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硅電容系列一:硅電容概述

xr1991 ? 來源:xurui ? 作者:xurui ? 2025-01-06 11:56 ? 次閱讀
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這篇內(nèi)容主要討論三個基本問題,硅電容是什么,為什么要使用硅電容,如何正確使用硅電容?

硅電容是什么

首先我們需要了解電容是什么?物理學(xué)上電容的概念指的是給定電位差下自由電荷的儲藏量,記為C,單位是F,指的是容納電荷的能力,C=εS/d=ε0εrS/4πkd(真空)=Q/U。百度百科上電容器的概念指的是兩個相互靠近的導(dǎo)體,中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)。

通過觀察電容本身的定義公式中可以看到,在各個變量中比較能夠改變的就是εr,S和d,也就是介質(zhì)的介電常數(shù),金屬板有效相對面積以及距離。當(dāng)前常見的電容器按照制造工藝主要有陶瓷電容,電解電容薄膜電容。硅電容和這些傳統(tǒng)的電容相比主要就是使用的原材料不同以及工藝不一致,顧名思義,硅電容是以硅作為材料,通過半導(dǎo)體的工藝進(jìn)行制造。

當(dāng)前的硅電容根據(jù)絕緣材料分成MIS(金屬/絕緣體/金屬)和MOS(金屬/氧化物/半導(dǎo)體)兩大類,一種類型主要針對的是高壓低容量市場,典型廠商是村田,應(yīng)用領(lǐng)域例如RF,激光雷達(dá)等。另一種針對的是低壓大容量市場,典型技術(shù)提供商是臺積電,主要應(yīng)用領(lǐng)域是配合當(dāng)前先進(jìn)工藝。

2. 為什么需要使用硅電容

首先,我們要了解硅電容的特性,特性主要來自材料和工藝兩個部分,主要特性包括了高穩(wěn)定度,高可靠性,高密度,低厚度,低ESL,ESR等。由于材料使用的是硅,本身的性質(zhì)會更加穩(wěn)定,也不容易受到溫度,交直流電壓等的影響,不存在和MLCC一樣的受到溫度,交直流電壓的降額等問題,只考慮降額問題,硅電容只需要使用MLCC一半電容值就可以達(dá)到相似的有效容值,同時,硅電容的ESL和ESR會極大的低于當(dāng)前主流方案,傳統(tǒng)方案通過多個不同的電容組合達(dá)到阻抗,硅電容方案可以通過更少的電容數(shù)量和容值達(dá)到相同乃至更好的阻抗曲線。另外由于使用的是半導(dǎo)體工藝,可以極大的縮小電容兩級之間的距離,可以極大的提高電容密度,當(dāng)前每平方毫米的電容密度可以做到uf級別,同時半導(dǎo)體的工藝基于晶圓去加工,可以把硅電容的厚度做到極小,典型值可以做到100um以下,通過處理可以做到50um以下。

綜上我們可以看到,以下幾個典型應(yīng)用是硅電容的合適場景:1. 要求極高的穩(wěn)定度的,類似航天和軍工,這個也是目前硅電容應(yīng)用較多的領(lǐng)域;2.需要極低的ESL和ESR的,例如RF,激光雷達(dá)的濾波;3. 當(dāng)前MLCC放不開的,典型類似大型處理器類似AI處理器,GPU處理器,對阻抗特性的高頻要求高,但是面積有限;4. 特別薄的領(lǐng)域,可能的場景類似折疊手機(jī);5. 有電容集成需求,目前蘋果手機(jī)處理器把電容集成在芯片內(nèi)部和引腳中間,硅電容在厚度和加工上更加方便

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3. 如何正確使用硅電容

硅電容有諸多好處,那么我們應(yīng)該如何正確使用硅電容呢?首先我們要明確一點就是是否需要,硅電容當(dāng)前的成本還是遠(yuǎn)高于普通MLCC,硅電容適合作為一個補(bǔ)充來使用,解決特定問題,需要使用的場景包括性能要求(必須需要極低的ESL),面積要求(極低的厚度)等;明確了需要使用之后,可以選擇廠家,當(dāng)前市場是能夠提供硅電容方案的不多,需要認(rèn)真選擇合作廠家,選擇已經(jīng)有成熟方案的廠家;

審核編輯 黃宇

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