器用途でより大きな役割を果たすようになりました。[ 1 ] [ 2 ]
誘電率が高いほど静電容量は大幅に向上するものの、電気的特性は比較的不安定になるという問題があった。そのため、これらのセラミックコンデンサは、安定性がそれほど重要でない用途においてのみ、一般的に使用されているマイカコンデンサの代替として使用できるにとどまった。マイカコンデンサに比べて小型であること、製造コストが低いこと、そしてマイカの供給状況に依存しないことが、セラミックコンデンサの普及を加速させた。
第二次世界大戦後の急速な放送産業の発展は、セラミック材料の結晶構造、相転移、化学的・機械的最適化に関する理解を深める原動力となった。様々な基本材料を複雑に混合することで、セラミックコンデンサの電気特性を精密に調整することが可能になった。セラミックコンデンサの電気特性を区別するために、標準化ではいくつかの異なる用途クラス（クラス1、クラス2、クラス3）が定義された。注目すべきは、戦時中と戦後の米国と欧州市場におけるそれぞれの発展により、これらのクラスの定義が異なっていたこと（EIAとIEC）であり、IEC標準化への世界的な調和が実現したのはごく最近（2010年以降）になってからのことである。
The typical style for ceramic capacitors beneath the disc (at that time called condensers) in radio applications at the time after the War from the 1950s through the 1970s was a ceramic tube covered with tin or silver on both the inside and outside surface. It included relatively long terminals forming, together with resistors and other components, a tangle of open circuit wiring.
The easy-to-mold ceramic material facilitated the development of special and large styles of ceramic capacitors for high-voltage, high-frequency (RF) and power applications.
With the development of semiconductor technology in the 1950s, barrier layer capacitors, or IEC class 3/EIA class IV capacitors, were developed using doped ferroelectric ceramics. Because this doped material was not suitable to produce multilayers, they were replaced decades later by Y5V class 2 capacitors.
The early style of the ceramic disc capacitor could be more cheaply produced than the common ceramic tube capacitors in the 1950s and 1970s. An American company in the midst of the Apollo program, launched in 1961, pioneered the stacking of multiple discs to create a monolithic block. This "multi-layer ceramic capacitor" (MLCC) was compact and offered high-capacitance capacitors.[3] The production of these capacitors using the tape casting and ceramic-electrode cofiring processes was a great manufacturing challenge. MLCCs expanded the range of applications to those requiring larger capacitance values in smaller cases. These ceramic chip capacitors were the driving force behind the conversion of electronic devices from through-hole mounting to surface-mount technology in the 1980s. Polarized electrolytic capacitors could be replaced by non-polarized ceramic capacitors, simplifying the mounting.
In 1993, TDK Corporation succeeded in displacing palladium bearing electrodes with much cheaper nickel electrodes, significantly reducing production costs and enabling mass production of MLCCs.[4] This technological improvement allowed price-based substitution of palladium[5] following an increase in the price of palladium in 2000, which, when combined with manufacturers using their stockpiles instead of buying from the market and the slump in electronics demand during the dot com bubble, led to the 2001 demand for palladium in electronics collapsing to one third of the previous year (2.16 to 0.7 million OzT).[6] As of 2025, demand has not recovered to its pre-2000 level.
As of 2012, more than 1012 MLCCs are manufactured each year.[1] Along with the style of ceramic chip capacitors, ceramic disc capacitors are often used as safety capacitors in electromagnetic interference suppression applications. Besides these, large ceramic power capacitors for high voltage or high frequency transmitter applications are also to be found.
New developments in ceramic materials have been made with anti-ferroelectric ceramics. This material has a nonlinear antiferroelectric/ferroelectric phase change that allows increased energy storage with higher volumetric efficiency. They are used for energy storage (for example, in detonators).[7]
The different ceramic materials used for ceramic capacitors, paraelectric or ferroelectric ceramics, influences the electrical characteristics of the capacitors. Using mixtures of paraelectric substances based on titanium dioxide results in very stable and linear behavior of the capacitance value within a specified temperature range and low losses at high frequencies. But these mixtures have a relatively low permittivity so that the capacitance values of these capacitors are relatively small.
Higher capacitance values for ceramic capacitors can be attained by using mixtures of ferroelectric materials like barium titanate together with specific oxides. These dielectric materials have much higher permittivities, but at the same time their capacitance value are more or less nonlinear over the temperature range, and losses at high frequencies are much higher. These different electrical characteristics of ceramic capacitors requires to group them into "application classes". The definition of the application classes comes from the standardization. As of 2013, two sets of standards were in use, one from International Electrotechnical Commission (IEC) and the other from the now-defunct Electronic Industries Alliance (EIA).
