传统电容器因采用不一样材料做为绝缘体而形成不一样的电容器,例如电解电容(Electrolytic Capacitor)、钽质电容(Tantalum Capacitor),以及主流的多层陶瓷电容()等。他们是电子系统中最常见的被动元件之一,受到高温、频率或直流偏压等因素的影响,他们也成为故障率最高的元件之一。未解决这个问题并满足更广泛恶劣环境应用之需求,以硅材料做为绝缘体,且以半导体技术加以制造的(Silicon Capacitor,Si-Cap)开始在市场上崭露头角。
当前硅电容器在结构上多半采用三层式「金属/绝缘体/金属」(Metal-Insulator-Metal,MIM)形式,另外也有多 MIM 结构的硅电容器,其每一个 MIM 结构都负责蓄存一部分的静电电容,多个 MIM 堆叠能增加总静电电容值。
在绝缘体部分,当前硅电容器多半采用二氧化硅或氮化硅等绝缘硅介电质材料,进而形成「金属/绝缘层/半导体」(MIS)或金属/氧化物/半导体」(MOS)等三层式结构。两者皆为当前高密度电容器的主要绝缘材料,已然成为业界追求高稳定性、高可用性及耐高温等恶劣环境应用的最佳选择。
日厂村田制作所(Murata Manufacturing)旗下子公司 MIPS(Murata Integrated Passive Solutions,前身为法国硅被动元件厂商 IPDiA,2016 年村田收购,2017 年更名)的高密度硅电容器技术便是采用内埋在非晶基板的单 MIM 或多 MIM 结构。高密度硅电容器是采用半导体 MOS 制程开发,并使用 3D 纳米结构增加更高的电极表面积,进而获得更高的静电电容值。
当前硅电容器所采用的主流半导体技术莫过于深沟式(Deep Trench)技术,例如美商予力半导体(Empower Semiconductor)推出 E-Cap 品牌硅电容器便采用深沟技术。不过,爱普科技(AP Memory)新推 IPD 硅电容器产品线D DRAM 堆叠技术开发。
随着高度整合、高性能与微型化等需求的一直增长,高密度超深沟硅电容器开始受到市场青睐,实现被动元件主流技术莫过于被动整合连接基板(PICS)制程技术,制程能结合多芯片模组(mcm)和芯片直接封装(COB)等技术,开发出体积更小的超低功耗组件。制程技术不但能将许多基本功能整合到单一产品,降造成本,同时有助硅电容器容积效率持续提升。
相对于传统电容器,硅电容器具备许多显著的优势,首先是高稳定度,即使在高温下依旧稳定如常,目前最大耐受高温可达 250°C,这使它成为适用航空、车用、军用乃至石油勘探等恶劣环境应用的最佳选择。虽然元件仍有最大电容值的限制,但基本上不受电容老化的影响(MIPS 硅电容器常规使用的寿命至少 10 年),即使面对会让MLCC电容器大受影响的直流偏压,可靠性和电容值都不会因此下降。
其次,高密度硅电容器有助于带动高性能零组件的微型化发展,进而大大降低电子元件的功耗与成本。以 MIPS 新推的硅电容器而言,厚度仅 40µm,比起MLCC电容器薄得多。再者是极佳的漏电流(Leakage current)稳定性表现,对于传统电容器而言,高温、应力、充电电压乃至介电质厚度都会对漏电流造成影响。由于硅电容器具备良好的绝缘性能及绝缘电阻值,因而成为耦合、阻隔及时序电路的最佳选择。
爱普科技说法,传统电容通常放在电路板上,随着高效能 SoC 的功耗越高、电压越低,电容器因此被迫移至接脚侧(land side),以便更靠近 SoC。但传统 MLCC 电容器受限于体积与密度并不足以满足这样的需求,这样的重责大任便落到高密度、超薄的硅电容器身上。
不可讳言的,硅电容器当然也有一些值得改进的缺点,包括有限的最大电容值以及漏电荷问题。由于电容值会与二氧化硅介电质材料面积成正比,而与二氧化硅介电质的厚度成反比,因此电子元件制造商一直在缩减二氧化硅介电质的厚度,来满足小型化和高密度微电子元件的需求。但偏偏二氧化硅介电质薄膜缩得越薄,漏电荷的状况反而会更严重,如此一来,电容器便难以储存电荷。目前针对这两个主体问题的解决之道,除改进制程外,重点会放在寻找替代性介电质。
拜硅电容器优势所赐,硅电容器完全相容支援 MIS / MOS 后端技术,所以能做为被动整合平台的一部分。再者元件也适合以异质整合的方式结合 CMOS、MEMS、多芯片模组或覆晶接合(flip-chip)等各种技术,应用于系统级封装(system in chip,SiP)或系统单芯片(system on chip,SoC)。元件且适用单颗芯片之表面黏着(SMD)电容器的开发。
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