Thiết bị này luôn đồng hành cùng bạn, nắm giữ những bí mật nhỏ của bạn, bao gồm mật khẩu thẻ ngân hàng, và bạn phụ thuộc vào nó để phục vụ các nhu cầu cơ bản như ăn uống và giải trí. Bạn sẽ cảm thấy bất an nếu nó biến mất. Bạn có biết đó là gì không? Đúng vậy, đó chính là chiếc điện thoại thông minh.

Các ứng dụng của điện thoại thông minh ngày càng đa dạng, và việc cải thiện tính năng cũng như hiệu suất đã thúc đẩy sự phát triển của các thành phần chip và linh kiện điện tử. Khi các linh kiện điện tử ngày càng được thu nhỏ, việc sử dụng chúng trong điện thoại di động cũng ngày càng trở nên phổ biến.

Trong đó, tụ điện là một thành phần quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm điện tử, phục vụ cho các mục đích như ghép nối, lọc tín hiệu, điều chỉnh vòng mạch, và nhiều ứng dụng khác. Tụ điện trong điện thoại thông minh thường được gọi là MLCC (Multi-Layer Ceramic Capacitors), là loại tụ gốm nhiều lớp.

Định nghĩa

Tụ gốm đa lớp (Multilayer Ceramic Capacitor – MLCC) là một trong những linh kiện thụ động quan trọng trong thiết bị điện tử. Ra đời từ những năm 1960 và được phát triển thành công đầu tiên bởi một công ty Mỹ, sau đó các công ty Hàn Quốc như Murata, TDK, Taiyo Yuden… đã nhanh chóng công nghiệp hóa và phát triển mạnh mẽ. Hiện nay, MLCC vẫn giữ được lợi thế nhờ các đặc tính nổi bật như độ tin cậy cao, độ chính xác cao, dung lượng lớn, tích hợp cao, tần số cao, thông minh, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn và phù hợp với các thiết bị điện tử tiên tiến. Mỗi lớp gốm được phủ một lớp điện cực kim loại để tạo ra điện trường giữa hai tấm dẫn điện. Tụ gốm đa lớp có dung lượng cao và tần số đáp ứng cao hơn so với tụ điện gốm thông thường. Tụ gốm đa lớp có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như bộ lọc tín hiệu, mạch điều khiển động cơ, điều khiển motor, ổn áp, v.v…

Tụ điện MLCC được tạo thành bằng cách xếp chồng và kết hợp nhiều lớp màng điện môi gốm với các điện cực in xen kẽ, sau đó được thiêu kết ở nhiệt độ cao để hình thành tụ MLCC. Nhờ cấu trúc xen kẽ và xếp chồng, tụ MLCC có kích thước nhỏ gọn hơn nhiều so với các loại tụ điện khác, với khối lượng tương đương một hạt gạo, mang lại lợi thế lớn trong các ứng dụng điện thoại thông minh. Tụ điện MLCC sở hữu hiệu suất vượt trội với các ưu điểm như độ tin cậy cao, độ chính xác tốt, khả năng hoạt động ở tần số cao, hỗ trợ trí thông minh, tiêu thụ công suất thấp, kích thước nhỏ gọn và điện dung lớn. Một chiếc điện thoại thông minh sử dụng khoảng 1.000 tụ gốm, trong khi ô tô sử dụng hơn 8.000 tụ. Nhu cầu lớn từ điện thoại thông minh và ô tô khiến tụ điện MLCC trở nên rất phổ biến.

Cách đọc tụ gốm

Các thiết bị tụ điện nói chung, để được sử dụng trong mạch điện cần được tính toán và lựa chọn loại có thông số phù hợp. Tụ điện thông thường được in các thông số, mà người dùng cần biết lên trên thân tụ, tuy nhiên một số loại tụ có kích thước rất nhỏ, việc in tất cả các thông số lên thân tụ sẽ rất khó quan sát.

Vì thế người ta chỉ in lên đó những con số, được quy ước.

Chắc hẳn bạn thường thấy những con tụ được đánh các số ký hiệu 102, 103, 104,… Những loại tụ được ký hiệu bằng chữ số, đơn vị đo điện dung của chúng là picoFara (pF). Tiếp theo chỉ số của tụ được xác định thông qua công thức tính sau:

Tụ được ký hiệu với 3 số “abc”, công thức áp dụng sẽ là: ab * 10^c.

Ví dụ:

• Tụ gốm 104, có điện dung là: 10 * 10^4 = 100000 (pF).
• Tụ gốm 103, có điện dung là: 10 * 10^3 = 10000 (pF).

Đối với những tụ chỉ đánh dấu ký hiệu bằng 2 chữ số, chỉ số điện dung của chúng được đọc trực tiếp, và sử dụng đơn vị là picoFara (pF).

Đối với những tụ gốm được ký hiệu các chữ cái sau cùng, những chữ cái này thể hiện cho mức độ sai số của tụ.