The definitions of the application classes given in the two standards are different. The following table shows the different definitions of the application classes for ceramic capacitors:
特に米国のメーカーは、電子工業会（EIA）規格を好んだ。多くの点でIEC規格と非常によく似ているEIA RS-198は、セラミックコンデンサの4つのアプリケーションクラスを定義している。[ 8 ]
両規格内のクラス番号が異なるため、多くのメーカーのデータシートのクラス説明の解釈に多くの誤解が生じています。[ 9 ] [ 10 ] EIAは2011年2月11日に活動を停止しましたが、以前の部門は国際標準化機関に引き続きサービスを提供しています。
以下では、IEC規格の定義を優先し、重要な場合にはEIA規格の定義と比較する。
クラス1セラミックコンデンサは、高精度で温度補償機能を備えたコンデンサです。電圧、温度、そしてある程度は周波数においても最も安定した特性を示します。損失が最も少ないため、安定性が不可欠な共振回路用途や、回路の温度影響を補償するなど、正確に定義された温度係数が求められる用途に特に適しています。クラス1セラミックコンデンサの基本材料は、二酸化チタン（TiO₂）などの常誘電体材料の微粉末の混合物で構成されています。2 )コンデンサの望ましい線形特性を実現するために必要なジルコニウム、ニオブ、マグネシウム、タンタル、コバルト、ストロンチウムの添加剤で改質されている。 [ 11 ] [ 12 ]
クラス1コンデンサの一般的な静電容量の温度特性は、例えばTiO2のような基本的な常誘電体材料に依存します。2．化学組成の添加剤は、所望の温度特性を正確に調整するために使用されます。クラス1セラミックコンデンサは、体積効率が誘電率が比較的低い（6～200）ためです。したがって、クラス1コンデンサの静電容量値は低い範囲にあります。
クラス1コンデンサは、温度係数が温度に対してほぼ線形です。これらのコンデンサは、約0.15%の損失係数を持つ非常に低い電気損失を有しています。顕著な経年劣化は起こらず、静電容量値は印加電圧にほとんど依存しません。これらの特性により、高Qフィルタ、共振回路、発振器（例えば、位相同期ループ回路）への応用が可能です。
EIA RS-198規格では、セラミッククラス1コンデンサを温度係数を示す3文字のコードで識別します。最初の文字は、温度変化に伴う静電容量の変化（温度係数α）の有効数字をppm/K単位で表します。2番目の文字は温度係数の乗数を表します。3番目の文字は、その値からの最大許容値をppm/K単位で表します。すべての定格は25～85 ℃の範囲です。
EIAコードに加えて、クラス1セラミックコンデンサの静電容量依存性の温度係数は、「NP0」、「N220」などのセラミック名で一般的に表されます。これらの名称には温度係数（α）が含まれています。IEC/EN 60384-8/21規格では、温度係数と許容誤差は、対応するEIAコードが追加された2桁の文字コード（表を参照）に置き換えられています。
For instance, an "NP0" capacitor with EIA code "C0G" will have 0 drift, with a tolerance of ±30 ppm/K, while an "N1500" with the code "P3K" will have −1500 ppm/K drift, with a maximum tolerance of ±250 ppm/K. Note that the IEC and EIA capacitor codes are industry capacitor codes and not the same as military capacitor codes.
Class 1 capacitors include capacitors with different temperature coefficients α. Especially, NP0/CG/C0G capacitors with an α ±0•10−6 /K and an α tolerance of 30 ppm are technically of great interest. These capacitors have a capacitance variation dC/C of ±0.54% within the temperature range −55 to +125 °C. This enables accurate frequency response over a wide temperature range (in, for example, resonant circuits). The other materials with their special temperature behavior are used to compensate a counter temperature run of parallel connected components like coils in oscillator circuits. Class 1 capacitors exhibit very small tolerances of the rated capacitance.
Class 2 ceramic capacitors have a dielectric with a high permittivity and therefore a better volumetric efficiency than class 1 capacitors, but lower accuracy and stability. The ceramic dielectric is characterized by a nonlinear change of capacitance over the temperature range. The capacitance value also depends on the applied voltage. They are suitable for bypass, coupling and decoupling applications or for frequency discriminating circuits where low losses and high stability of capacitance are less important. They typically exhibit microphony.
Class 2 capacitors are made of ferroelectric materials such as barium titanate (BaTiO3 ) [ 13 ]およびケイ酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム、酸化アルミニウムなどの適切な添加剤。 [ 14 ]これらのセラミックは非常に高い誘電率（200～14,000）を持ち、比較的小さなパッケージ内で極めて高い電界と静電容量を実現できます。クラス2コンデンサは、同等のクラス1コンデンサよりも大幅に小型です。ただし、誘電率は非線形でため、端子間の電圧が増加すると静電容量が大きく変化します。クラス2コンデンサは、温度安定性と経年劣化も劣ります。 [ 11 ]
これらの特性から、クラス2コンデンサは、電源の入出力のバッファリング/フィルタリングや電気信号の結合など、正確な値ではなく最小限の静電容量のみが必要とされる用途で一般的に使用されます。
クラス2コンデンサは、温度範囲における静電容量の変化に応じて分類されます。最も広く使用されている分類はEIA RS-198規格に基づいており、3桁のコードを使用します。最初の文字（アルファベット）は最低動作温度を示し、2番目の文字（数字）は最高温度を示し、3番目の文字（別のアルファベット）はコンデンサの指定温度範囲全体における最大許容静電容量変化を示します。
例えば、Z5Uコンデンサは+10 ℃から+85 ℃までの温度範囲で動作し、静電容量の変化は最大で+22%から-56%です。X7Rコンデンサは-55 ℃から+125 ℃までの温度範囲で動作し、静電容量の変化は最大で±15%です。
一般的に使用されているクラス2セラミックコンデンサの材料を以下に示します。
IEC/EN 60384 -9/22規格では、別の2桁のコードが使用されています。
ほとんどの場合、EIA規格をIEC/EN規格に変換することは可能です。若干の変換誤差が生じる場合もありますが、通常は許容範囲内です。
クラス2のセラミックコンデンサは静電容量の精度と安定性が低いため、より高い許容誤差が求められる。
軍用タイプの場合、クラス2誘電体は温度特性（TC）は規定していますが、温度電圧特性（TVC）は規定していません。X7Rと同様に、軍用タイプBXは温度変化が15%を超えてはならず、さらに 最大定格電圧において+15%/-25%の範囲内に収まる必要があります。タイプBRのTVC制限は+15%/-40%です。
