高速高密度PCB設計中電容器的選擇

高速高密度PCB 設計中電容器的選擇
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；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 設計相比，高速高
密度PCB 設計面臨不少新挑戰(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(shù)及其影響，指出了需要糾正或放棄的一些傳統(tǒng)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，介紹了適用于高速高密度PCB 的電容器的若干新進展。
1 電容器高頻應用時寄生參數(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 設計中，選擇和應用電容器時，需要糾正或放棄一些傳統(tǒng)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(tǒng)
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(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(xiàn)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(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度。該
公司還開發(fā)了一種新材料，用疊層技術解決了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 專有半導體工藝開發(fā)的，其構造降低了
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 器件的獨特結構減
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(xiàn)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(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，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(tǒng)電容器
利用相關的新材料、新工藝等改進一些傳統(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 的應用需要。
最具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(tǒng)
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(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。有關專家認為，工作頻率在數(shù)GHZ～10GHZ 以上的高速邏
輯LSI 必須使用這種技術［14］。此次開發(fā)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(nèi)部。由此將會最大限度地縮短電容器與倒裝芯片之間的距離。因封閉內(nèi)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(wěn)定。
預計這項技術會很快走向?qū)嵱谩?br>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 結束語
高速高密度PCB 設計技術不斷發(fā)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(xiàn)；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，最合適的通常只有一兩種。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(jīng)濟成本等因素，對恰當選用電容器是十分必要的。
本文的討論對高速高密度PCB 設計中電容器的選擇具有一定的指導作用。
作者簡介：周勝海，男，1962 年12 月生，漢族，碩士，副教授，主要從事電子技術方向的
研究。