电容器应用发展趋势(高频)

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电容器应用发展趋势

电容器是电子电路中的基本元件之一，有重要而广泛的用途。按应用分类，大多数电容器常分为四种类型：交流耦合，包括旁路（通交流隔直流）；去耦（滤除交流信号或滤除叠加在直流信号上的高频信号或滤除电源、基准电源和信号电路中的低频成分）；有源或无源RC滤波或选频网络；模拟积分器或采样保持电路（捕获和存储电荷）。

现在高速高密度已成为电子产品的重要发展趋势之一。与传统的PCB设计相比，高速高密度PCB设计面临不少新挑战，对所使用的电容器提出很多新要求，很多传统的电容器已不能用于高速高密度PCB。本文结合高速高密度PCB的基本特点，分析了电容器在高频应用时主要寄生参数及其影响，指出了需要纠正或放弃的一些传统认识或做法，总结了适用于高速高密度PCB的电容器的基本特点，介绍了适用于高速高密度PCB的电容器的若干新进展。

大量的理论研究和实践都表明，高速电路必须按高频电路来设计。对高速高密度PCB中使用的电容器，基本要求是高频性能好和占用空间小。实际电容器都有寄生参数。对高速高密度PCB中使用的电容器，寄生参数的影响尤为重要，很多考虑都是从减小寄生参数的影响出发的。

然而，研究表明：电容器在高频应用时，自谐振频率不仅与其自身的寄生电感有关，而且还与PCB上过孔的寄生电感、电容器与其它元件（如芯片）的连接导线（包括印制导线）的寄生电感等都有关系。如果不注意到这一点，查资料或自己估算的自谐振频率可能与实际情况相去甚远。另外，在高频应用时，集肤效应和分布参数使连接导线的电阻明显变大，这部分电阻实际上相当于电容器等效串联电阻的一部分，应一并加以考虑。

2 适用于高速高密度PCB 的电容器的基本特点

在高速高密度PCB设计中，虽然不同的具体应用对电容器的具体要求不尽相同，但大多要求电容器具有以下基本特点。

2.1 片式化

片式电容器的寄生电感几乎为零，总的电感可以减小到元件本身的电感，通常只是传统电容器寄生电感的1/3~1/5，自谐振频率可达同样容量的带引线电容器的2倍（也有资料说可达10倍）。所以，高速高密度PCB中使用的电容器，几乎都选择片式电容器。

2.2 微型化

片式电容器的封装尺寸由1206、0805 向0603、0402、0201 等发展、主流已由0603 过渡到0402。Murata Manufacturing 公司已经生产出 01005 的微型电容器［8］。微型化不仅满足了高密度的需要，而且可以减小寄生参数和分布参数的影响。

2.3 高频化

许多现代电子产品的速度越来越高，计算机的时钟频率提高到几百兆赫乃至千兆赫，无绳电话的频率从45MHz 提高到2400MHZ，数字无线传输的频率达到2GHZ以上。因而信号及其高次谐波引起的噪声也相应地出现在更高的频率范围，相应地对电容器的高频性能提出越来越高的要求。Vishay Intertechnology 公司的基于硅片的表面贴装RF 电容器的自谐振频率已达13GHZ[9]。微型化的片式微波单层瓷介电容器（SLC）的自谐振频率已达50GHZ[10]。

2多功能化

将电容器与其它元件组合在一个封装内（很多已实现了片式化），不仅实现多功能，而且节省PCB 面积、使用方便。Murata Manufacturing 公司在三端片式电容器（叠层型片式穿心电容器，feedthrough filter capacitor）的基础上，又开发出含有电阻器的三端片式电容器NFR 系列、含有电感器的三端片式电容器NFW 系列、含有两个磁珠的三端片式电容器NFL 系列等[8]。Syfer Technology 公司将两个Y 电容器和一个X 电容器集成在一起，构成一个叠层型片式X2Y 电容器组件，可同时抑制共模和差模噪声，其封装尺寸为2012（0805）和3216（1206），用于DC 电源滤波器[11]。AVX 公司经过精心设计叠层型片式穿心滤波电容器内部电路，将70％的寄生支路电感转移成输入/输出线上的串联电感，起到一个T 形低通滤波器的作用，从而显著提高自谐振频率，加宽对噪声抑制的频宽，提高对噪声抑制的强度。该公司还开发了一种新材料，用叠层技术解决了R-C 组合问题，避开了陶瓷膜－银电极－钌系电阻膜共烧的复杂工艺，开发出一系列称之为Z 产品的组件，如R-C 组件、R-C-R 低通滤波器及其阵列等[12]。