クラス3のバリア層コンデンサまたは半導体セラミックコンデンサは、誘電率が最大50,000と非常に高く、クラス2のコンデンサよりも体積効率に優れています。しかし、これらのコンデンサは、精度や安定性が低いなど、電気特性が劣ります。誘電体は、温度範囲全体にわたって静電容量が非常に大きく非線形に変化するという特徴があります。さらに、静電容量の値は印加電圧にも依存します。また、損失が非常に大きく、経年劣化も顕著です。
バリア層セラミックコンデンサは、チタン酸バリウム（BaTiO₃）などのドーピングされた強誘電体材料で作られています。3 ) 1980年代半ばにこのセラミック技術が進歩すると、バリア層コンデンサは最大100μFの値で入手可能になり 、当時、それらはより小型の電解コンデンサ。
この材料では多層コンデンサを製造することができないため、リード付き単層タイプのみが市販されている。 [ 16 ] [ 17 ]
多層セラミックコンデンサの技術進歩により、より小型のパッケージで優れた性能を実現できるようになったため、バリア層コンデンサは技術として時代遅れとみなされ、IECによる標準化も行われなくなりました。
セラミックコンデンサは、常誘電体または強誘電体の微粉末を、所望の特性を得るために他の材料と適切に混合して作られます。これらの粉末混合物から、高温でセラミックが焼結されます。セラミックは誘電体を形成し、金属電極のキャリアとして機能します。低電圧コンデンサの場合、誘電体層の最小厚さは、セラミック粉末の粒径によって制限されます。現在（2013年）では、0.5マイクロメートルの範囲です[ 3 ] 。高電圧コンデンサの誘電体の厚さは、所望のコンデンサの絶縁耐力によって決定されます。
コンデンサの電極は、セラミック層上に金属蒸着によって形成されます。MLCC（積層セラミックコンデンサ）では、交互に金属蒸着されたセラミック層が積層されています。本体の両側の電極の突出した金属蒸着部は、接点端子に接続されています。ラッカーまたはセラミックコーティングが、コンデンサを湿気やその他の環境要因から保護します。
セラミックコンデンサには様々な形状と種類があります。最も一般的なものには以下のようなものがあります。
MLCCは、多数の単層コンデンサを1つのパッケージに積み重ねたものと考えることができます。すべてのMLCCチップの出発材料は、微粉砕された常誘電体または強誘電体原料の顆粒の混合物であり、正確に決定された添加剤によって改質されています。[ 18 ] [ 19 ]混合物の組成と、10 nmという小さな粉末粒子のサイズは 、製造業者の専門知識を反映しています。
適切なバインダーを含む粉末懸濁液から薄いセラミック箔を鋳造する。箔のロールを同じサイズのシートに切断し、電極となる金属ペースト層をスクリーン印刷する。自動化されたプロセスで、これらのシートを必要な層数だけ積み重ね、圧力で固める。比誘電率に加えて、層のサイズと層数によって、後の静電容量値が決まります。電極は、隣接する層からわずかにずらして交互に積み重ねられ、それぞれが後でオフセット側（左と右）で接続できるようにします。積層されたスタックをプレスし、個々の部品に切断します。たとえば、サイズ「0201」（0.5 mm × 0.3 mm）の500層以上のスタックを製造するには、高い機械的精度が必要です。
切断後、バインダーは積層体から焼き切られます。続いて、1,200～1,450 ℃（2,190～2,640 °F）の温度で焼結が行われ、最終的な、主に結晶構造が形成されます。この焼成プロセスによって、所望の誘電特性が得られます。焼成後、洗浄が行われ、両端面が金属化されます。金属化によって、両端と内部電極が並列に接続され、コンデンサの端子が形成されます。最後に、各コンデンサは電気的にテストされ、機能性と適切な性能が確認された後、テープリールに梱包されます。
MLCCコンデンサの静電容量（ C ）の式は、層数を増やしたプレートコンデンサの式に基づいています。 ここで、εは誘電率、 Aは電極表面積、nは層数、dは電極間の距離を表す。
誘電体を薄くしたり、電極面積を大きくしたりすると、静電容量の値は増加する。また、誘電率の高い誘電体材料を使用した場合も同様である。
近年のデジタルエレクトロニクスの小型化に伴い、集積回路の周辺部品も小型化されてきた。積層セラミックコンデンサ（MLCC）の小型化には、誘電体層の厚さを薄くするか、層数を増やすかのどちらかが必要となる。どちらの方法も多大な労力と高度な専門知識を要する。
1995年当時、誘電体の最小厚さは4μmであった 。2005年までに、一部のメーカーは層厚1μmのMLCCチップを製造した 。2010年現在最小厚さは約 0.5 μm である。[ 1 ]誘電体内の電界強度は 35 V/μm に増加した。[ 20 ]
これらのコンデンサの小型化は、粉末粒径を小さくすることで実現されており、これはセラミック層を薄くするという考えに基づいている。加えて、製造工程の制御精度が向上したことで、より多くの層を積層できるようになった。
1995年から2005年の間に、1206サイズのY5V MLCCコンデンサの静電容量は4.7μFから 100μFに増加した 。[ 21 ]一方、(2013年)には、多くのメーカーが0805チップサイズで静電容量100μFのクラス2 MLCCコンデンサを提供できるようになった。[ 22 ]
MLCCはリード線がないため、リード線付きのMLCCよりも小型です。基板への実装にスルーホール加工は不要で、人間ではなく機械による取り扱いを想定して設計されています。そのため、MLCCのような表面実装部品は一般的に安価です。
MLCCは、取り扱いを容易にするために、標準化された形状とサイズで製造されています。初期の標準化はアメリカのEIA規格が主流であったため、MLCCチップの寸法はEIAによってインチ単位で標準化されました。長さ0.06インチ、幅0.03インチの長方形チップは「0603」とコード化されています。このコードは国際的に広く使用されています。JEDEC （IEC/EN）は、2番目のメートル法コードを考案しました。一般的な多層セラミックチップコンデンサのサイズのEIAコードとメートル法での相当値、およびミリメートル単位の寸法を次の表に示します。表には高さ「H」の測定値がありません。これは、MLCCチップの高さが層数、つまり静電容量に依存するため、通常は記載されていません。ただし、通常、高さHは幅Wを超えません。
当初、MLCC電極は、銀やパラジウムなどの貴金属で構成されていました。これらの貴金属は、 1,200～1,400 ℃（2,190～2,550 °F）という高い焼結温度にも容易に酸化することなく耐えることができます。こうした貴金属電極（NME）を用いたコンデンサは、非常に優れた電気特性を示しました。
しかし、1990年代後半の貴金属価格の高騰により製造コストが大幅に上昇し、その結果、銅やニッケルなどの安価な金属を使用したコンデンサが開発されました。[ 23 ]これらの卑金属電極（BME）コンデンサは、電気的特性が劣っており、高電圧での静電容量の収縮が大きく、損失係数も増加していました。
BMEの欠点は、主に電源装置などの精度にそれほど敏感でない低コスト用途で使用されるクラス2コンデンサでは許容範囲内とみなされた。一方、NMEは、仕様への適合が重要でコストがあまり問題にならないクラス1コンデンサでは依然として使用されている。
MLCCチップの静電容量は、誘電体、サイズ、および必要な電圧（定格電圧）によって異なります。静電容量の値は、約1pFから始まります。最大静電容量値は製造技術によって決まります。X7Rの場合は47μF 、Y5Vの場合は100μFです 。
右図は、クラス1およびクラス2の積層セラミックチップコンデンサの最大静電容量を示しています。以下の2つの表は、セラミックNP0/C0GとX7Rそれぞれについて、主要メーカーである村田製作所、TDK、KEMET、AVXの各製品における、一般的なケースサイズごとの最大静電容量値と定格電圧を一覧にしたものです。（2017年4月時点）
In the region of its resonance frequency, a capacitor has the best decoupling properties for noise or electromagnetic interference. The resonance frequency of a capacitor is determined by the inductance of the component. The inductive parts of a capacitor are summarized in the equivalent series inductance, or ESL. (Note that L is the electrical symbol for inductance.) The smaller the inductance, the higher the resonance frequency.
