關(guān)于如何選擇高速高密度線路板設(shè)計(jì)中的電容器

現(xiàn)在高速高密度已成為電子產(chǎn)品的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。與傳統(tǒng)的PCB 設(shè)計(jì)相比，高速高密度PCB 設(shè)計(jì)面臨不少新挑戰(zhàn)，對(duì)所使用的電容器提出很多新要求，很多傳統(tǒng)的電容器已不
能用于高速高密度PCB。

為此，我們結(jié)合高速高密度PCB 的基本特點(diǎn)，分析了電容器在高頻應(yīng)用時(shí)主要寄生參數(shù)及其影響，指出了需要糾正或放棄的一些傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)或做法，總結(jié)了適用于高速高密度PCB 的電容器的基本特點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)介紹適用于高速高密度PCB 的電容器的若干新進(jìn)展。

1 電容器高頻應(yīng)用時(shí)寄生參數(shù)的影響

大量的理論研究和實(shí)踐都表明，高速電路必須按高頻電路來(lái)設(shè)計(jì)。對(duì)高速高密度PCB中使用的電容器，基本要求是高頻性能好和占用空間小。實(shí)際電容器都有寄生參數(shù)。對(duì)高速高密度PCB 中使用的電容器，寄生參數(shù)的影響尤為重要，很多考慮都是從減小寄生參數(shù)的影響出發(fā)的。

實(shí)際電容器的寄生參數(shù)較多，主要的寄生參數(shù)是等效串聯(lián)電阻RS 和等效串聯(lián)電感LS。在分析電路時(shí)，為簡(jiǎn)便計(jì)，通常采用圖1 所示的簡(jiǎn)化電容器等效模型。一般認(rèn)為，RS 是由電容器的引腳電阻與電容器兩個(gè)極板的等效電阻串聯(lián)構(gòu)成，LS 是由電容器的引腳電感與電容器兩個(gè)極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成。
電容器的等效阻抗為

在高速高密度PCB 設(shè)計(jì)中，選擇和應(yīng)用電容器時(shí)，需要糾正或放棄一些傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與做法。電容器的實(shí)際應(yīng)用效果，不僅取決于其自身的性能，而且與應(yīng)用設(shè)計(jì)和PCB 上的具體情況密切相關(guān)，只有將這些因素綜合加以考慮，所得出的結(jié)論才能準(zhǔn)確地反映電容器在電路中的作用。

對(duì)電容器較復(fù)雜的應(yīng)用設(shè)計(jì)，作理論分析可能較困難。UltralCAD Design 公司提供專門的計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，能很好地解決這一問(wèn)題。

2 適用于高速高密度PCB 的電容器的基本特點(diǎn)

在高速高密度PCB 設(shè)計(jì)中，雖然不同的具體應(yīng)用對(duì)電容器的具體要求不盡相同，但大多要求電容器具有以下基本特點(diǎn)。

2.1 片式化

片式電容器的寄生電感幾乎為零，總的電感可以減小到元件本身的電感，通常只是傳統(tǒng)電容器寄生電感的1/3~1/5，自諧振頻率可達(dá)同樣容量的帶引線電容器的2 倍（也有資料說(shuō)可達(dá)10 倍）。所以，高速高密度PCB 中使用的電容器，幾乎都選擇片式電容器。

2.2 微型化

片式電容器的封裝尺寸由1206、0805 向0603、0402、0201 等發(fā)展、主流已由0603 過(guò)渡到0402。Murata Manufacturing 公司已經(jīng)生產(chǎn)出 01005 的微型電容器［8］。微型化不僅滿足了高密度的需要，而且可以減小寄生參數(shù)和分布參數(shù)的影響。

2.3 高頻化

許多現(xiàn)代電子產(chǎn)品的速度越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘頻率提高到幾百兆赫乃至千兆赫，無(wú)繩電話的頻率從45MHz 提高到2400MHZ，數(shù)字無(wú)線傳輸?shù)念l率達(dá)到2GHZ以上。因而信號(hào)及其高次諧波引起的噪聲也相應(yīng)地出現(xiàn)在更高的頻率范圍，相應(yīng)地對(duì)電容器的高頻性能提出越來(lái)越高的要求。Vishay Intertechnology 公司的基于硅片的表面貼裝RF 電容器的自諧振頻率已達(dá)13GHZ[9]。微型化的片式微波單層瓷介電容器（SLC）的自諧振頻率已達(dá)50GHZ[10]。

2.4 多功能化

將電容器與其它元件組合在一個(gè)封裝內(nèi)（很多已實(shí)現(xiàn)了片式化），不僅實(shí)現(xiàn)多功能，而且節(jié)省PCB 面積、使用方便。Murata Manufacturing 公司在三端片式電容器（疊層型片式穿心電容器，feedthrough filter capacitor）的基礎(chǔ)上，又開發(fā)出含有電阻器的三端片式電容器NFR 系列、含有電感器的三端片式電容器NFW 系列、含有兩個(gè)磁珠的三端片式電容器NFL系列等[8]。Syfer Technology 公司將兩個(gè)Y 電容器和一個(gè)X 電容器集成在一起，構(gòu)成一個(gè)疊層型片式X2Y 電容器組件，可同時(shí)抑制共模和差模噪聲，其封裝尺寸為2012（0805）和3216（1206），用于DC 電源濾波器[11]。AVX 公司經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)疊層型片式穿心濾波電容器內(nèi)部電路，將70％的寄生支路電感轉(zhuǎn)移成輸入/輸出線上的串聯(lián)電感，起到一個(gè)T 形低通濾波器的作用，從而顯著提高自諧振頻率，加寬對(duì)噪聲抑制的頻寬，提高對(duì)噪聲抑制的強(qiáng)度。

