電子部品：セラミックコンデンサ　小型化しやすい理由は何か？

この記事で分かること

セラミックコンデンサ

　日本の電子部品メーカーは、半導体製造分野では後れを取っているものの、コンデンサやセンサーなどの部品分野では、長年にわたり世界市場で強い競争力を保ち続けており、台湾企業による買収も報じられています。

　https://news.yahoo.co.jp/articles/7c65f370b3f25f662f603f1b6f59d590fba4cd46

　日本の電子部品メーカーは、長年にわたって培ってきた高い技術力、品質へのこだわり、そして特定のニッチ分野での圧倒的な強みにより、世界市場でその地位を確固たるものにしています。

　今回は受動部品であるコンデンサのひとつであるセラミックコンデンサについての記事となります。

セラミックコンデンサとは何か

　セラミックコンデンサは、誘電体にセラミックス（陶器）を使用したコンデンサです。小型で安価、高周波特性に優れていることから、電子機器のノイズ除去や高周波回路に広く使われています。

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構造と特徴

　セラミックコンデンサの基本的な構造は、誘電体であるセラミックスの両面に電極を形成したものです。特に、複数の誘電体層と電極層を交互に重ねた積層セラミックコンデンサ（MLCC）が主流です。

• 小型・大容量化: 積層構造により、非常に小さな体積で比較的大きな静電容量を得ることができます。
• 高周波特性: 内部のインダクタンス成分（電流の変化を妨げる性質）が小さいため、高い周波数でも安定した性能を発揮します。この特性がノイズ除去に特に適しています。
• 無極性: プラス・マイナスの極性がなく、回路への接続を気にせず使用できます。
• 温度特性: 使用されるセラミックスの種類によって、静電容量の温度による変化が異なります。この特性に応じて、いくつかのタイプに分類されます。

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用途

　セラミックコンデンサは、その優れた特性から幅広い用途で利用されています。

• ノイズ除去（デカップリング）: マイクロプロセッサやLSIなどのICチップの電源ピン近くに配置し、動作中に発生する高周波ノイズを吸収・除去します。
• フィルタリング: 特定の周波数成分を取り除いたり、通したりするフィルタ回路に組み込まれます。
• 共振回路: 無線通信機器などの高周波回路で、特定の周波数を選び出す共振回路に使用されます。

　スマートフォン、パソコン、自動車の電子制御装置など、私たちの身の回りにあるほとんどの電子機器に不可欠な電子部品です。

なぜ小型化しやすいのか

　セラミックコンデンサが小型化しやすい理由は、積層構造と誘電率の高さにあります。

1. 積層構造

　セラミックコンデンサの主流である積層セラミックコンデンサ（MLCC）は、誘電体である薄いセラミックス層と電極を何層も交互に重ねた構造をしています。これにより、同じ体積でも実質的な電極面積を大幅に増やすことができ、高い静電容量を得られます。この積層技術の進歩が、小型化と大容量化を同時に実現しました。

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2. 誘電率の高さ

　セラミックスの中でも、特にチタン酸バリウム（BaTiO₃）などの誘電率が高い材料が使用されます。誘電率が高いほど、電荷を蓄える能力が大きくなるため、電極面積を小さくしたり、層の数を減らしたりしても、必要な容量を確保できます。

　これらの技術により、スマートフォンやパソコンなど、小型・高機能化が求められる電子機器に不可欠な部品となっています。

電流の変化を妨げる性質が小さい理由は何か

　セラミックコンデンサは、等価直列インダクタンス（ESL）が非常に小さいからです。ESLとは、コンデンサの内部電極や端子に存在するわずかなインダクタンス成分のことで、電流の変化を妨げる性質を持っています。

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ESLが小さい理由

　セラミックコンデンサ、特に主流の積層セラミックコンデンサ（MLCC）は、このESLを極限まで小さくする構造になっています。

1. 積層構造と多数の電極: セラミック誘電体と電極が何層にも重ねられています。この構造により、電流は複数の経路に分散して流れるため、全体のインダクタンスが効果的に低減されます。
2. 電極の幅広さと短さ: 内部電極は幅が広く、長さが短い構造になっています。一般的に、導体のインダクタンスは幅が広いほど、また長さが短いほど小さくなるため、この設計が低ESLに貢献しています。
3. 無極性: 極性がなく、構造が対称的であることも、インダクタンス成分の低減に寄与します。