Because, especially in digital signal processing, switching frequencies have continued to rise, the demand for high frequency decoupling or filter capacitors increases. With a simple design change the ESL of an MLCC chip can be reduced. Therefore, the stacked electrodes are connected on the longitudinal side with the connecting terminations. This reduces the distance that the charge carriers flow over the electrodes, which reduces inductance of the component.[24]
For example, an 0.1 μF X7R MLCC in a 0805 package resonates at 16 MHz. The same capacitor with leads on its long sides (i.e. an 0508) has a resonance frequency of 22 MHz.
Another possibility is to form the device as an array of capacitors. Here, several individual capacitors are built in a common housing. Connecting them in parallel, the resulting ESL as well as ESR values of the components are reduced.
標準的な多層セラミックコンデンサは、内部に多数の対向電極層が積層され、2つの外部端子で接続されています。一方、X2Yセラミックチップコンデンサは4端子のチップデバイスです。これは、積層されたセラミック層から標準的な2端子MLCCのように構成されていますが、チップ内に3番目のシールド電極セットが追加されています。これらのシールド電極は、コンデンサプレートのスタック内の既存の各電極を囲み、コンデンサ端子に渡る2つの追加のサイド端子と低抵抗で接触しています。X2Y構造により、ライン間およびライン対地フィルタリングを同時に提供する3ノード容量回路が実現します。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
X2Yセラミックコンデンサは、2つ以上の従来型デバイスを置き換えることが可能で、デジタル回路の電源電圧の高周波フィルタリングやノイズ抑制に最適であり、DCモーター、自動車、オーディオ、センサー、その他のアプリケーションにおける厳しいEMC要求を満たす上で非常に貴重なものとなる可能性があります。[ 28 ] [ 29 ]
X2Y フットプリントにより、実装インダクタンスが低くなります。[ 30 ]これは、数百MHz 以上のクロックレートを持つ高速デジタル回路での使用に特に関心があります 。このような回路では、電源ラインの寄生インダクタンスのために、回路基板上の個々の電源電圧のデカップリングを実現することが困難です。従来のセラミックコンデンサを使用した標準的なソリューションでは、容量値の異なる多数の従来の MLCC チップを並列に使用する必要があります。ここで、X2Y コンデンサは、PCB 上の最大 5 つの同じサイズのセラミックコンデンサを置き換えることができます。[ 31 ]ただし、この特定のタイプのセラミックコンデンサは特許を取得しているため、これらのコンポーネントは依然として比較的高価です。
X2Yコンデンサの代替として、3端子コンデンサが考えられる。[ 32 ]
セラミックは脆く、回路基板に表面実装されたMLCCチップは、リード付きスルーホール部品に比べて、熱膨張やデパネリングなどの機械的ストレスによってひび割れを起こしやすい。ひび割れは、自動組立ラインや回路内の高電流によって発生する可能性がある。
回路基板にかかる振動や衝撃力は、減衰されずにMLCCとそのはんだ接合部にほぼそのまま伝達されます。過度の力はコンデンサのひび割れ（屈曲ひび割れ）を引き起こす可能性があります。接合部にはんだが多すぎると、コンデンサにかかる力が増幅される可能性があるため好ましくありません。[ 33 ] [ 34 ]
MLCCチップの機械的ストレス耐性は、基板曲げ試験と呼ばれる方法で評価されます。この試験では、はんだ付けされたMLCCを搭載したプリント基板をパンチで1～3mm曲げます。MLCCが短絡したり、静電容量が大きく変化したりし た場合、故障と判断されます。
MLCCチップの曲げ強度は、セラミック材料、チップサイズ、およびコンデンサの物理的構造によって異なります。特別な対策を講じない場合、NP0/C0Gクラス1セラミックMLCCチップの一般的な曲げ強度は2mmですが、 より大型のX7R、Y5Vクラス2セラミックチップでは、曲げ強度は約1mmにとどまります 。0402サイズなどの小型チップでは、すべての種類のセラミックにおいて、より大きな曲げ強度が得られました。
特に電極部や端子部における特別な設計により、曲げ強度を向上させることができる。例えば、極性が逆の2つの電極が接触すると内部短絡が発生し、これは終端部付近のセラミックの破損によって生じます。電極の重なり合う面積を減らすことで、これを防ぐことができます。これは例えば「オープンモード設計」（OMD）によって実現されます。OMDでは、終端部付近の破損によって静電容量の値がわずかに減少するだけです（AVX、KEMET）。
