片状独石陶瓷电容器——高性能半导体器件不可或缺的元件
电阻器、电容器、电感器。这些被公认为较平常的无源部件，实际上却是最尖端电子设备不可或缺的部分。尤其对最尖端的半导体器件而言，片状独石陶瓷电容器更是极为重要的。可以说，没有片状独石陶瓷电容器的话，就无法正常地运作。在电子行业曾一度有观点认为“电容器迟早会被半导体器件所取代”。而实际上，片状独石陶瓷电容器与半导体器件的进化相同步，其重要性也愈发增强。
片状独石陶瓷电容器的尺寸比砂糖粒还要小。对于这一微小部件在电子设备中所起到的作用，大家知道多少呢。片状独石陶瓷电容器担负着为半导体器件提供电力供应的支持，消除导致误操作及性能下降的噪声等等重要的职责。而且，以最尖端微细加工技术制造的微处理器、DSP、MCU及FPGA等半导体器件，如果没有片状独石陶瓷电容器的话也无法正常工作。
小型化和大容量化的历史
图1：片状独石陶瓷电容器的构造
通过反复层叠介电体层和内部电极，实现大静电容量。
目前，片状独石陶瓷电容器的市场规模在铝电解电容器、钽电解电容器及薄膜电容器等各种电容器中最大。2008年日本国内供货量为6278亿个，日本国内供货金额达到3059亿日元（数字取自日本经济产业省的《机械统计》）。位居第二位的是铝电解电容器，日本国内供货量为182亿个，日本国内供货金额为1743亿日元。两者间差距巨大。
虽然目前片状独石陶瓷电容器在电容器市场上独占鳌头，但在面世之初却一度不被市场所接受。提出片状独石陶瓷电容器设想的是美国企业。在1961年起美国开始实施阿波罗计划的过程中，出现了对小型、大静电容量电容器的需求，应运而生的便是片状独石陶瓷电容器。通过在超薄介电体上形成电极并进行多层重叠，从而实现了小体积但具备大静电容量的电容器（图1）。
村田制作所迅速导入该技术，并于1965年向市场投放首款产品。村田制作所推出的是用于中波收音机中的LC共振电路的100pF产品，是由厚度为50μm的介电体膜重叠而成。介电体材料采用氧化钛（TiO2）“刚推出市场时完全卖不动。不过，以超薄型卡片收音机的亮相为契机，体积比其他电容器小得多的片状独石陶瓷电容器的市场得到了迅速扩大”（村田制作所 元器件事业本部 本部长山内公则）。
之后的片状独石陶瓷电容器的历史也许可以用“小型化和大容量化的历史”来概括。通常电容器的静电容量C可用
C＝εS/d
来表示。其中，ε为介电率，S为电极面积，d为电极间距离（介电体的厚度）。也就是说，要想在固定体积下增加静电容量的话，只有采用ε值高的材料，或者减薄介电体。
在介电体材料方面，虽然在产品化的初期采用的是氧化钛，但在较早阶段就已导入钛酸钡（BaTiO3）。之后，通过进一步改进该材料，介电率得到不断提高，目前已达到3000左右。这一数值要比氧化钛仅为几十水平的介电率大两位数。
从介电体的厚度来看，推出之初为50μm，之后逐渐减薄，目前仅为0.5μm。也就是说，与推出之初相比，介电率提高了100倍，厚度减少至1/100。厚度减至1/100的话，便可将层叠数增多100倍。因此，从静电容量来看，在相同体积条件下相当于增加到了100万倍。而反过来从体积来看，就意味着在相同静电容量条件下可实现1/100万倍的小型化。
去耦用途占到市场份额的7成
表1 电子设备中配备的片状独石陶瓷电容器的数量
如上所述，片状独石陶瓷电容器被广泛用于配备在微处理器、DSP、MCU及FPGA等半导体器件的周围电路，以使这些半导体器件能够正常工作。配备的个数（总数）非常多。比如，笔记本PC约为730个，手机为230个，数码摄像机及导航仪甚至要使用多达1000个左右（表1）。
这些片状独石陶瓷电容器的作用大致分为两种。一是为半导体器件提供电力供应的支持。一般而言，半导体器件根据不同的工作状态，所需电流会有很大变化。有时会突然需要大量电力。当遇到这种负荷突变的情况时，配备在相对较远部位的电源电路（DC-DC转换器等）会无法迅速满足需求。因此，事先在配备在半导体器件周围的电容器中先积蓄电力，由电容器来满足突然出现的供电需求（图2）。
图2：帮助半导体芯片工作的去耦电容器
半导体器件的周围通常配备有大量去耦电容器。作用有两个。一是向半导体器件供应电力。另一个是使噪声成分直达电源/接地层。去耦电容器大致使用三种电容器。分别为钽电解电容器、大容量的片状独石陶瓷电容器，以及ESL（等效串联电感）极低的片状独石陶瓷电容器。（点击放大）
另一个作用是去除导致EMI（Electro-Magnetic Interference，电磁干扰）的噪声成分。也就是滤波器作用。通过利用电容器高频阻抗较低这一特点，使高频噪声成分到达电源/接地层。
一般而言，前一种作用被称为去耦电容器，后一种作用被称为旁路电容器。而大容量片状独石陶瓷电容器则可同时承担这两种作用。
继去耦及旁路之后，用途较多的是配备在DC-DC转换器的输出部分用作平滑滤波器。原来该用途广泛使用的是铝电解电容器及钽电解电容器。但是，业内为使电子设备实现小型化和薄型化，从20世纪90年代下半期开始使用片状独石陶瓷电容器。
片状独石陶瓷电容器之所以得以在该用途中应用，电源半导体厂商的努力功不可没。用作平滑滤波器的电容器构成了DC-DC转换器中反馈控制环路的一个部分。因此，等效串联阻抗（ESR：Equivalent Series Resistance）过小的话，控制环路的相位余量就会变小，容易发生DC-DC转换器无法稳定工作的问题。
而另一方面，电子设备厂商又对DC-DC转换器实现小型薄型化有着强烈的需求。因此，电源半导体厂商通过改进DC-DC转换器IC的控制电路，使得使用片状独石陶瓷电容器成为现实。从2000年起，电源半导体厂商开始以能够使用片状独石陶瓷电容器为卖点，向电子设备厂商推销DC-DC转换器IC。
现在，仅去耦和平滑滤波器用途就已占到片状独石陶瓷电容器市场份额的约7成。此外，用量较大的用途是高频滤波器用途、阻抗匹配用途以及温度补偿用途等。
编辑：admin 最后修改时间：2017-09-05
