【導(dǎo)讀】多層陶瓷電容器比砂糖顆粒還要小。您知道如此之小的元器件在電子設(shè)備中所擔(dān)當(dāng)?shù)淖饔脝幔克谙虬雽?dǎo)體設(shè)備提供必要的電力供給方面、以及消除會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作和性能劣化的噪音方面發(fā)揮著重要作用。本文主要介紹陶瓷電容的發(fā)展趨勢(shì)。
雖然大家往往認(rèn)為電阻、電容器、電感器等無源元件的存在不甚搶眼，但實(shí)際上它們卻是最先進(jìn)的電子設(shè)備中必不可少的元器件。特別是對(duì)最先進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備而言，多層陶瓷電容器極其重要。如果沒有這種電容器，就無法指望半導(dǎo)體設(shè)備能正常運(yùn)行。在電子行業(yè)中，曾經(jīng)流傳一種說法"電容器遲早會(huì)被納入半導(dǎo)體設(shè)備"。但是實(shí)際上，在半導(dǎo)體設(shè)備發(fā)展的同時(shí)，多層陶瓷電容器的重要性也與日俱增。如果沒有多層陶瓷電容器，也就無法指望使用最先進(jìn)的微細(xì)加工技術(shù)制造的微處理器、DSP、微型計(jì)算機(jī)、FPGA等的半導(dǎo)體設(shè)備能正常運(yùn)行。
陶瓷電容器小型化和大容量化
目前，多層陶瓷電容器的市場(chǎng)規(guī)模在鋁電解電容器、鉭電解電容器和薄膜電容器等各式電容器中是最大的。稍早前的數(shù)據(jù)顯示2008年日本國(guó)內(nèi)出貨量為6278 億個(gè)，日本國(guó)內(nèi)出貨金額達(dá)到3059日元（源自經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)部的機(jī)械統(tǒng)計(jì)）。位居第2位的鋁電解電容器日本國(guó)內(nèi)出貨量為182億個(gè)，日本國(guó)內(nèi)出貨金額為 1743日元。其差距相當(dāng)巨大。2012年，多層陶瓷電容器增加到7655億個(gè)，與此相對(duì)，鋁電解電容器卻減少到109億個(gè)。其差距在不斷擴(kuò)大。
通過多重層疊電介質(zhì)層和內(nèi)部電極，實(shí)現(xiàn)了較大電容。雖然現(xiàn)在多層陶瓷電容器在電容器市場(chǎng)上占據(jù)榜首位置，然而在產(chǎn)品推出之初卻很難被市場(chǎng)接受。構(gòu)思出多層陶瓷電容器創(chuàng)意的是美國(guó)企業(yè)。在始于1961年的阿波羅計(jì)劃的推進(jìn)過程中，出于需要，大電容量的小型電容器應(yīng)運(yùn)而生。通過在薄電介質(zhì)上形成電極，并進(jìn)行多個(gè)疊加，實(shí)現(xiàn)了在小體積內(nèi)充滿大電容的電容器（圖 1）。
圖1 多層陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)
多層陶瓷電容器的歷史即可一言以蔽之，就是"小型化和大容量化的歷史"。一般電容器的電容C可以通過
來表達(dá)。在此表達(dá)式中，ε是介電常數(shù)，S是電極面積、d電極間距離（電介質(zhì)厚度）。即，在一定的體積中，要增加電容，就只能使用ε高的材料，或者是薄化電介質(zhì)。電介質(zhì)材料在推出之初是采用的二氧化鈦，但我們?cè)谳^早的階段引入了鈦酸鋇（BaTiO3）。之后也通過對(duì)該材料加以改良來不斷提高相對(duì)介電常數(shù)，目前已經(jīng)達(dá)到3000左右。相較于幾十水平的二氧化鈦相對(duì)介電常數(shù)，該數(shù)值也已經(jīng)大其兩位數(shù)。
電介質(zhì)的厚度在推出之初為50μm，但之后薄型化逐漸發(fā)展，目前已經(jīng)達(dá)到了0.5μm。也就是說，與產(chǎn)品推出之初相比，介電常數(shù)已經(jīng)提高到100倍，厚度減 少至1/100。如果厚度降低到1/100，那么層疊數(shù)可以增加至100倍。因此，如果是相同體積的電容器，相當(dāng)于增加到100萬(wàn)倍。相反，如果考慮體積，則意味著相同的電容量可以實(shí)現(xiàn)1/100萬(wàn)的小型化。[page]
多層陶瓷電容器的應(yīng)用
如上所述，片狀多層陶瓷電容器被廣泛用于配備在微處理器、DSP、MCU及FPGA等半導(dǎo)體器件的周圍電路，以使這些半導(dǎo)體器件能夠正常工作。配備的個(gè)數(shù)（總數(shù)）非常多。比如，筆記本PC約為730個(gè)，手機(jī)為230個(gè)，數(shù)碼攝像機(jī)及導(dǎo)航儀甚至要使用多達(dá)1000個(gè)左右（表1）。
另一個(gè)作用是去除導(dǎo)致EMI（Electro-Magnetic Interference，電磁干擾）的噪聲成分。也就是濾波器作用。通過利用電容器高頻阻抗較低這一特點(diǎn)，使高頻噪聲成分到達(dá)電源/接地層。
一般而言，前一種作用被稱為去耦電容器，后一種作用被稱為旁路電容器。而大容量片狀多層陶瓷電容器則可同時(shí)承擔(dān)這兩種作用。
繼去耦及旁路之后，用途較多的是配備在DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出部分用作平滑濾波器。原來該用途廣泛使用的是鋁電解電容器及鉭電解電容器。但是，業(yè)內(nèi)為使電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化和薄型化，從20世紀(jì)90年代下半期開始使用片狀多層陶瓷電容器。
片狀多層陶瓷電容器之所以得以在該用途中應(yīng)用，電源半導(dǎo)體廠商的努力功不可沒。用作平滑濾波器的電容器構(gòu)成了DC-DC轉(zhuǎn)換器中反饋控制環(huán)路的一個(gè)部分。因此，等效串聯(lián)阻抗（ESR：Equivalent Series Resistance）過小的話，控制環(huán)路的相位余量就會(huì)變小，容易發(fā)生DC-DC轉(zhuǎn)換器無法穩(wěn)定工作的問題。
而另一方面，電子設(shè)備廠商又對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)小型薄型化有著強(qiáng)烈的需求。因此，電源半導(dǎo)體廠商通過改進(jìn)DC-DC轉(zhuǎn)換器IC的控制電路，使得使用片狀多層陶瓷電容器成為現(xiàn)實(shí)。從2000年起，電源半導(dǎo)體廠商開始以能夠使用片狀多層陶瓷電容器為賣點(diǎn)，向電子設(shè)備廠商推銷DC-DC轉(zhuǎn)換器IC。
現(xiàn)在，僅去耦和平滑濾波器用途就已占到片狀多層陶瓷電容器市場(chǎng)份額的約7成。此外，用量較大的用途是高頻濾波器用途、阻抗匹配用途以及溫度補(bǔ)償用途等。