　これらの特徴により、セラミックコンデンサは高周波領域でもインピーダンスの上昇が少なく、優れた周波数特性を発揮します。このため、高速なデジタル信号を扱う回路や、高周波ノイズを除去するデカップリング用途に不可欠な部品となっています。

タンタル電解コンデンサとの使い分けは

　タンタル電解コンデンサとセラミックコンデンサは、それぞれの特性に基づいて使い分けられます。主に容量の大きさ、周波数特性、そして安定性（DCバイアス特性）が選定のポイントです。

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容量とサイズ

• セラミックコンデンサは、一般的に小容量から中容量の製品が主流です（数pFから数十μF）。積層構造と誘電率の高いセラミックスを用いることで、非常に小型化されています。
• タンタルコンデンサは、セラミックコンデンサよりも大きな中容量から大容量の範囲をカバーします（数μFから数百μF）。同容量のセラミックコンデンサよりもESRが低いという利点もあります。

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周波数特性と安定性

• セラミックコンデンサは、等価直列インダクタンス（ESL）と等価直列抵抗（ESR）が非常に小さいため、高周波領域でもインピーダンスの上昇が少なく、優れた周波数特性を発揮します。このため、マイクロプロセッサやLSIといった高速なデジタル回路のノイズ除去（デカップリング）に不可欠な部品です。しかし、電圧をかけると容量が大きく減少するDCバイアス特性という弱点があります。
• タンタルコンデンサは、セラミックコンデンサよりもESRが低いという利点に加えDCバイアス特性による容量変化がほとんどありません。このため、印加電圧に関わらず安定した容量が必要な電源回路や、アナログ回路のフィルタリングなど、安定性が求められる用途で強みを発揮します。

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その他の特性

• 耐クラック性: セラミックコンデンサは、外部からの応力（基板の反りや実装時の熱衝撃など）でクラック（ひび割れ）が発生しやすいという弱点があります。一方、樹脂でモールドされたタンタルコンデンサは、基板のたわみによるストレスに強く、機械的強度に優れています。
• 安全性: タンタルコンデンサは、故障モードがショートになりやすいという特性があり、適切な設計を行わないと危険な場合があります。

まとめ

　セラミックコンデンサは高速デジタル回路のノイズ除去に、タンタルコンデンサは安定した容量が必要な電源・アナログ回路に、それぞれ適しています。

	セラミックコンデンサ	タンタルコンデンサ
容量	小～中容量	中～大容量
主な用途	高周波ノイズ除去、デカップリング	電源回路の安定化、フィルタリング
強み	超小型、低ESR・ESL、高周波特性、安価	容量の安定性、低ESR、小型、高い信頼性
弱点	DCバイアス特性、クラックの発生リスク	高価、ショート故障のリスク

他のコンデンサが積層しにくい理由は何か

　他のコンデンサはセラミックコンデンサほど積層構造に適していません。これは、各コンデンサの材料と製造プロセスに起因します。

アルミニウム電解コンデンサの場合

　アルミニウム電解コンデンサは、誘電体である酸化皮膜を陽極箔上に電気化学的に形成します。このプロセスは個別の箔に対して行われるため、複数の薄い層を重ねて作る積層構造には適していません。また、電解液を使用する構造上、密閉性が重要となり、積層構造は製造が非常に困難になります。

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フィルムコンデンサの場合

　フィルムコンデンサは、プラスチックフィルムと電極を巻き付けて作るのが一般的です。これは、フィルム状の材料を円筒形にすることで表面積を稼ぐためで、巻き付け構造が基本となります。積層することも可能ですが、セラミックコンデンサのように非常に薄い層を多数重ねることは難しく、製造コストやサイズの問題から、積層構造は主流になっていません。

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セラミックコンデンサの場合

　セラミックコンデンサは、誘電体であるセラミックの粉末を薄いシート状に成形し、その両面に電極を印刷してから焼き固めることで一体化させます。この製造プロセスは、薄いシートを何層も重ねてから一度に焼成する積層構造に非常に適しているため、効率的な生産が可能です。この独自の製造方法が、小型・大容量の積層セラミックコンデンサ（MLCC）を生み出す鍵となっています。