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。