「フローティング電極設計」（FED）または「多層直列コンデンサ」（MLSC）と呼ばれる同様の構造でも、コンデンサ本体の一部が破損した場合、静電容量の減少のみが生じます。この構造は、終端部との導電接続を持たないフローティング電極で動作します。破損しても短絡にはならず、静電容量の減少のみが発生します。ただし、どちらの構造も、同じ静電容量値の標準的なMLCCバージョンと比較して、設計サイズが大きくなります。
電極と終端部の間に「フレキシブル終端」（FT-Cap）または「ソフト終端」と呼ばれる導電性ポリマーの柔軟な中間層を導入することで、標準MLCCと同じ体積を実現しています。この構造では、剛性の金属製はんだ付け接続部が柔軟なポリマー層に沿って動くことができ、セラミックの破損を招くことなく曲げ力を吸収できます。[ 36 ]一部の車載用コンデンサは、AEC-Q200および/またはVW 80808 に準拠するように規定されています。
サプレッションコンデンサは、周波数の増加に伴って電気インピーダンスが減少するため、高周波では線路間または接地間の高周波電気ノイズや過渡現象に対して短絡回路として作用し、干渉低減に効果的な部品です。そのため、機器や機械（モータ、インバータ、電子バラスト、ソリッドステートリレースナバ、スパーククエンチャなど）が、線路間（Xコンデンサ）および線路接地間（Yコンデンサ）接続における電磁干渉や無線周波数干渉、過渡現象を送受信するのを防ぎます。Xコンデンサは、対称、平衡、または差動干渉を効果的に吸収します。Yコンデンサは、線路相とゼロ電位点の間の線路バイパスに接続され、非対称、不平衡、またはコモンモード干渉を吸収します。[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]
EMI/RFI抑制コンデンサは、残留する干渉や電気ノイズがEMC指令EN 50081の制限を超えないように設計されています。[ 40 ]抑制部品は10～20年以上主電源電圧に直接接続されるため、潜在的に有害な過電圧や過渡現象にさらされます。このため、抑制コンデンサは、国際安全規格の安全性および不燃性要件に準拠する必要があります。
規定の要件をすべて満たすRFIコンデンサには、各国の安全規格機関の認証マークが刻印されています。送電線用途では、コーティングの不燃性、およびコンデンサ本体に含浸またはコーティングされるエポキシ樹脂に関して特別な要件が課せられます。安全認証を取得するために、XおよびY規格の送電線定格コンデンサは、破壊試験によって故障するまで試験されます。これらの安全規格コンデンサは、大きな過電圧サージにさらされた場合でも、人や財産を危険にさらさないフェイルセーフ方式で故障する必要があります。
2012年現在EMI/RFI抑制に使用されるセラミックコンデンサのほとんどは、PCBへのスルーホール実装用のリード付きコンデンサでしたが、[ 41 ] [ 42 ]表面実装技術がますます重要になってきています。このため、近年、さまざまなメーカーのEMI/RFI抑制用MLCCチップが多数承認され、適用規格で規定されているすべての要件を満たしています。[ 41 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]
大型セラミックコンデンサに使用される材料は、小型コンデンサに使用される材料とほとんど同じですが、電力系統、送信機、電気設備などの用途で使用される高出力または超高電圧定格のセラミックコンデンサは、歴史的な理由からしばしば別個に分類されます。低出力セラミックコンデンサの標準化は、電子機器の部品として使用される際の電気的および機械的パラメータに重点を置いています。一方、高出力コンデンサの標準化は、地方自治体の規制当局によって定められた、人員と機器の保護に重点を置いています。
現代の電子機器は、これまで「電力」部品の専有領域であった電力レベルを扱う能力を獲得したため、「電子」電力定格と「電気」電力定格の区別は曖昧になってきている。かつては、これら2つの系統の境界はおおよそ無効電力200ボルトアンペア付近であったが、現代のパワーエレクトロニクスはますます大きな電力を扱うことができるようになっている。
パワーセラミックコンデンサは、200ボルトアンペアをはるかに超える定格電流に対応することがほとんどです。セラミック原料の優れた可塑性と高い絶縁耐力により、多くの用途に対応できるソリューションが提供され、パワーセラミックコンデンサの製品群に非常に多様な種類が存在する理由となっています。これらのパワーコンデンサは数十年にわたり市場に出回っており、高安定性と低損失を実現するクラス1パワーセラミックコンデンサ、または高体積効率を実現するクラス2パワーセラミックコンデンサとして、要求仕様に応じて製造されています。
クラス1の電力セラミックコンデンサは、送信局の共振回路用途に使用されます。クラス2の電力セラミックコンデンサは、遮断器、配電線、レーザー用途の高電圧電源、誘導炉、および電圧倍増回路に使用されます。電力セラミックコンデンサは、2 kVから100 kVまでの高定格電圧で供給できます。[ 47 ]
これらのパワーセラミックコンデンサは、非常に大型になる場合があります。高出力用途では、これらのコンデンサの損失によって大量の熱が発生する可能性があります。そのため、一部の特殊なパワーセラミックコンデンサには、水冷用のパイプが備えられています。
セラミックコンデンサのすべての電気的特性は、理想化された容量とコンデンサのすべての損失と誘導パラメータをモデル化した追加の電気部品から構成される直列等価回路によって定義および指定できます。この直列等価回路では、コンデンサの電気的特性は次のように定義されます。
並列等価回路の代わりに直列等価回路を使用することは、IEC/EN 60384-1で規定されている。
「定格容量」C Rまたは「公称容量」C N は、コンデンサが設計された値です。実際の容量は、測定周波数と周囲温度に依存します。コンデンサの標準条件は、20 °Cの温度で周波数の低電圧 AC 測定法です。