3 适用于高速高密度PCB 的电容器的若干新进展

3.1 兼顾几方面性能

有些电容器的发展，追求几方面性能同时兼顾高速高密度PCB 的应用需要。

Vishay Intertechnology 公司推出了业界首款封装尺寸为0603 且基于硅片的表面贴装RF 电容器——HPC0603A[9]。该款电容器是基于Vishay 专有半导体工艺开发的，其构造降低了寄生电感。与传统RF 电容器相比，该款电容器的自谐振频率值高出2～3 倍。高性能、高精度的HPC0603A 的容量范围在3.3～560pF，自谐振频率值高达13GHz。在该范围提供E12 值的HPC0603A 在1MHZ 至数GHZ频率范围内均能稳定运行，寄生电感只有0.046nH。该款电容器的Q 因数达4157、容差为±1%或0.05pF，等效串联电阻也很小。HPC0603A 的面积为

1.60×0.80mm2，高度为0.56mm，并具有6V、10V、16V 及25V 的电压可供选择。HPC0603A 的

高电容范围和相对较小的封装提高了电路Q 值、发送范围和可靠性。HPC 器件的独特结构减少了由于PCB 上的互连线路缩短而引起的寄生现象，并通过缩短组件间的距离提高了电路性能。这种创新设计使电容器的自谐振频率显著提高。

2突出个别方面性能

有些电容器的发展，追求个别方面性能突出，以满某些高速高密度PCB 的特殊应用需要。由于目前的集成元件技术无法做出容量较大的电容器，用现有的技术通过集成电路获得较大的电容非常困难，所以无源元件供应商不断为分立元件开发更小的封装。Murata Manufacturing 公司已开始生产封装尺寸仅为01005 的微型电容器[8]。

这种电容器小到肉眼几乎看不见，占用PCB 的面积和体积分别比0201 电容器缩小50%和70%。该公司的01005 电容器代号为GRM102，COG 系列的容量范围为2～15pF，X5R 系列的容量范围为1000～10000pF。另据报导，Samsung Electro-Mechanics 公司COG 系列01005 陶瓷电容器的容量范围为１～10pF，XR5系列的容量范围为1000～4700pF。

3.3 改进传统电容器

利用相关的新材料、新工艺等改进一些传统的电容器，从根本上克服其主要缺点，充分发挥其优点，以满足高速高密度PCB 的应用需要。

最具代表性的是铝电解电容器，以有机半导体材料如TCNQ（1S/cm）和导电聚合物如聚吡咯（120S/cm）等作为阴极材料研制出固体片式铝电解电容器。由于新型阴极材料具有比传统电解液（10－2S/cm 以下）高得多的电导率，使新型铝电解电容器不仅实现了片式化，而且克服了传统铝电解电容器温度特性和频率特性差的缺点，达到近乎理想电容器的阻抗频率特性，使铝电解电容器的电性能和可靠性有了质的提高，大大拓宽了铝电解电容器的应用范围

3.4 可封装在芯片内的电容器

研制能封装在大规模集成电路（LSI）内部的电容器，也是电容器技术的重要发展方向之一。

ALPS 电气公司正与North 公司联合，开发在LSI 封装的内部底板中封装高电容率薄膜电容器(thin film capacitor)的技术。有关专家认为，工作频率在数GHZ～10GHZ 以上的高速逻辑LSI 必须使用这种技术［14］。此次开发的技术就是指将过去封装在LSI 封装外部的去耦电容器封装到内部。由此将会最大限度地缩短电容器与倒装芯片之间的距离。因封闭内部布线的寄生电感减小了，故开关时即可迅速向倒装芯片供应电荷，结果使电源电压更加稳定。预计这项技术会很快走向实用。

高 Q 微波陶瓷片式电容器研究

无引线片式微波陶瓷电容器是近期发展起来的新型电容器。与一般厚膜式微带陶瓷电容相比，具有自激振荡频率高、微波插入损耗低、剩余电感小、温度系数小的优点，而采用高介电常数制作的陶瓷电容器，可达到芯片般的尺寸，从而可用于与单片微波集成电路（MMIC）相组合，而工作频率可达24GHz.其工作电压一般可达１００V，远较氮化硅芯片电容和MOＳ电容高。由于其尺寸小因而特别适用于微波集总参数电路和宽带电路应用。一般微带电容或芯片内容由于采用单纯镀金工艺，因而在切割时易起皮和损伤，铬铜镍金(CCNA）导带，并采用连续蒸发或连续溅射工艺制取导带，从而省略了电镀工序，使耐焊接可达几十次，并使微波损耗可与钦铂金导带相当。

