片狀獨(dú)石陶瓷電容器——高性能半導(dǎo)體器件不可或缺的元件
電阻器、電容器、電感器。這些被公認(rèn)為較平常的無源部件，實(shí)際上卻是最尖端電子設(shè)備不可或缺的部分。尤其對最尖端的半導(dǎo)體器件而言，片狀獨(dú)石陶瓷電容器更是極為重要的。可以說，沒有片狀獨(dú)石陶瓷電容器的話，就無法正常地運(yùn)作。在電子行業(yè)曾一度有觀點(diǎn)認(rèn)為“電容器遲早會被半導(dǎo)體器件所取代”。而實(shí)際上，片狀獨(dú)石陶瓷電容器與半導(dǎo)體器件的進(jìn)化相同步，其重要性也愈發(fā)增強(qiáng)。
片狀獨(dú)石陶瓷電容器的尺寸比砂糖粒還要小。對于這一微小部件在電子設(shè)備中所起到的作用，大家知道多少呢。片狀獨(dú)石陶瓷電容器擔(dān)負(fù)著為半導(dǎo)體器件提供電力供應(yīng)的支持，消除導(dǎo)致誤操作及性能下降的噪聲等等重要的職責(zé)。而且，以最尖端微細(xì)加工技術(shù)制造的微處理器、DSP、MCU及FPGA等半導(dǎo)體器件，如果沒有片狀獨(dú)石陶瓷電容器的話也無法正常工作。
小型化和大容量化的歷史
圖1：片狀獨(dú)石陶瓷電容器的構(gòu)造
通過反復(fù)層疊介電體層和內(nèi)部電極，實(shí)現(xiàn)大靜電容量。
目前，片狀獨(dú)石陶瓷電容器的市場規(guī)模在鋁電解電容器、鉭電解電容器及薄膜電容器等各種電容器中最大。2008年日本國內(nèi)供貨量為6278億個，日本國內(nèi)供貨金額達(dá)到3059億日元（數(shù)字取自日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的《機(jī)械統(tǒng)計》）。位居第二位的是鋁電解電容器，日本國內(nèi)供貨量為182億個，日本國內(nèi)供貨金額為1743億日元。兩者間差距巨大。
雖然目前片狀獨(dú)石陶瓷電容器在電容器市場上獨(dú)占鰲頭，但在面世之初卻一度不被市場所接受。提出片狀獨(dú)石陶瓷電容器設(shè)想的是美國企業(yè)。在1961年起美國開始實(shí)施阿波羅計劃的過程中，出現(xiàn)了對小型、大靜電容量電容器的需求，應(yīng)運(yùn)而生的便是片狀獨(dú)石陶瓷電容器。通過在超薄介電體上形成電極并進(jìn)行多層重疊，從而實(shí)現(xiàn)了小體積但具備大靜電容量的電容器（圖1）。
村田制作所迅速導(dǎo)入該技術(shù)，并于1965年向市場投放首款產(chǎn)品。村田制作所推出的是用于中波收音機(jī)中的LC共振電路的100pF產(chǎn)品，是由厚度為50μm的介電體膜重疊而成。介電體材料采用氧化鈦（TiO2）“剛推出市場時完全賣不動。不過，以超薄型卡片收音機(jī)的亮相為契機(jī)，體積比其他電容器小得多的片狀獨(dú)石陶瓷電容器的市場得到了迅速擴(kuò)大”（村田制作所 元器件事業(yè)本部 本部長山內(nèi)公則）。
之后的片狀獨(dú)石陶瓷電容器的歷史也許可以用“小型化和大容量化的歷史”來概括。通常電容器的靜電容量C可用
C＝εS/d
來表示。其中，ε為介電率，S為電極面積，d為電極間距離（介電體的厚度）。也就是說，要想在固定體積下增加靜電容量的話，只有采用ε值高的材料，或者減薄介電體。
在介電體材料方面，雖然在產(chǎn)品化的初期采用的是氧化鈦，但在較早階段就已導(dǎo)入鈦酸鋇（BaTiO3）。之后，通過進(jìn)一步改進(jìn)該材料，介電率得到不斷提高，目前已達(dá)到3000左右。這一數(shù)值要比氧化鈦僅為幾十水平的介電率大兩位數(shù)。
從介電體的厚度來看，推出之初為50μm，之后逐漸減薄，目前僅為0.5μm。也就是說，與推出之初相比，介電率提高了100倍，厚度減少至1/100。厚度減至1/100的話，便可將層疊數(shù)增多100倍。因此，從靜電容量來看，在相同體積條件下相當(dāng)于增加到了100萬倍。而反過來從體積來看，就意味著在相同靜電容量條件下可實(shí)現(xiàn)1/100萬倍的小型化。
