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TECDIA单层电容器有助于通信设备小型化
录入时间:2020/5/26 9:53:33

TECDIA单层电容器有助于通信设备小型化

作者:Toshihiko Honda,TECDIA首席技术顾问,www.tecdia.com.cn

 

TECDIA专注于开发、制造和销售用于微波通信和光通信设备的引线键合单层电容器(SLC)已有40多年的历史。已被通信设备制造商在方案设计中广泛采用。

TECDIA的SLC主要用于无线通信中的高频/微波设备的电路以及用于光通信中的光收发器模块中承担滤波电路,用于去耦/旁路、直流偏压阻隔和阻抗匹配。

近年来,随着高频信号通信器件、设备的小型化发展,器件内空间更加有限。因此,我们作为零件制造商开发出了小型化产品。

Techdia的SLC系列产品所用材料具有不同的介电常数:10、40、90、130、280、1600、2800、16000、30000、50000,并且每种都有自己的特性。通过上述材料分类,也为用户们提供了最佳解决方案。

在上述应用中,通过使用其中具有最佳介电常数的材料,我们提供与用户应用相匹配的产品,并在最新的5G应用中被广泛采用。

在我们的介电材料中,采用GBBL(晶粒边界阻挡层)结构(图1)的材料可以实现极高的介电常数:16000、30000和50000,有助于设备和器件小型化。

1GBBL结构

该结构由绝缘性晶粒与导电陶瓷之间的阻隔来确保非常高的介电常数,并通过三个阶段的烧结工艺来制成。结果我们成功地做到了常规高介电常数材料无法实现的温度稳定的同时,维持高介电常数。

这里,SLC的静电容值可以根据图2所示的平行板电容器的公式计算得出。

2:平行板电容器的静电容值

在这里,我司系列介电材料中分别选取介电常数为280、2800、16000、30000和50000的材料,制作容量分别为100pF和1000pF的SLC,这是上述应用中经常使用的容值。

首先,对于280(实际介电常数为295)的材料,将该公式应用于计算中,电极尺寸1.95mmx1.95mm,厚度0.1mm,容值100pF。电极尺寸6.2mmx6.2mm厚度0.1mm,容值1000pF。尽管可以通过使厚度小于0.1mm来减小尺寸,但是在封装过程中操作变得困难并且容易断裂,因此将0.1mm的厚度设置为下限值。

其中,280的材料具有较高的Q值和良好的温度特性,因此它是理想的介电材料,通常用于低容值的应用中。作为去耦用途且容值为1000pF的电容,我们虽然可以计算出它,但是实际尺寸太大了,无法实现。在封装尺寸无问题的前提下100pF的SLC也是可以使用的。

另外,由于常规电容器具有频率的特性,所以阻抗匹配由下式表示。另,等效电路如图3所示。

其中:

R:等效串联电阻(ESR)

L:等效串联电感(ESL)

ω:2πf(f:频率)

并且:

3

该频率称为自谐振频率,作为电容器阻抗里最低的点。电容器根据该计算公式,在频率低的区域中静电容值较低,因此具有较高的阻抗,并且难以传递交流信号。在自谐振频率下,交流信号最有可能通过,而在超过自谐振频率的高频区域中,这一次阻抗由于电感的影响而增加,并且频率越高,交流信号越难通过。

然而,在SLC的情况下,与MLCC(多层陶瓷电容器)不同,电介质材料可以视为单个谐振器,在这种情况下,在电磁场模式下,通过下面的计算公式您可以获取自谐振频率。

在这种情况下,在电磁场中以TE011模式进行计算,并且自谐振频率f0可用以下公式表示。

在这里,如果电介质形状为正方形

ℓ:通过将电介质的一侧的长度的平方与电介质的厚度的平方相加到根而获得的值。单位是米(m)。

通过实际测量获得的SLC的自谐振频率接近于从该公式获得的解。

对于SLC,频率越高,在实际测量中消除测量系统中的误差(尤其是测量夹具中的误差)就越困难,因此测量值将包含较大的误差。然而,由于SLC的自谐振频率是通过该公式获得的,因此,当用户模拟电路特性时,从该公式获得的值是一个指标。

由此可见,对于100pF,使用每种介电常数的材料时,SLC尺寸和自谐振频率的列表如图4所示。对于介电常数为16000或更大的电介质的产品,其厚度为0.15毫米的是我们的标准产品。然后,对于1000pF,如图5所示。在此,在表中电介质的介电常数中,括号中的值是我们标准电介质的实际介电常数。另外,ESL值是从上述谐振频率的计算结果得出的值。

4:各种介电材料不同容量100pFSLC比较表。:在我们公司,100pF的尺寸超出了介电常数50,000材料的规格。

5:各种介电材料不同容量1000pFSLC比较表。:在我们公司、1000pF的尺寸超出了介电常数280材料的规格。

此处,应当注意,当然介电常数低的介电材料具有高Q和作为电容器的良好品质,而且作为去耦功能使用的话,即使介电常数高的也能保证高的谐振频率。这个与其他公司制造的MLCC相比,对于100pF产品的1.2GHz小型产品(0.4mmx0.2mmx厚度0.2mm)和1000pF产品的360MHz小型产品而言,这是一个足够高的价值。由于会随着时间的流逝使用导线,因此必须考虑导线的电感,但是考虑到谐振频率,这也是有利的。因此,可以看出,即使在高频下,具有高介电常数的小型SLC也有很好性能。

图6和图7显示了A公司的100pF和1000pFMLCC以及我们的相同电容值SLC的阻抗特性。

6

7

由我们的2800材料制成的电容器具有较高的谐振频率和较高的Q,因此具有非常好的高频特性。30000或50000的材料具有较低的Q,谐振频率也良好。在这种情况下,ESR用作阻尼电阻器,并且在高频电路中,可以期待防止电路谐振的效果,因此对于除需要高Q电容器的电路以外的应用而言,它也是有效的。A公司的MLCC的尺寸较小,为0.4mmx0.2mm,与我们的SLC相比,其谐振频率低(ESL大),特别是对于100pF产品,显示的结果是其Q值并不是那么高。

这次,我们主要介绍了使用SLC进行去耦的情况,最后,在使用SLC进行去耦时,给大家做如下总结:

1)在去耦频率和低阻抗频率之间,选择接近谐振频率的电容器。

2)在高去耦频率有效范围内,选择ESL低的电容器。


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