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        關于如何選擇高速高密度線路板設計中的電容器

        信息來源:本站 | 發布日期: 2012-07-10 09:11:54 | 瀏覽量:110209

        摘要:

        現在高速高密度已成為電子產品的重要發展趨勢之一。與傳統的PCB 設計相比,高速高密度PCB 設計面臨不少新挑戰,對所使用的電容器提出很多新要求,很多傳統的電容器已不能用于高速高密度PCB。為此,我們結合高速高密度PCB 的基本特點,分析了電容器在高頻應用時主要寄生參…

        現在高速高密度已成為電子產品的重要發展趨勢之一。與傳統的PCB 設計相比,高速高密度PCB 設計面臨不少新挑戰,對所使用的電容器提出很多新要求,很多傳統的電容器已不
        能用于高速高密度PCB。

        為此,我們結合高速高密度PCB 的基本特點,分析了電容器在高頻應用時主要寄生參數及其影響,指出了需要糾正或放棄的一些傳統認識或做法,總結了適用于高速高密度PCB 的電容器的基本特點,同時也會介紹適用于高速高密度PCB 的電容器的若干新進展。

        1 電容器高頻應用時寄生參數的影響

        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。對高速高密度PCB 中使用的電容器,寄生參數的影響尤為重要,很多考慮都是從減小寄生參數的影響出發的。

        實際電容器的寄生參數較多,主要的寄生參數是等效串聯電阻RS 和等效串聯電感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構成,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構成。
        電容器的等效阻抗為

        在高速高密度PCB 設計中,選擇和應用電容器時,需要糾正或放棄一些傳統的認識與做法。電容器的實際應用效果,不僅取決于其自身的性能,而且與應用設計和PCB 上的具體情況密切相關,只有將這些因素綜合加以考慮,所得出的結論才能準確地反映電容器在電路中的作用。

        對電容器較復雜的應用設計,作理論分析可能較困難。UltralCAD Design 公司提供專門的計算機輔助分析軟件,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 設計中,雖然不同的具體應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,通常只是傳統電容器寄生電感的1/3~1/5,自諧振頻率可達同樣容量的帶引線電容器的2 倍(也有資料說可達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 等發展、主流已由0603 過渡到0402。Murata Manufacturing 公司已經生產出 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和分布參數的影響。

        2.3 高頻化

        許多現代電子產品的速度越來越高,計算機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,數字無線傳輸的頻率達到2GHZ以上。因而信號及其高次諧波引起的噪聲也相應地出現在更高的頻率范圍,相應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(很多已實現了片式化),不僅實現多功能,而且節省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)的基礎上,又開發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 公司經過精心設計疊層型片式穿心濾波電容器內部電路,將70%的寄生支路電感轉移成輸入/輸出線上的串聯電感,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度。

        3 適用于高速高密度PCB 的電容器的若干新進展

        3.1 兼顧幾方面性能

        有些電容器的發展,追求幾方面性能同時兼顧高速高密度PCB 的應用需要。Vishay Intertechnology 公司推出了業界首款封裝尺寸為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 專有半導體工藝開發的,其構造降低了寄生電感。與傳統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13GHz。在該范圍提供E12 值的HPC0603A 在1MHZ 至數GHZ頻率范圍內均能穩定運行,寄生電感只有0.046nH。該款電容器的Q 因數達4157、容差為±1%或0.05pF,等效串聯電阻也很小。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、發送范圍和可靠性。HPC 器件的獨特結構減少了由于PCB 上的互連線路縮短而引起的寄生現象,并通過縮短組件間的距離提高了電路性能。這種創新設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 的特殊應用需要。由于目前的集成元件技術無法做出容量較大的電容器,用現有的技術通過集成電路獲得較大的電容非常困難,所以無源元件供應商不斷為分立元件開發更小的封裝。Murata Manufacturing 公司已開始生產封裝尺寸僅為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。另據報導,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 改進傳統電容器

        利用相關的新材料、新工藝等改進一些傳統的電容器,從根本上克服其主要缺點,充分發揮其優點,以滿足高速高密度PCB 的應用需要。具有代表性的是鋁電解電容器,以有機半導體材料如TCNQ(1S/cm)和導電聚合物如聚吡咯(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電解液(10-2S/cm 以下)高得多的電導率,使新型鋁電解電容器不僅實現了片式化,而且克服了傳統鋁電解電容器溫度特性和頻率特性差的缺點,達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的提高,大大拓寬了鋁電解電容器的應用范圍]。

        3.4 可封裝在芯片內的電容器

        研制能封裝在大規模集成電路(LSI)內部的電容器,也是電容器技術的重要發展方向之一。ALPS 電氣公司正與North 公司聯合,開發在LSI 封裝的內部底板中封裝高電容率薄膜電容器(thin film capacitor)的技術。有關業內人士認為,工作頻率在數GHZ~10GHZ 以上的高速邏輯LSI 必須使用這種技術。此次開發的技術就是指將過去封裝在LSI 封裝外部的去耦電容器封裝到內部。由此將會更大限度地縮短電容器與倒裝芯片之間的距離。因封閉內部布線的寄生電感減小了,故開關時即可迅速向倒裝芯片供應電荷,結果使電源電壓更加穩定。預計這項技術會很快走向實用。此類技術也給高速高密度PCB 設計,帶來新的理念和條件,值得充分重視。

        4 結語

        高速高密度PCB 設計技術不斷發展,對所使用的電容器性能要求越來越高;隨著電容器技術的不斷進步,新型電容器不斷出現;針對高速高密度PCB 的電容器應用技術的研究不斷深入。這些都使得在高速高密度PCB 設計中,恰當選用電容器,不是一件簡單的事。盡管電容器的種類較多,但對某一具體應用,理想的通常只有一兩種。全面認識高速高密度PCB 的特點和電容器的高頻特性,及時了解相關的新器件和新技術,綜合考慮具體應用需要、技術難度、經濟成本等因素,對恰當選用電容器是很有必要的。

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