關於如何選擇高速高密度線路闆設計中的電容器

現在高速高密度已成爲電子産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
能用於高速高密度PCB。

爲此，我們結合高速高密度PCB 的基本特點，分析瞭(le)電容器在高頻應用時主要寄生參數及其影響，指出瞭(le)需要糾正或放棄的一些傳統認識或做法，總結瞭(le)适用於(yú)高速高密度PCB 的電容器的基本特點，同時也會介紹适用於(yú)高速高密度PCB 的電容器的若幹新進展。

1 電(diàn)容器高頻應用時寄生參(cān)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(cān)數。對高速高密度PCB 中使用的電容器，寄生參(cān)數的影響尤爲重要，很多考慮都是從(cóng)減小寄生參(cān)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，爲簡便計，通常採用圖1 所示的簡化電容器等效模型。一般認爲，RS 是由電容器的引腳電阻與電容器兩個極闆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闆的等效電感串聯構成。
電容器的等效阻抗爲

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，不僅取決於(yú)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，隻有将這些因素綜合加以考慮，所得出的結論才能準確(què)地反映電容器在電路中的作用。

對(duì)電(diàn)容器較複雜的應用設計，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 适用於(yú)高速高密度PCB 的電容器的基本特點(diǎn)

在高速高密度PCB 設計中，雖然不同的具體應用對電(diàn)容器的具體要求不盡相同，但大多要求電(diàn)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爲零，總的電感可以減小到元件本身的電感，通常隻是傳(chuán)統電容器寄生電感的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 等發展、主流已由0603 過渡到0402。Murata Manufacturing 公司已經生産出 01005 的微型電容器［8］。微型化不僅滿足瞭(le)高密度的需要，而且可以減小寄生參(cān)數和分布參(cān)數的影響。

2.3 高頻化

許多現代電子産品的速度越來越高，計算機的時鍾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。因而信号及其高次諧波引起的噪聲也相應地出現在更高的頻率範圍，相應地對電容器的高頻性能提出越來越高的要求。Vishay Intertechnology 公司的基於(yú)矽片的表面貼裝RF 電容器的自諧振頻率已達13GHZ[9]。微型化的片式微波單層(céng)瓷介電容器（SLC）的自諧振頻率已達50GHZ[10]。

2.4 多功能化

将電容器與其它元件組合在一個封裝内（很多已實現瞭(le)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 公司将兩個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，其封裝尺寸爲2012（0805）和3216（1206），用於(yú)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内部電路，将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 适用於(yú)高速高密度PCB 的電(diàn)容器的若幹新進展

3.1 兼顧(gù)幾(jǐ)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 公司推出瞭(le)業界首款封裝尺寸爲0603 且基於矽片的表面貼裝RF電容器——HPC0603A[9]。該款電容器是基於Vishay 專有半導體工藝開發的，其構造降低瞭(le)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 的容量範圍在3.3～560pF，自諧振頻率值高達13GHz。在該範圍提供E12 值的HPC0603A 在1MHZ 至數GHZ頻率範圍内均能穩定運行，寄生電感隻有0.046nH。該款電容器的Q 因數達4157、容差爲±1%或0.05pF，等效串聯電阻也很小。HPC0603A 的面積爲1.60×0.80mm2，高度爲0.56mm，並(bìng)具有6V、10V、16V 及25V 的電壓可供選擇。HPC0603A 的高電容範圍和相對較小的封裝提高瞭(le)電路Q 值、發送範圍和可靠性。HPC 器件的獨特結構減少瞭(le)由於PCB 上的互連線路縮短而引起的寄生現象，並(bìng)通過縮短組件間的距離提高瞭(le)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(gè)别方面性能

有些電容器的發展，追求個别方面性能突出，以滿某些高速高密度PCB 的特殊應用需要。由於(yú)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爲分立元件開發更小的封裝。Murata Manufacturing 公司已開始生産(chǎn)封裝尺寸僅爲01005 的微型電容器。

這種電容器小到肉眼幾乎看不見，占用PCB 的面積和體積分别比0201 電容器縮小50%和70%。該公司的01005 電容器代号爲GRM102，COG 系列的容量範圍爲2～15pF，X5R 系列的容量範圍爲1000～10000pF。另據報(bào)導(dǎo)，Samsung Electro-Mechanics 公司COG 系列01005 陶瓷電容器的容量範圍爲１～10pF，XR5系列的容量範圍爲1000～4700pF。

3.3 改進傳(chuán)統電(diàn)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）等作爲陰極材料研制出固體片式鋁電解電容器。由於(yú)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瞭(le)片式化，而且克服瞭(le)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瞭(le)質的提高，大大拓寬瞭(le)鋁電解電容器的應用範圍]。

3.4 可封裝(zhuāng)在芯片内的電(diàn)容器

研制能封裝在大規模集成電路（LSI）内部的電容器，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 封裝的内部底闆中封裝高電容率薄膜電容器(thin film capacitor)的技術。有關業内人士認爲，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将過去封裝在LSI 封裝外部的去耦電容器封裝到内部。由此将會更大限度地縮短電容器與倒裝芯片之間的距離。因封閉(bì)内部布線的寄生電感減小瞭(le)，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；随著(zhe)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，理想的通常隻有一兩種。全面認識高速高密度PCB 的特點和電容器的高頻特性，及時瞭(le)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。