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关于如何选择高速高密度线路板设计中的电容器
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现在高速高密度已成为电子产品的重要发展趋势之一。与传统的PCB 设计相比,高速高密度PCB 设计面临不少新挑战,对所使用的电容器提出很多新要求,很多传统的电容器已不
能用于高速高密度PCB。

为此,我们结合高速高密度PCB 的基本特点,分析了电容器在高频应用时主要寄生参数及其影响,指出了需要纠正或放弃的一些传统认识或做法,总结了适用于高速高密度PCB 的电容器的基本特点,同时也会介绍适用于高速高密度PCB 的电容器的若干新进展。

1 电容器高频应用时寄生参数的影响

大量的理论研究和实践都表明,高速电路必须按高频电路来设计。对高速高密度PCB中使用的电容器,基本要求是高频性能好和占用空间小。实际电容器都有寄生参数。对高速高密度PCB 中使用的电容器,寄生参数的影响尤为重要,很多考虑都是从减小寄生参数的影响出发的。

实际电容器的寄生参数较多,主要的寄生参数是等效串联电阻RS 和等效串联电感LS。在分析电路时,为简便计,通常采用图1 所示的简化电容器等效模型。一般认为,RS 是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻串联构成,LS 是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成。
电容器的等效阻抗为

在高速高密度PCB 设计中,选择和应用电容器时,需要纠正或放弃一些传统的认识与做法。电容器的实际应用效果,不仅取决于其自身的性能,而且与应用设计和PCB 上的具体情况密切相关,只有将这些因素综合加以考虑,所得出的结论才能准确地反映电容器在电路中的作用。

对电容器较复杂的应用设计,作理论分析可能较困难。UltralCAD Design 公司提供专门的计算机辅助分析软件,能很好地解决这一问题。

2 适用于高速高密度PCB 的电容器的基本特点

在高速高密度PCB 设计中,虽然不同的具体应用对电容器的具体要求不尽相同,但大多要求电容器具有以下基本特点。

2.1 片式化

片式电容器的寄生电感几乎为零,总的电感可以减小到元件本身的电感,通常只是传统电容器寄生电感的1/3~1/5,自谐振频率可达同样容量的带引线电容器的2 倍(也有资料说可达10 倍)。所以,高速高密度PCB 中使用的电容器,几乎都选择片式电容器。

2.2 微型化

片式电容器的封装尺寸由1206、0805 向0603、0402、0201 等发展、主流已由0603 过渡到0402。Murata Manufacturing 公司已经生产出 01005 的微型电容器[8]。微型化不仅满足了高密度的需要,而且可以减小寄生参数和分布参数的影响。

2.3 高频化

许多现代电子产品的速度越来越高,计算机的时钟频率提高到几百兆赫乃至千兆赫,无绳电话的频率从45MHz 提高到2400MHZ,数字无线传输的频率达到2GHZ以上。因而信号及其高次谐波引起的噪声也相应地出现在更高的频率范围,相应地对电容器的高频性能提出越来越高的要求。Vishay Intertechnology 公司的基于硅片的表面贴装RF 电容器的自谐振频率已达13GHZ[9]。微型化的片式微波单层瓷介电容器(SLC)的自谐振频率已达50GHZ[10]。

2.4 多功能化

将电容器与其它元件组合在一个封装内(很多已实现了片式化),不仅实现多功能,而且节省PCB 面积、使用方便。Murata Manufacturing 公司在三端片式电容器(叠层型片式穿心电容器,feedthrough filter capacitor)的基础上,又开发出含有电阻器的三端片式电容器NFR 系列、含有电感器的三端片式电容器NFW 系列、含有两个磁珠的三端片式电容器NFL系列等[8]。Syfer Technology 公司将两个Y 电容器和一个X 电容器集成在一起,构成一个叠层型片式X2Y 电容器组件,可同时抑制共模和差模噪声,其封装尺寸为2012(0805)和3216(1206),用于DC 电源滤波器[11]。AVX 公司经过精心设计叠层型片式穿心滤波电容器内部电路,将70%的寄生支路电感转移成输入/输出线上的串联电感,起到一个T 形低通滤波器的作用,从而显著提高自谐振频率,加宽对噪声抑制的频宽,提高对噪声抑制的强度。