Với: G là 2%, J là 5%, K là 10%,…

Quá trình chế tạo

Tụ điện gốm đa lớp (MLCC) được sản xuất bằng phương pháp đúc băng với các bước sau:

Chuẩn bị bột gốm: Trộn các vật liệu như bari titanate với chất kết dính và dung môi, sau đó nghiền mịn để tạo bột gốm đồng nhất.

Tạo tấm gốm: Bột gốm được hòa với dung môi để tạo hỗn hợp lỏng, được dàn mỏng trên bề mặt phẳng và cắt thành các tấm gốm hình chữ nhật.

In điện cực: Dùng kỹ thuật in lưới để phủ các điện cực kim loại (thường là bạc hoặc paladi) lên các tấm gốm, định hình theo cấu trúc tụ điện.

Xếp lớp: Các tấm gốm có điện cực được xếp chồng, xen kẽ với lớp cách điện (như thủy tinh hoặc gốm) giữa các tấm.

Nén và nung: Các lớp được ép chặt và nung ở nhiệt độ cao khoảng 1200°C để tạo thành một khối gốm rắn chắc.

Gắn đầu nối: Các cực nối được gắn vào khối gốm bằng chất kết dính dẫn điện hoặc hàn.

Kiểm tra chất lượng: Tụ MLCC được kiểm tra kỹ lưỡng về điện dung, định mức điện áp và các đặc tính khác, đồng thời kiểm tra để đảm bảo không có lỗi bề mặt.

Sau khi hoàn thiện, tụ MLCC được đóng gói và chuyển đến khách hàng để sử dụng trong các thiết bị điện tử.

Nguyên lý hoạt động

Tụ điện gốm đa lớp (MLCC) hoạt động bằng cách tích trữ điện tích giữa hai tấm dẫn điện, được ngăn cách bởi một lớp gốm điện môi. Các tấm dẫn điện này là điện cực kim loại, thường làm từ bạc hoặc paladi.

Khi đặt điện áp vào điện cực, điện trường xuất hiện trong lớp gốm, làm các electron phân cực và tạo ra điện tích trên bề mặt điện cực. Dung lượng của tụ MLCC phụ thuộc vào diện tích điện cực, khoảng cách giữa chúng và hằng số điện môi của gốm. Nhờ hằng số điện môi cao, gốm dễ phân cực hơn so với các vật liệu điện môi khác, giúp tụ lưu trữ điện tích hiệu quả hơn.

Tụ MLCC được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử như bộ lọc, mạch dao động hay nguồn điện để tích trữ và giải phóng điện tích. Với điện trở nối tiếp thấp (ESR) và khả năng hoạt động tốt ở tần số cao, MLCC giúp tăng hiệu suất và giảm tổn thất trong các mạch tần số cao.

Ưu và nhược điểm của tụ gốm

Ưu điểm

Những ưu điểm của tụ điện gốm:

Kích thước nhỏ gọn: Tụ điện gốm có kích thước vật lý nhỏ gọn, cho phép tích hợp nhiều tụ vào không gian hạn chế.

Đáng tin cậy: Tụ điện gốm thường có tuổi thọ dài và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ và độ ẩm biến đổi.

Hiệu suất tốt ở tần số cao: Chúng thường hoạt động tốt ở tần số cao và có tổn thất điện năng thấp.

Giá thành thấp: Tụ điện gốm thường có giá thành thấp hơn so với một số loại tụ khác.

Nhược điểm

Một số nhược điểm của tụ điện gốm bao gồm:

Không có khả năng điều chỉnh điện dung: Điện dung của các loại tụ điện gốm, không có khả năng điều chỉnh, mà được giữ ở một ngưỡng cố định, và có sự biến đổi nhỏ theo thời gian hoặc điều kiện làm việc.

Giới hạn về điện dung: Với vật liệu của chất điện môi là gốm, tụ điện khó có thể đạt được mức điện dung cao, nếu có thì kích thước thường rất lớn.

Khả năng chịu điện áp thấp: Tụ điện gốm thường có khả năng chịu điện áp thấp hơn so với một số loại tụ khác, điều này có thể hạn chế ứng dụng của chúng trong các mạch yêu cầu điện áp cao.

Phạm vi sai số: Nếu so sánh với các loại tụ điện khác, tụ gốm có sai số cao hơn.

Kích cỡ

Kích thước của tụ điện gốm đa lớp (MLCC) phụ thuộc vào loại sản phẩm và mục đích sử dụng. Tụ MLCC có nhiều kích cỡ, từ các linh kiện gắn bề mặt nhỏ gọn chỉ vài milimet đến các linh kiện xuyên lỗ lớn hơn, có thể dài và rộng đến vài centimet. Yếu tố quyết định kích thước bao gồm số lượng lớp gốm, độ dày của từng lớp và giá trị điện dung yêu cầu cho ứng dụng cụ thể.