コンデンサは、IEC/EN 60063で規定されているEシリーズ規格に従って、幾何級数的に増加するさまざまな推奨値で入手可能です。10年ごとの値の数に応じて、これらはE3、E6、E12、E24などのシリーズと呼ばれていました。コンデンサの値を指定するために使用される単位には、ピコファラド（pF）、ナノファラド（nF）、マイクロファラド（μF）、ファラド（F）などがあります。
定格値からの許容される静電容量の偏差率を静電容量許容差と呼びます。実際の静電容量値は許容範囲内でなければならず、そうでなければコンデンサは規格外となります。狭いスペースでの簡略表示のために、各許容差には文字コードがIEC/EN 60062で規定されています。
必要な静電容量許容誤差は、用途によって異なります。高精度発振器やタイマーなどの回路で使用される高品質のクラス1コンデンサには、E24～E96の狭い許容誤差が使用されます。重要度の低いフィルタリング回路やカップリング回路などの用途では、クラス2コンデンサの場合、E12～E3の許容誤差シリーズで十分です。
セラミックコンデンサの静電容量は温度によって変化します。多くの種類のコンデンサは誘電体が異なるため、温度依存性も大きく異なります。温度係数は、クラス1のセラミックコンデンサでは摂氏1度あたりの百万分率（ppm）で、クラス2のコンデンサでは全温度範囲におけるパーセント（%）で表されます。
ほとんどの個別コンデンサは、周波数の増加に伴い、容量が大きく変化したり小さくなったりします。クラス2のセラミックコンデンサとプラスチックフィルムコンデンサは、周波数の上昇とともに誘電強度が低下します。そのため、容量値は周波数の増加とともに減少します。この現象は誘電緩和に関連しており、誘電率の周波数依存性は電気双極子の時定数に起因します。右側のグラフは、クラス2コンデンサとクラス1コンデンサの典型的な周波数特性を示しています。
セラミックコンデンサの静電容量は、印加電圧によって変化することもあります。この効果は、クラス2のセラミックコンデンサでより顕著です。強誘電体材料は、印加電圧に依存します。[ 48 ] [ 49 ]印加電圧が高いほど、誘電率は低くなります。より高い電圧で測定または印加された静電容量は、標準測定電圧0.5Vまたは1.0Vで測定された値の-80%まで低下する可能性があります。この動作は、低歪みフィルタやその他のアナログアプリケーションにおける非線形性の小さな原因となります。オーディオアプリケーションでは、これが高調波歪み の原因となる可能性があります。
上記の 2 つの図の容量の電圧依存性は、NME メタライゼーションのセラミックコンデンサの曲線を示しています。BME メタライゼーションのコンデンサでは、容量の電圧依存性が大幅に増加しました。[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]
ほとんどのコンデンサでは、誘電体材料と厚さごとに、物理的に調整された絶縁耐力または絶縁破壊電圧を規定することができます。しかし、セラミックコンデンサではこれは不可能です。セラミック誘電体層の絶縁破壊電圧は、電極材料とセラミックの焼結条件によって最大10倍も変動する可能性があります。今日の非常に薄いセラミック層の電気的特性のばらつきを規定の範囲内に抑えるには、プロセスパラメータの高度な精度と制御が必要です。
セラミックコンデンサの耐電圧は、定格電圧（UR）として規定されています。これは、コンデンサに連続的に印加できる最大直流電圧であり、上限温度まで使用可能です。この保証耐電圧は、隣の表に示す電圧に基づいて試験されます。
さらに、定期的な寿命試験（耐久試験）では、安全な構造を確保するために、セラミックコンデンサの耐電圧性を試験電圧を上げて（URの120～150%）試験します。
コンデンサの周波数に依存する交流抵抗はインピーダンスと呼ばれる。インピーダンスは、交流回路における電圧と電流の複素比です。インピーダンスはオームの法則の概念を交流回路に拡張したもので、抵抗とは異なり、特定の周波数において大きさと位相の両方を持ちます。
インピーダンスは、コンデンサが交流電流を流す能力の尺度です。この意味で、インピーダンスはオームの法則のように使用できます。
電流または電圧のピーク値または実効値を計算する。
コンデンサの直列等価回路に示すように、実際の部品には理想的なコンデンサが含まれる。インダクタンス抵抗器。
インピーダンスを計算する抵抗と両方のリアクタンスを幾何学的に加算する必要がある
ここで、容量性リアクタンス（容量）は
誘導リアクタンス（インダクタンス）は
共振の特殊なケースでは、両方のリアクタンスが同じ値を持つ（) の場合、インピーダンスは によってのみ決定されます。
セラミックコンデンサのデータシートにはインピーダンスの大きさのみが記載されている。典型的なインピーダンス曲線は、周波数の増加に伴いインピーダンスが減少し、最小値に達することを示しています。インピーダンスが低いほど、交流電流はコンデンサをより容易に通過できます。曲線の最小点、すなわち共振点（X Cと X Lが同じ値になる点）では、コンデンサのインピーダンス値は最小になります。ここでは、オーム抵抗 ESR のみがインピーダンスを決定します。共振周波数を超えると、ESL の影響によりインピーダンスは再び増加します。
セラミックコンデンサの損失は、オーム性交流損失です。直流損失は「漏洩電流」または「絶縁抵抗」として規定され、交流仕様では無視できます。これらの交流損失は非線形であり、周波数、温度、経年劣化、および一部の特殊なタイプでは湿度に依存する場合があります。損失は、2 つの物理的条件によって発生します。
大型コンデンサにおけるこれらの損失の大部分は、通常、周波数に依存するオーム誘電損失です。IEC 60384-1規格では、コンデンサのオーム損失は、静電容量の測定に使用される周波数と同じ周波数で測定されます。これらは以下のとおりです。
