硅電容系列一：硅電容概述

這篇內(nèi)容主要討論三個(gè)基本問(wèn)題，硅電容是什么，為什么要使用硅電容，如何正確使用硅電容？

硅電容是什么

首先我們需要了解電容是什么？物理學(xué)上電容的概念指的是給定電位差下自由電荷的儲(chǔ)藏量，記為C，單位是F，指的是容納電荷的能力，C=εS/d=ε0εrS/4πkd（真空）=Q/U。百度百科上電容器的概念指的是兩個(gè)相互靠近的導(dǎo)體，中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)。

通過(guò)觀察電容本身的定義公式中可以看到，在各個(gè)變量中比較能夠改變的就是εr，S和d，也就是介質(zhì)的介電常數(shù)，金屬板有效相對(duì)面積以及距離。當(dāng)前常見(jiàn)的電容器按照制造工藝主要有陶瓷電容，電解電容和薄膜電容。硅電容和這些傳統(tǒng)的電容相比主要就是使用的原材料不同以及工藝不一致，顧名思義，硅電容是以硅作為材料，通過(guò)半導(dǎo)體的工藝進(jìn)行制造。

當(dāng)前的硅電容根據(jù)絕緣材料分成MIS（金屬/絕緣體/金屬）和MOS（金屬/氧化物/半導(dǎo)體）兩大類，一種類型主要針對(duì)的是高壓低容量市場(chǎng)，典型廠商是村田，應(yīng)用領(lǐng)域例如RF，激光雷達(dá)等。另一種針對(duì)的是低壓大容量市場(chǎng)，典型技術(shù)提供商是臺(tái)積電，主要應(yīng)用領(lǐng)域是配合當(dāng)前先進(jìn)工藝。

2. 為什么需要使用硅電容

首先，我們要了解硅電容的特性，特性主要來(lái)自材料和工藝兩個(gè)部分，主要特性包括了高穩(wěn)定度，高可靠性，高密度，低厚度，低ESL，ESR等。由于材料使用的是硅，本身的性質(zhì)會(huì)更加穩(wěn)定，也不容易受到溫度，交直流電壓等的影響，不存在和MLCC一樣的受到溫度，交直流電壓的降額等問(wèn)題，只考慮降額問(wèn)題，硅電容只需要使用MLCC一半電容值就可以達(dá)到相似的有效容值，同時(shí)，硅電容的ESL和ESR會(huì)極大的低于當(dāng)前主流方案，傳統(tǒng)方案通過(guò)多個(gè)不同的電容組合達(dá)到阻抗，硅電容方案可以通過(guò)更少的電容數(shù)量和容值達(dá)到相同乃至更好的阻抗曲線。另外由于使用的是半導(dǎo)體工藝，可以極大的縮小電容兩級(jí)之間的距離，可以極大的提高電容密度，當(dāng)前每平方毫米的電容密度可以做到uf級(jí)別，同時(shí)半導(dǎo)體的工藝基于晶圓去加工，可以把硅電容的厚度做到極小，典型值可以做到100um以下，通過(guò)處理可以做到50um以下。

綜上我們可以看到，以下幾個(gè)典型應(yīng)用是硅電容的合適場(chǎng)景：1. 要求極高的穩(wěn)定度的，類似航天和軍工，這個(gè)也是目前硅電容應(yīng)用較多的領(lǐng)域；2.需要極低的ESL和ESR的，例如RF，激光雷達(dá)的濾波；3. 當(dāng)前MLCC放不開(kāi)的，典型類似大型處理器類似AI處理器，GPU處理器，對(duì)阻抗特性的高頻要求高，但是面積有限；4. 特別薄的領(lǐng)域，可能的場(chǎng)景類似折疊手機(jī)；5. 有電容集成需求，目前蘋(píng)果手機(jī)處理器把電容集成在芯片內(nèi)部和引腳中間，硅電容在厚度和加工上更加方便

3. 如何正確使用硅電容

硅電容有諸多好處，那么我們應(yīng)該如何正確使用硅電容呢？首先我們要明確一點(diǎn)就是是否需要，硅電容當(dāng)前的成本還是遠(yuǎn)高于普通MLCC，硅電容適合作為一個(gè)補(bǔ)充來(lái)使用，解決特定問(wèn)題，需要使用的場(chǎng)景包括性能要求（必須需要極低的ESL），面積要求（極低的厚度）等；明確了需要使用之后，可以選擇廠家，當(dāng)前市場(chǎng)是能夠提供硅電容方案的不多，需要認(rèn)真選擇合作廠家，選擇已經(jīng)有成熟方案的廠家；

審核編輯 黃宇