去耦用途占到市場份額的7成
表1 電子設(shè)備中配備的片狀獨(dú)石陶瓷電容器的數(shù)量
如上所述，片狀獨(dú)石陶瓷電容器被廣泛用于配備在微處理器、DSP、MCU及FPGA等半導(dǎo)體器件的周圍電路，以使這些半導(dǎo)體器件能夠正常工作。配備的個數(shù)（總數(shù)）非常多。比如，筆記本PC約為730個，手機(jī)為230個，數(shù)碼攝像機(jī)及導(dǎo)航儀甚至要使用多達(dá)1000個左右（表1）。
這些片狀獨(dú)石陶瓷電容器的作用大致分為兩種。一是為半導(dǎo)體器件提供電力供應(yīng)的支持。一般而言，半導(dǎo)體器件根據(jù)不同的工作狀態(tài)，所需電流會有很大變化。有時會突然需要大量電力。當(dāng)遇到這種負(fù)荷突變的情況時，配備在相對較遠(yuǎn)部位的電源電路（DC-DC轉(zhuǎn)換器等）會無法迅速滿足需求。因此，事先在配備在半導(dǎo)體器件周圍的電容器中先積蓄電力，由電容器來滿足突然出現(xiàn)的供電需求（圖2）。
圖2：幫助半導(dǎo)體芯片工作的去耦電容器
半導(dǎo)體器件的周圍通常配備有大量去耦電容器。作用有兩個。一是向半導(dǎo)體器件供應(yīng)電力。另一個是使噪聲成分直達(dá)電源/接地層。去耦電容器大致使用三種電容器。分別為鉭電解電容器、大容量的片狀獨(dú)石陶瓷電容器，以及ESL（等效串聯(lián)電感）極低的片狀獨(dú)石陶瓷電容器。（點(diǎn)擊放大）
另一個作用是去除導(dǎo)致EMI（Electro-Magnetic Interference，電磁干擾）的噪聲成分。也就是濾波器作用。通過利用電容器高頻阻抗較低這一特點(diǎn)，使高頻噪聲成分到達(dá)電源/接地層。
一般而言，前一種作用被稱為去耦電容器，后一種作用被稱為旁路電容器。而大容量片狀獨(dú)石陶瓷電容器則可同時承擔(dān)這兩種作用。
繼去耦及旁路之后，用途較多的是配備在DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出部分用作平滑濾波器。原來該用途廣泛使用的是鋁電解電容器及鉭電解電容器。但是，業(yè)內(nèi)為使電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化和薄型化，從20世紀(jì)90年代下半期開始使用片狀獨(dú)石陶瓷電容器。
片狀獨(dú)石陶瓷電容器之所以得以在該用途中應(yīng)用，電源半導(dǎo)體廠商的努力功不可沒。用作平滑濾波器的電容器構(gòu)成了DC-DC轉(zhuǎn)換器中反饋控制環(huán)路的一個部分。因此，等效串聯(lián)阻抗（ESR：Equivalent Series Resistance）過小的話，控制環(huán)路的相位余量就會變小，容易發(fā)生DC-DC轉(zhuǎn)換器無法穩(wěn)定工作的問題。
而另一方面，電子設(shè)備廠商又對DC-DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)小型薄型化有著強(qiáng)烈的需求。因此，電源半導(dǎo)體廠商通過改進(jìn)DC-DC轉(zhuǎn)換器IC的控制電路，使得使用片狀獨(dú)石陶瓷電容器成為現(xiàn)實(shí)。從2000年起，電源半導(dǎo)體廠商開始以能夠使用片狀獨(dú)石陶瓷電容器為賣點(diǎn)，向電子設(shè)備廠商推銷DC-DC轉(zhuǎn)換器IC。
現(xiàn)在，僅去耦和平滑濾波器用途就已占到片狀獨(dú)石陶瓷電容器市場份額的約7成。此外，用量較大的用途是高頻濾波器用途、阻抗匹配用途以及溫度補(bǔ)償用途等。
編輯：admin 最后修改時間：2017-09-05
