摘要：
隨著集成電路（IC）繼續(xù)將更多功能集成到更小的封裝中，仍然需要大量的貼片電容。在諸如鎖相環(huán)（PLL）和開關(guān)調(diào)節(jié)器之類的諧振電路中，可能需要精度為1級的陶瓷電容器。此類電容器必須在整個過程，電壓和溫度變化（PVT）范圍內(nèi)保持緊密的電容范圍，以使主機(jī)IC滿足其性能規(guī)格。相反，幾乎每個IC都需要以去耦和旁路電容的形式使用2級陶瓷電容器。它們還可以在放大器電路，簡單的濾波器和線性穩(wěn)壓器中找到，它們的功能不太依賴嚴(yán)格規(guī)定的阻抗要求。 對二級電容器的這種要求通常會給不知情的設(shè)計(jì)人員帶來陷阱，他們在選擇這些器件時自然會專注于額定電壓，尺寸和成本。當(dāng)頂層應(yīng)用程序受到形狀因素的過度約束時，尤其如此�？梢韵胂筮x擇濾波過程：從一個近似的電容值（即100 nF）開始，選擇一個具有適當(dāng)裕量（即6.3 V）的額定電壓，最hou找到最小的表面貼裝（SMT）封裝（即，0402）和成本組合為其他組件和PCB布線留出空間。
將電壓額定值和電容與封裝尺寸分開考慮似乎是合理的，但其中存在潛在的陷阱。隨著電容器尺寸越來越小，制造商已經(jīng)開發(fā)出新技術(shù)來增加電容密度，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的價位封裝組合。這樣，還引入了依賴關(guān)系，這些依賴關(guān)系可能會在測試過程中產(chǎn)生意想不到的意外。
要了解如何在應(yīng)用中使用電容器，首先重要的是要了解典型的陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)。 最原始的電容器由被絕緣體隔開的兩條導(dǎo)體組成。 先進(jìn)的陶瓷絕緣子用于在小封裝中實(shí)現(xiàn)高電容，許多電容性結(jié)構(gòu)被并行地夾在中間。 多層陶瓷電容器（MLCC）的示例如下所示：
圖1：多層陶瓷電容器（MLCC）的示例。
描述MLCC電容器的簡化公式可寫為：
在此等式中，C為最終電容值，ε為絕緣體的介電常數(shù)，N為層數(shù)，A為電極面積，d為層厚。 為了獲得高電容密度，必須采取幾種方法：必須通過材料的選擇和加工來增加介電常數(shù)； 層數(shù)必須為增加; 層之間的距離必須減小，這也可以使更多的層適合同一包裝。
電容密度的權(quán)衡
高介電常數(shù)主要是電介質(zhì)選擇的函數(shù)。 典型的陶瓷材料，例如二氧化鈦，表現(xiàn)出數(shù)十的相對介電常數(shù)值。 另一方面，鐵電材料可以實(shí)現(xiàn)數(shù)千的相對介電常數(shù)。 大多數(shù)現(xiàn)代MLCC都是使用鈦酸鋇（BaTiO3）制成的，其相對介電常數(shù)最Gao可達(dá)7,000。 實(shí)際上，許多電容器制造專Ye知識都在于該絕緣子的銑削，鑄造和燒結(jié)。
毫無疑問，材料的研究和優(yōu)化將在未來繼續(xù)提供增強(qiáng)的介電性能。 不過，主要的用于最Da化電容密度的旋鈕是層數(shù)和層間距。 在1990年代中期，最小層厚度在5微米范圍內(nèi)，并且通用電容器值是從幾百層建立的。 將近二十年后，最小層的厚度減少了十倍，超過一千層的電容器并不少見。 這種小型化趨勢伴隨著重大的權(quán)衡取舍，在設(shè)計(jì)周期中選擇MLCC時必須考慮這些折衷。
隨著層厚度減小，對于相同的施加電壓，通過電介質(zhì)的電場強(qiáng)度增加。 由于介電材料通常是鐵電的，因此它們的介電常數(shù)會隨著電場強(qiáng)度的增加而降低。 因此，相同的電容器與0805封裝相比，0402封裝中的電容器將具有較差的電壓依賴性特性。 在高電壓下，這可能特別成問題。 下面顯示了一個示例，其中0402電容器在施加50V電壓時喪失了90％的電容容量。
當(dāng)觀察尺寸減小的MLCC的溫度性能時，可以看到類似的趨勢。 下圖演示了并沒有止于此。 電容器的小型化會對許多其他性能參數(shù)產(chǎn)生有害影響，包括紋波電流處理能力，ESD保護(hù)和電氣強(qiáng)度。 這些弱點(diǎn)中的許多弱點(diǎn)在高壓和高功率應(yīng)用中特別明顯。 比性能折衷更值得關(guān)注的是失敗的可能性隨著時間的流逝，尤其是在安全性至關(guān)重要的系統(tǒng)中。電容，0603封裝的有效電容損失幾乎是有效電容的兩倍高溫下的1812封裝。
下圖描述了典型的1微法電容器與之相比的故障率電介質(zhì)厚度，與封裝尺寸直接相關(guān)。 隨著尺寸從1812變?yōu)?603，故障率增加的幅度超過一個數(shù)量級。
小型化的權(quán)衡
制造技術(shù)和材料技術(shù)進(jìn)一步推動了可達(dá)到的電容密度的極限，從而產(chǎn)生了價格極具吸引力的緊湊型電路。 毫無疑問，這種趨勢將繼續(xù)下去，并且在大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)周期的開銷很小。 但是，在特定的應(yīng)用中，積極的小型化伴隨著細(xì)微的性能折衷，這可能會嚴(yán)重阻礙產(chǎn)品的成功。 上面討論了增加的電壓依賴性，溫度敏感性和電氣強(qiáng)度。 如果設(shè)計(jì)人員至少不知道這些折衷是什么以及何時要考慮，那么不良的制造良率，現(xiàn)場故障和保修退貨對下游的影響會很快超過任何產(chǎn)品的潛在成功。