3 適用于高速高密度PCB 的電容器的若干新進(jìn)展

3.1 兼顧幾方面性能

有些電容器的發(fā)展，追求幾方面性能同時(shí)兼顧高速高密度PCB 的應(yīng)用需要。Vishay Intertechnology 公司推出了業(yè)界首款封裝尺寸為0603 且基于硅片的表面貼裝RF電容器——HPC0603A[9]。該款電容器是基于Vishay 專有半導(dǎo)體工藝開發(fā)的，其構(gòu)造降低了寄生電感。與傳統(tǒng)RF 電容器相比，該款電容器的自諧振頻率值高出2～3 倍。高性能、高精度的HPC0603A 的容量范圍在3.3～560pF，自諧振頻率值高達(dá)13GHz。在該范圍提供E12 值的HPC0603A 在1MHZ 至數(shù)GHZ頻率范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運(yùn)行，寄生電感只有0.046nH。該款電容器的Q 因數(shù)達(dá)4157、容差為±1%或0.05pF，等效串聯(lián)電阻也很小。HPC0603A 的面積為1.60×0.80mm2，高度為0.56mm，并具有6V、10V、16V 及25V 的電壓可供選擇。HPC0603A 的高電容范圍和相對(duì)較小的封裝提高了電路Q 值、發(fā)送范圍和可靠性。HPC 器件的獨(dú)特結(jié)構(gòu)減少了由于PCB 上的互連線路縮短而引起的寄生現(xiàn)象，并通過(guò)縮短組件間的距離提高了電路性能。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)使電容器的自諧振頻率顯著提高。

3.2 突出個(gè)別方面性能

有些電容器的發(fā)展，追求個(gè)別方面性能突出，以滿某些高速高密度PCB 的特殊應(yīng)用需要。由于目前的集成元件技術(shù)無(wú)法做出容量較大的電容器，用現(xiàn)有的技術(shù)通過(guò)集成電路獲得較大的電容非常困難，所以無(wú)源元件供應(yīng)商不斷為分立元件開發(fā)更小的封裝。Murata Manufacturing 公司已開始生產(chǎn)封裝尺寸僅為01005 的微型電容器。

這種電容器小到肉眼幾乎看不見，占用PCB 的面積和體積分別比0201 電容器縮小50%和70%。該公司的01005 電容器代號(hào)為GRM102，COG 系列的容量范圍為2～15pF，X5R 系列的容量范圍為1000～10000pF。另?yè)?jù)報(bào)導(dǎo)，Samsung Electro-Mechanics 公司COG 系列01005 陶瓷電容器的容量范圍為１～10pF，XR5系列的容量范圍為1000～4700pF。

3.3 改進(jìn)傳統(tǒng)電容器

利用相關(guān)的新材料、新工藝等改進(jìn)一些傳統(tǒng)的電容器，從根本上克服其主要缺點(diǎn)，充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，以滿足高速高密度PCB 的應(yīng)用需要。具有代表性的是鋁電解電容器，以有機(jī)半導(dǎo)體材料如TCNQ（1S/cm）和導(dǎo)電聚合物如聚吡咯（120S/cm）等作為陰極材料研制出固體片式鋁電解電容器。由于新型陰極材料具有比傳統(tǒng)電解液（10－2S/cm 以下）高得多的電導(dǎo)率，使新型鋁電解電容器不僅實(shí)現(xiàn)了片式化，而且克服了傳統(tǒng)鋁電解電容器溫度特性和頻率特性差的缺點(diǎn)，達(dá)到近乎理想電容器的阻抗頻率特性，使鋁電解電容器的電性能和可靠性有了質(zhì)的提高，大大拓寬了鋁電解電容器的應(yīng)用范圍]。

3.4 可封裝在芯片內(nèi)的電容器

研制能封裝在大規(guī)模集成電路（LSI）內(nèi)部的電容器，也是電容器技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。ALPS 電氣公司正與North 公司聯(lián)合，開發(fā)在LSI 封裝的內(nèi)部底板中封裝高電容率薄膜電容器(thin film capacitor)的技術(shù)。有關(guān)業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，工作頻率在數(shù)GHZ～10GHZ 以上的高速邏輯LSI 必須使用這種技術(shù)。此次開發(fā)的技術(shù)就是指將過(guò)去封裝在LSI 封裝外部的去耦電容器封裝到內(nèi)部。由此將會(huì)更大限度地縮短電容器與倒裝芯片之間的距離。因封閉內(nèi)部布線的寄生電感減小了，故開關(guān)時(shí)即可迅速向倒裝芯片供應(yīng)電荷，結(jié)果使電源電壓更加穩(wěn)定。預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)會(huì)很快走向?qū)嵱?。此類技術(shù)也給高速高密度PCB 設(shè)計(jì)，帶來(lái)新的理念和條件，值得充分重視。

4 結(jié)語(yǔ)

高速高密度PCB 設(shè)計(jì)技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)所使用的電容器性能要求越來(lái)越高；隨著電容器技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型電容器不斷出現(xiàn)；針對(duì)高速高密度PCB 的電容器應(yīng)用技術(shù)的研究不斷深入。這些都使得在高速高密度PCB 設(shè)計(jì)中，恰當(dāng)選用電容器，不是一件簡(jiǎn)單的事。盡管電容器的種類較多，但對(duì)某一具體應(yīng)用，理想的通常只有一兩種。全面認(rèn)識(shí)高速高密度PCB 的特點(diǎn)和電容器的高頻特性，及時(shí)了解相關(guān)的新器件和新技術(shù)，綜合考慮具體應(yīng)用需要、技術(shù)難度、經(jīng)濟(jì)成本等因素，對(duì)恰當(dāng)選用電容器是很有必要的。