3 适用于高速高密度PCB 的电容器的若干新进展

3.1 兼顾几方面性能

有些电容器的发展,追求几方面性能同时兼顾高速高密度PCB 的应用需要。Vishay Intertechnology 公司推出了业界首款封装尺寸为0603 且基于硅片的表面贴装RF电容器——HPC0603A[9]。该款电容器是基于Vishay 专有半导体工艺开发的,其构造降低了寄生电感。与传统RF 电容器相比,该款电容器的自谐振频率值高出2~3 倍。高性能、高精度的HPC0603A 的容量范围在3.3~560pF,自谐振频率值高达13GHz。在该范围提供E12 值的HPC0603A 在1MHZ 至数GHZ频率范围内均能稳定运行,寄生电感只有0.046nH。该款电容器的Q 因数达4157、容差为±1%或0.05pF,等效串联电阻也很小。HPC0603A 的面积为1.60×0.80mm2,高度为0.56mm,并具有6V、10V、16V 及25V 的电压可供选择。HPC0603A 的高电容范围和相对较小的封装提高了电路Q 值、发送范围和可靠性。HPC 器件的独特结构减少了由于PCB 上的互连线路缩短而引起的寄生现象,并通过缩短组件间的距离提高了电路性能。这种创新设计使电容器的自谐振频率显著提高。

3.2 突出个别方面性能

有些电容器的发展,追求个别方面性能突出,以满某些高速高密度PCB 的特殊应用需要。由于目前的集成元件技术无法做出容量较大的电容器,用现有的技术通过集成电路获得较大的电容非常困难,所以无源元件供应商不断为分立元件开发更小的封装。Murata Manufacturing 公司已开始生产封装尺寸仅为01005 的微型电容器。

这种电容器小到肉眼几乎看不见,占用PCB 的面积和体积分别比0201 电容器缩小50%和70%。该公司的01005 电容器代号为GRM102,COG 系列的容量范围为2~15pF,X5R 系列的容量范围为1000~10000pF。另据报导,Samsung Electro-Mechanics 公司COG 系列01005 陶瓷电容器的容量范围为1~10pF,XR5系列的容量范围为1000~4700pF。

3.3 改进传统电容器

利用相关的新材料、新工艺等改进一些传统的电容器,从根本上克服其主要缺点,充分发挥其优点,以满足高速高密度PCB 的应用需要。具代表性的是铝电解电容器,以有机半导体材料如TCNQ(1S/cm)和导电聚合物如聚吡咯(120S/cm)等作为阴极材料研制出固体片式铝电解电容器。由于新型阴极材料具有比传统电解液(10-2S/cm 以下)高得多的电导率,使新型铝电解电容器不仅实现了片式化,而且克服了传统铝电解电容器温度特性和频率特性差的缺点,达到近乎理想电容器的阻抗频率特性,使铝电解电容器的电性能和可靠性有了质的提高,大大拓宽了铝电解电容器的应用范围]。

3.4 可封装在芯片内的电容器

研制能封装在大规模集成电路(LSI)内部的电容器,也是电容器技术的重要发展方向之一。ALPS 电气公司正与North 公司联合,开发在LSI 封装的内部底板中封装高电容率薄膜电容器(thin film capacitor)的技术。有关专家认为,工作频率在数GHZ~10GHZ 以上的高速逻辑LSI 必须使用这种技术。此次开发的技术就是指将过去封装在LSI 封装外部的去耦电容器封装到内部。由此将会大限度地缩短电容器与倒装芯片之间的距离。因封闭内部布线的寄生电感减小了,故开关时即可迅速向倒装芯片供应电荷,结果使电源电压更加稳定。预计这项技术会很快走向实用。此类技术也给高速高密度PCB 设计,带来新的理念和条件,值得充分重视。

4 结语

高速高密度PCB 设计技术不断发展,对所使用的电容器性能要求越来越高;随着电容器技术的不断进步,新型电容器不断出现;针对高速高密度PCB 的电容器应用技术的研究不断深入。这些都使得在高速高密度PCB 设计中,恰当选用电容器,不是一件简单的事。尽管电容器的种类较多,但对某一具体应用,合适的通常只有一两种。全面认识高速高密度PCB 的特点和电容器的高频特性,及时了解相关的新器件和新技术,综合考虑具体应用需要、技术难度、经济成本等因素,对恰当选用电容器是十分必要的。

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