片狀獨石陶瓷電容器——高性能半導體器件不可或缺的元件
電阻器、電容器、電感器。這些被公認為較平常的無源部件，實際上卻是最尖端電子設備不可或缺的部分。尤其對最尖端的半導體器件而言，片狀獨石陶瓷電容器更是極為重要的？梢哉f，沒有片狀獨石陶瓷電容器的話，就無法正常地運作。在電子行業曾一度有觀點認為“電容器遲早會被半導體器件所取代”。而實際上，片狀獨石陶瓷電容器與半導體器件的進化相同步，其重要性也愈發增強。
片狀獨石陶瓷電容器的尺寸比砂糖粒還要小。對于這一微小部件在電子設備中所起到的作用，大家知道多少呢。片狀獨石陶瓷電容器擔負著為半導體器件提供電力供應的支持，消除導致誤操作及性能下降的噪聲等等重要的職責。而且，以最尖端微細加工技術制造的微處理器、DSP、MCU及FPGA等半導體器件，如果沒有片狀獨石陶瓷電容器的話也無法正常工作。
小型化和大容量化的歷史
圖1：片狀獨石陶瓷電容器的構造
通過反復層疊介電體層和內部電極，實現大靜電容量。
目前，片狀獨石陶瓷電容器的市場規模在鋁電解電容器、鉭電解電容器及薄膜電容器等各種電容器中最大。2008年日本國內供貨量為6278億個，日本國內供貨金額達到3059億日元（數字取自日本經濟產業省的《機械統計》）。位居第二位的是鋁電解電容器，日本國內供貨量為182億個，日本國內供貨金額為1743億日元。兩者間差距巨大。
雖然目前片狀獨石陶瓷電容器在電容器市場上獨占鰲頭，但在面世之初卻一度不被市場所接受。提出片狀獨石陶瓷電容器設想的是美國企業。在1961年起美國開始實施阿波羅計劃的過程中，出現了對小型、大靜電容量電容器的需求，應運而生的便是片狀獨石陶瓷電容器。通過在超薄介電體上形成電極并進行多層重疊，從而實現了小體積但具備大靜電容量的電容器（圖1）。
村田制作所迅速導入該技術，并于1965年向市場投放首款產品。村田制作所推出的是用于中波收音機中的LC共振電路的100pF產品，是由厚度為50μm的介電體膜重疊而成。介電體材料采用氧化鈦（TiO2）“剛推出市場時完全賣不動。不過，以超薄型卡片收音機的亮相為契機，體積比其他電容器小得多的片狀獨石陶瓷電容器的市場得到了迅速擴大”（村田制作所 元器件事業本部 本部長山內公則）。
之后的片狀獨石陶瓷電容器的歷史也許可以用“小型化和大容量化的歷史”來概括。通常電容器的靜電容量C可用
C＝εS/d
來表示。其中，ε為介電率，S為電極面積，d為電極間距離（介電體的厚度）。也就是說，要想在固定體積下增加靜電容量的話，只有采用ε值高的材料，或者減薄介電體。
在介電體材料方面，雖然在產品化的初期采用的是氧化鈦，但在較早階段就已導入鈦酸鋇（BaTiO3）。之后，通過進一步改進該材料，介電率得到不斷提高，目前已達到3000左右。這一數值要比氧化鈦僅為幾十水平的介電率大兩位數。
從介電體的厚度來看，推出之初為50μm，之后逐漸減薄，目前僅為0.5μm。也就是說，與推出之初相比，介電率提高了100倍，厚度減少至1/100。厚度減至1/100的話，便可將層疊數增多100倍。因此，從靜電容量來看，在相同體積條件下相當于增加到了100萬倍。而反過來從體積來看，就意味著在相同靜電容量條件下可實現1/100萬倍的小型化。
去耦用途占到市場份額的7成
表1 電子設備中配備的片狀獨石陶瓷電容器的數量
如上所述，片狀獨石陶瓷電容器被廣泛用于配備在微處理器、DSP、MCU及FPGA等半導體器件的周圍電路，以使這些半導體器件能夠正常工作。配備的個數（總數）非常多。比如，筆記本PC約為730個，手機為230個，數碼攝像機及導航儀甚至要使用多達1000個左右（表1）。
這些片狀獨石陶瓷電容器的作用大致分為兩種。一是為半導體器件提供電力供應的支持。一般而言，半導體器件根據不同的工作狀態，所需電流會有很大變化。有時會突然需要大量電力。當遇到這種負荷突變的情況時，配備在相對較遠部位的電源電路（DC-DC轉換器等）會無法迅速滿足需求。因此，事先在配備在半導體器件周圍的電容器中先積蓄電力，由電容器來滿足突然出現的供電需求（圖2）。
圖2：幫助半導體芯片工作的去耦電容器
半導體器件的周圍通常配備有大量去耦電容器。作用有兩個。一是向半導體器件供應電力。另一個是使噪聲成分直達電源/接地層。去耦電容器大致使用三種電容器。分別為鉭電解電容器、大容量的片狀獨石陶瓷電容器，以及ESL（等效串聯電感）極低的片狀獨石陶瓷電容器。（點擊放大）
另一個作用是去除導致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，使高頻噪聲成分到達電源/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。而大容量片狀獨石陶瓷電容器則可同時承擔這兩種作用。
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，業內為使電子設備實現小型化和薄型化，從20世紀90年代下半期開始使用片狀獨石陶瓷電容器。
片狀獨石陶瓷電容器之所以得以在該用途中應用，電源半導體廠商的努力功不可沒。用作平滑濾波器的電容器構成了DC-DC轉換器中反饋控制環路的一個部分。因此，等效串聯阻抗（ESR：Equivalent Series Resistance）過小的話，控制環路的相位余量就會變小，容易發生DC-DC轉換器無法穩定工作的問題。
而另一方面，電子設備廠商又對DC-DC轉換器實現小型薄型化有著強烈的需求。因此，電源半導體廠商通過改進DC-DC轉換器IC的控制電路，使得使用片狀獨石陶瓷電容器成為現實。從2000年起，電源半導體廠商開始以能夠使用片狀獨石陶瓷電容器為賣點，向電子設備廠商推銷DC-DC轉換器IC。
現在，僅去耦和平滑濾波器用途就已占到片狀獨石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償用途等。
編輯：admin 最后修改時間：2017-09-05