コンデンサの抵抗損失を合計した結果は、用途の要件に応じて、等価直列抵抗（ESR）、損失係数（DF、tan δ）、または品質係数（Q）として指定される。
クラス2コンデンサは、ほとんどの場合、損失係数tan δで規定されます。損失係数は、リアクタンスの正接として決定されます。–ESRは、上記のベクトル図における虚軸とインピーダンス軸の間の角度δとして表すことができます（「インピーダンス」の項を参照）。
インダクタンスがが小さい場合、散逸係数は次のように近似できます。
損失が非常に低いクラス1コンデンサは、損失係数と、多くの場合品質係数（Q値）で規定されます。品質係数は、損失係数の逆数として定義されます。
Q値は電気抵抗の影響を表し、共振器の帯域幅を特徴づける。中心周波数または共振周波数に対して共振回路において、高いQ値は共振の質の高さを示す指標である。
IEC 60384-8/-21/-9/-22 に従って、セラミックコンデンサは次の損失係数を超えてはならない。
セラミックコンデンサの抵抗損失は、周波数、温度、電圧に依存します。さらに、クラス2コンデンサの測定値は経年劣化によって変化します。異なるセラミック材料は、温度範囲と動作周波数において異なる損失を示します。クラス1コンデンサの変化は一桁台ですが、クラス2コンデンサの変化ははるかに大きくなります。
セラミックコンデンサでは、コンデンサのインピーダンスとアドミタンスの虚数部が互いに打ち消し合う特定の共振周波数で電気共振が発生します。X C がX Lと等しくなるこの周波数を自己共振周波数と呼び、以下の式で計算できます。
ここで、ω = 2π fであり、fはヘルツ単位の共振周波数、Lはヘンリー単位のインダクタンス、Cはファラッド単位の静電容量です。
静電容量CとインダクタンスLが小さいほど、共振周波数は高くなります。自己共振周波数は、インピーダンスが最小値をとる最低周波数です。交流アプリケーションでは、自己共振周波数はコンデンサを容量性部品として使用できる最高周波数となります。共振周波数を超えると、ESL（等価直列インダクタンス）によりインピーダンスが再び増加します。つまり、コンデンサはインダクタンスがコンデンサのESLに等しく、抵抗が所定の周波数におけるESRに等しいインダクタになります。
工業用コンデンサにおける等価直列インダクタンス（ESL）は、主に電極板を外部に接続するためのリード線や内部接続部によって生じます。大型コンデンサは小型コンデンサよりもESLが高くなる傾向があります。これは、電極板までの距離が長くなり、1ミリメートルごとにインダクタンスが増加するためです。
セラミックコンデンサは、非常に小さな容量値（pF以上）の範囲で入手可能ですが、すでに数百 MHzまでの高周波に適した容量値は限られています（上記の式を参照）。リードがなく電極が近接しているため、MLCCチップは、リード付きタイプよりも寄生インダクタンスが大幅に低く、高周波アプリケーションに適しています。チップの側面ではなく縦方向に電極を接触させることで、寄生インダクタンスをさらに低減できます。
NP0/C0G 1 セットと X7R 1 セットのセラミックコンデンサのサンプル自己共振周波数は次のとおりです。[ 54 ]
X7RはC0Gよりも周波数特性が優れていることに注意してください。これは当然のことです。なぜなら、クラス2のコンデンサはクラス1のコンデンサよりもはるかに小さいため、寄生インダクタンスも低くなるはずだからです。
強誘電体クラス2セラミックコンデンサでは、静電容量は時間とともに減少します。この挙動は「エージング」と呼ばれます。エージングは強誘電体誘電体で発生し、誘電体中の分極ドメインが全体の分極に寄与します。誘電体中の分極ドメインの劣化により、誘電率が時間とともに低下するため、クラス2セラミックコンデンサの静電容量は部品の経年劣化とともに減少します。[ 55 ] [ 56 ]
経年劣化は対数法則に従います。この法則は、特定の温度におけるはんだ付け回復時間後の時間経過に伴う静電容量の減少率をパーセンテージで表したものです。例えば、20 ℃で1時間から10時間までの期間における減少率です。この法則は対数であるため、静電容量の減少率は1時間 から100時間の間で2倍になり、1時間から1000時間 の間で3倍になるなど、徐々に増加していきます。したがって、経年劣化は初期段階で最も速く進行し、その後、静電容量の値は時間とともに安定していきます。
クラス2コンデンサの劣化率は、主に使用されている材料に依存します。経験則として、セラミックの温度依存性が高いほど、劣化率も高くなります。X7Rセラミックコンデンサの典型的な劣化率は10年あたり約2.5%です[ 57 ]。Z5Uセラミックコンデンサの劣化率は著しく高く、10年あたり最大7%になることがあります。
クラス2コンデンサの劣化プロセスは、部品をキュリー点以上に加熱することで逆転させることができる。[ 2 ]
クラス1コンデンサは、クラス2コンデンサのような強誘電体劣化を起こしません。しかし、高温、高湿度、機械的ストレスなどの環境要因により、長期間にわたって静電容量がわずかに不可逆的に低下することがあり、これは劣化とも呼ばれます。P100 およびN470 クラス1コンデンサの静電容量の変化は1%未満であり、N750 ～ N1500セラミックを使用したコンデンサでは2%以下です。
誘電体の抵抗は決して無限大ではなく、ある程度の直流「漏れ電流」が発生し、これが自己放電の原因となります。セラミックコンデンサの場合、コンデンサの直列等価回路においてコンデンサと並列に接続されたこの抵抗は、「絶縁抵抗 R ins」と呼ばれます。絶縁抵抗は、外部環境に対する絶縁状態と混同してはなりません。
コンデンサ電圧の低下に伴う自己放電率は次の式に従う。
蓄積された直流電圧自己放電定数
つまり、コンデンサ電圧当初の値の37％まで下落した。
絶縁抵抗（単位：MΩ（10⁶Ω ））および自己放電定数（単位：秒）は、誘電体絶縁の品質を示す重要なパラメータです。これらの時間値は、例えばコンデンサをリレーのタイミング部品として使用する場合や、サンプルホールド回路や演算増幅器のように電圧値を記憶する場合などに重要となります。
