【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、以及消除會引發(fā)誤動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。
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，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年日本國內(nèi)出貨量為6278 億個，日本國內(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）。位居第2位的鋁電解電容器日本國內(nèi)出貨量為182億個，日本國內(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，與此相對，鋁電解電容器卻減少到109億個。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上占據(jù)榜首位置，然而在產(chǎn)品推出之初卻很難被市場接受。構(gòu)思出多層陶瓷電容器創(chuàng)意的是美國企業(yè)。在始于1961年的阿波羅計劃的推進(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，但我們在較早的階段引入了鈦酸鋇（BaTiO3）。之后也通過對該材料加以改良來不斷提高相對介電常數(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。配備的個數(shù)（總數(shù)）非常多。比如，筆記本PC約為730個，手機(jī)為230個，數(shù)碼攝像機(jī)及導(dǎo)航儀甚至要使用多達(dá)1000個左右（表1）。
另一個作用是去除導(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。
