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高速高密度PCB設(shè)計中電容器的選擇

作者: 時間:2011-04-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
電容器是電子電路中的基本元件之一,有重要而廣泛的用途。按應(yīng)用分類,大多數(shù)電容
器常分為四種類型:交流耦合,包括旁路(通交流隔直流);去耦(濾除交流信號或濾除疊
加在直流信號上的高頻信號或濾除電源、基準(zhǔn)電源和信號電路中的低頻成分);有源或無源
RC 濾波或選頻網(wǎng)絡(luò);模擬積分器或采樣保持電路(捕獲和存儲電荷)。電容器的種類很多,
分類方法也較多,根據(jù)制造材料和工藝的不同,常用的有以下幾類:NPO 陶瓷電容器、聚苯
乙烯陶瓷電容器、聚丙稀電容器、聚四氟乙烯電容器、MOS 電容器、聚碳酸酯電容器、聚酯
電容器、單片陶瓷電容器、云母電容器、鋁電解電容器、鉭電解電容器等。這些電容器各有
其特點,以滿足不同的應(yīng)用需要。
現(xiàn)在高速高密度已成為電子產(chǎn)品的重要發(fā)展趨勢之一。與傳統(tǒng)的PCB 設(shè)計相比,高速高
密度PCB 設(shè)計面臨不少新挑戰(zhàn),對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。本文結(jié)合高速高密度PCB 的基本特點,分析了電容器在高頻應(yīng)用時
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,介紹了適用于高速高密度PCB 的電容器的若干新進(jìn)展。
1 電容器高頻應(yīng)用時寄生參數(shù)的影響
大量的理論研究和實踐都表明,高速電路必須按高頻電路來設(shè)計。對高速高密度PCB
中使用的電容器,基本要求是高頻性能好和占用空間小。實際電容器都有寄生參數(shù)。對高速
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,為簡便計,通常采用圖1 所示的簡化電容器等效模型。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
容器兩個極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成。
電容器的等效阻抗為

以使電容器有盡可能小的阻抗和盡可能高的自諧振頻率。

可見,在高速高密度PCB 設(shè)計中,選擇和應(yīng)用電容器時,需要糾正或放棄一些傳統(tǒng)的認(rèn)
識與做法。電容器的實際應(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。
對電容器較復(fù)雜的應(yīng)用設(shè)計,作理論分析可能較困難。UltralCAD Design 公司提供專
門的計算機(jī)輔助分析軟件,能很好地解決這一問題。
2 適用于高速高密度PCB 的電容器的基本特點
在高速高密度PCB 設(shè)計中,雖然不同的具體應(yīng)用對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。
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
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)品的速度越來越高,計算機(jī)的時鐘頻率提高到幾百兆赫乃至千兆赫,無繩電
話的頻率從45MHz 提高到2400MHZ,數(shù)字無線傳輸?shù)念l率達(dá)到2GHZ以上。因而信號及其高次
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)地對電容器的高頻性能提出越來越高
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封裝內(nèi)(很多已實現(xiàn)了片式化),不僅實現(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、含有兩個磁珠的三端片式電容器NFL
系列等[8]。Syfer Technology 公司將兩個Y 電容器和一個X 電容器集成在一起,構(gòu)成一個
疊層型片式X2Y 電容器組件,可同時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)過精心設(shè)計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T 形低通濾波
器的作用,從而顯著提高自諧振頻率,加寬對噪聲抑制的頻寬,提高對噪聲抑制的強(qiáng)度。該
公司還開發(fā)了一種新材料,用疊層技術(shù)解決了R-C 組合問題,避開了陶瓷膜-銀電極-釕系
電阻膜共燒的復(fù)雜工藝,開發(fā)出一系列稱之為Z 產(chǎn)品的組件,如R-C 組件、R-C-R 低通濾波
器及其陣列等[12]。
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,并通過縮短組件間的距離提高了電路性
能。這種創(chuàng)新設(shè)計使電容器的自諧振頻率顯著提高。
3.2 突出個別方面性能
有些電容器的發(fā)展,追求個別方面性能突出,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)無法做出容量較大的電容器,用現(xiàn)有的技術(shù)通過集成電路獲得較大
的電容非常困難,所以無源元件供應(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[8]。
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。另據(jù)報導(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,充分發(fā)揮
其優(yōu)點,以滿足高速高密度PCB 的應(yīng)用需要。
最具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,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
[13]。
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)專家認(rèn)為,工作頻率在數(shù)GHZ~10GHZ 以上的高速邏


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