烧结后材料经内圆切割机切割成所需形状。然后用平面磨床及抛光机制备0.05~0.02mm 基片。再经内圆切割机切割成合适基片0.2*0.2~0.5*0.5，置入专用模具，进行电子束连续蒸发CCNA 四层导带（Cr厚度500埃，Cu厚度3 ~6 微米；Ni 厚度1微米，Au 厚度1000 埃）或溅射CCNA 导带（厚度同上）。导带电阻方值小于0 .003,测试采用CCT -IC 型精密电容测量仪或CC-6 型小电容测量仪测量，对电容器微波损耗则采用HP8755测量。输入驻波采用比较网络在上述同一仪器中测试，最大传输损耗约0 . 3dB 。

l ．关干电容器介质材料的探讨

在片式电容器各类产品中，用于彩电、收录机等的片式电容其介质材料主要用独石类陶瓷制成，其低频特征尚可，但在用于800MHz 以上的工作频率时，其微波损耗较大。在2GHz 以上频率工作时．其频率温度漂移将严重影响电路的稳定性。有些由多层独石陶瓷介质叠合而组成的多层电容器．在较高频率工作时，还会引起附加的电感过大而影响电路的性能。另外，由氮化硅介质组成的薄膜电容器、其微波性能良好，但因该介质其介电常数过低，因而无法获得较大电容量，而较薄的介质层又造成电容器耐压较低，因而也存在较大缺陷。

6010 等微波印制板由于介质损耗较小，因此作为介质材料也能制作电容器，但因其介电常数仅为10 .5 以及温度系数较大，因而使用也受到限制。采用BaTIO3 等铁电陶瓷材料作为介质层制作电容器，其介电数较高，适宜用作小型芯片电容器。但其温度系数及介质损耗略大，因而必需经过适当改进，才能获得用于微波高端的微波电容器。本实验则采用温度系数接近于零而微波损耗极小的微波介质陶瓷作为介质层。该类电容器剩余电感小、Q 值大、自激振荡频率高，完全适用于微波频率应用。此类微波陶瓷材料可分三类，分别适用于

低、中、高三个频段

而介电常数又有40、80、96 等可供选择。而且该类微波介质陶瓷其Q 值可在4000~10000 之间选择。

2.关干降低电容量导带微波损耗及提高可焊性的探讨

在一般小型微波电容器中，厚膜电容器由于采用薄片烧结，丝状连接，因而接触电阻和微波损耗都较大，而一般的超小型（包括氧化硅芯片）电容器都采用常规的铬金工艺，通过电镀加厚〕这种方式有两个缺陷：一是在切割时，过厚的电镀层易在边缘引起剥离，造成台格率低。二是铬金工艺不能实现多次焊接，而且铬金导带在高温下由于铜金间的相互扩散易生成Cu3Au 和Au3Cu。尤其是在采用蒸发工艺制作铜层时，由于针孔的存在，削弱了键合强度。该类针孔在高温熔化后就能观察到，面在铜金界面处靠铜的一侧特别多。本实验由于对镀膜仪进行了适当的改进，实现了四层薄膜连续蒸发，并获得了厚度达5u的导带。由于在铜与金之间掺入了镍层因而有效地阻止了铜金之间相互扩散的发生。本导带在250 ℃五小时老化后的AES 分析完全证实了镍层的阻挡作用。本实验由于采用千洗清洗以及在真空室内一次蒸发CCNA 厚层导带(或溅射CCNA 导带）避免了电镀工艺，因而不仅结合率好，成本低，而且其方阻率低达0.003Q／口，可与钦铂金（0.005Q／口）工艺相当，而且由于镍、铜层的存在，可进行多次焊接，且适应各类表面组装技术和高温工艺。

3.关于微波陶瓷片状电容微调工艺的探讨

对于一般片状电容器在焊接后都无法修正其容量，而对于电路设计者而言则希望在调试时给予修正，特别在用于藕合电容以及滤波器、放大器之类电路时，由于电路装配等原因往往形成附加的感抗或容抗，此时如能在动态测量时修正其电容值，则对电路诡试极为有利，为此，作者曾在集总参数各类检波器（12GH z,18GHz ）放大器上进行实验，一是将电容器上电极制成串联的小方块，以压焊的形式给予连接或断开，从而修正其容量；另一方法是在调试电路时，应用激光进行切割上电极，修正其电容，从而达到动态调制的目的。此类方法特别适用于体积仅为5x 10 x0.3mm的滤波器及6 x 12 x 0 . 6mm 的放大器使用，因这类电路体积极小，用其它方法无法修正容量。而在体积较大的电路中，则可改用超声压焊机（将劈刀改为特制的钨丝钻头）也能实现修正电容上的电极。另外，在使用时也可参照国外同类产品的焊接方法，即一面以导电胶粘结于基片的导电带上，另一面则以压焊金丝形式与另一导电带加以连接。无压焊设备的用户也可将另一面焊接至另一导电带。由于本电容器能耐多次焊接，因而能保证焊接性能良好。