適用規格に従い、クラス1セラミックコンデンサは、CR ≦ 10nFのコンデンサではRins ≧ 10,000MΩ 、CR ＞ 10nFのコンデンサではτs ≧ 100sを満たします。クラス2セラミックコンデンサは、CR ≦ 25nFのコンデンサではRins ≧ 4,000MΩ 、 CR ＞ 25nFのコンデンサではτs ≧ 100sを満たします。
絶縁抵抗、ひいては自己放電時間は温度に依存し、温度の上昇とともに約 60 ℃あたり1MΩずつ減少する。
誘電吸収とは、長時間充電されたコンデンサが完全に放電しない現象のことです。理想的なコンデンサは放電後も電圧がゼロボルトのままですが、実際のコンデンサでは時間遅延を伴う双極子放電によってわずかな電圧が発生します。この現象は誘電緩和、ソーク、またはバッテリー作用とも呼ばれます。
コンデンサの多くの用途では、誘電体吸収は問題になりませんが、長時間の時定数を持つ積分器、サンプルホールド回路、スイッチドキャパシタ型アナログ-デジタル変換器、非常に低歪みのフィルタなどの一部の用途では、コンデンサが完全放電後に残留電荷を回復しないことが重要であり、低吸収のコンデンサが指定されます。誘電体吸収によって発生する端子電圧は、場合によっては電子回路の機能に問題を引き起こしたり、作業員に安全上のリスクをもたらしたりする可能性があります。感電を防ぐため、電力用コンデンサなどの非常に大きなコンデンサのほとんどは、使用前に取り外す短絡線が取り付けられた状態で出荷されます。[ 58 ]
強誘電体セラミックスを使用したクラス2セラミックコンデンサーはすべて圧電性を示し、マイクロフォニックス、マイクロフォニー、またはオーディオ用途ではスクイーリングと呼ばれる圧電効果があります。[ 59 ]マイクロフォニーとは、電子部品が機械的振動を電気信号に変換する現象で、多くの場合、望ましくないノイズになります。[ 60 ]高感度電子プリアンプは、この効果を避けるために、一般的にクラス1セラミックコンデンサーとフィルムコンデンサーを使用します。[ 60 ]
逆マイクロフォニック効果では、コンデンサプレート間の変化する電界が物理的な力を及ぼし、スピーカーのようにプレートを動かします。[ 60 ]高電流インパルス負荷または高リップル電流は、コンデンサから可聴音を発生させることができますが、コンデンサを放電し、誘電体にストレスを与えます。[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]
セラミックコンデンサは、はんだ付けストレスにより電気的特性が変化する可能性があります。はんだ浴の熱、特にSMDタイプの場合、端子と電極間の接触抵抗が変化する可能性があります。強誘電体クラス2セラミックコンデンサの場合、はんだ付け温度はキュリー点を超えます。誘電体内の分極ドメインが元に戻り、クラス2セラミックコンデンサの劣化プロセスが再び始まります。[ 2 ]
したがって、はんだ付け後には約24時間の回復時間が必要です。回復後、静電容量値、ESR、漏れ電流などの電気的パラメータは不可逆的に変化します。変化率はコンデンサの種類によって異なりますが、低い範囲です。
すべての電気、電子部品および関連技術の標準化は、非営利の非政府国際標準化機関である国際電気標準会議（IEC）[ 64 ]によって定められた規則に従います。[ 65 ] [ 66 ]
電子機器用コンデンサの特性の定義および試験方法の手順は、一般仕様書に規定されている。
電子機器に使用されるセラミックコンデンサが標準品として承認されるために満たすべき試験および要件は、以下のセクション仕様書に規定されている。
多層セラミックコンデンサは、コスト、信頼性、サイズが競争力を持つようになったため、バイパス電源や高周波スイッチング電源などの用途で、タンタルコンデンサや低容量アルミニウム電解コンデンサの代替としてますます使用されています。多くの用途で、ESRが低いため、より低い公称容量値を使用できます。[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]
セラミックコンデンサの特長と欠点については、メイン記事「コンデンサの種類#種類の比較」を参照してください。
スペースが許せば、セラミックコンデンサは他のほとんどの電子部品と同様に、製造元、種類、電気的特性、熱的特性、製造年月日を示す刻印が施されています。理想的な場合、コンデンサが十分に大きい場合は、以下の刻印が施されています。
小型コンデンサでは、限られたスペースにすべての関連情報を表示するために、略記法が用いられます。最も一般的に使用される形式は、XYZ J/K/M VOLTS V です。ここで、XYZ は静電容量（XY × 10 Z pF で計算）、文字 J、K、M は許容誤差（それぞれ ±5%、±10%、±20%）、VOLTS V は動作電圧を表します。
IEC/EN 60062に従って、静電容量、許容誤差、製造年月日は短いコードで識別できます。定格静電容量（マイクロファラッド）の短いマーキングの例：
製造年月日は、国際規格に準拠して印刷されることが多い。
年コード: "R" = 2003年、"S" = 2004年、"T" = 2005年、"U" = 2006年、"V" = 2007年、"W" = 2008年、"X" = 2009年、"A" = 2010年、"B" = 2011年、"C" = 2012年、"D" = 2013年など。
月コード：「1」～「9」＝1月～9月、「O」＝10月、「N」＝11月、「D」＝12月
「X5」は「2009年5月」を意味します。
MLCCチップのような非常に小型のコンデンサには、マーキングを施すことができません。このような場合、製造元のトレーサビリティによってのみ、製品のタイプを特定することができます。
現代のコンデンサの識別には、詳細な色分けは用いられていない。
