适合高频应用的表面贴装多层陶瓷电容
|
电子产品的工作频率现在日益升高，并且涵盖广泛的应用： RF 功率放大器 RF 功率发生器 仪表 – 电子和机械 磁共振成像（MRI）设备 航空电子 卫星通信 一般无线通信 电路设计考虑事项 在要求不太严格的应用中，选择电容的关键因素比较简单，只需确保电容的工作电压不低于电路的工作电压，然后选择合适的容值即可。还要选择连接方法（径向引线、轴向引线或表面贴装），然后进行与尺寸方面的优化。另外还可能需要考虑温度与电压特征（TCC 和 VCC），但对大多数商业应用而言，这些往往都不是重要因素。 但随着电路工作频率增加，其他因素变得重要，如电容的衰减特性。在蓝牙电路中，2.4GHz 频率下的过多衰减会减弱发出信号，妨碍电路正确工作。同样，滤波电路中的电容的衰减特性也必须规定正确频率下的衰减。衰减特征的常见量度是自谐振频率（SRF）。 高频应用中需要考虑的第二个因素是电容的等效串联电阻（ESR）。ESR 会造成电路功率损耗，损耗大小大致与 ESR 值成比例。该功率损耗通过欧姆加热（ohmic heating）转化为热。所产生的热量与 ESR 成比例（并与流过器件的电流的平方成比例）：Q ∝ ESR × I2。 电容结构考虑事项 电容的结构会影响其特性。图 1 是一种典型多层陶瓷电容（MLCC）的剖视图。陶瓷材料对 SRF 和 ESR 有影响。I 类材料（通常为NPO / C0G）的谐振频率较高（高 SRF）而 ESR 较低，而 II 类材料（通常为 X7R）的谐振频率较低（低 SRF）而 ESR 较高。高频应用中最常使用 I 类材料。
图 1：典型 MLCC 结构 但在使用这些陶瓷材料的情况下，电极材料的选择也会影响电容的性能。虽然电极可用贱金属制造，如铜（Cu）或镍（Ni），但高频应用通常要求低损耗，所以通常使用贵金属。RF 设计中使用的这些材料通常为铂（Pt）、钯（Cu）或银（Ag）。选择 100% 钯（100Pd）比较常见。该材料能够经受非常高的温度，这意味着可在高温下对电容进行处理，以实现充分密实化。 理想情况下应使用纯银，因为其导电性最佳。不过其熔点比其他材料低，所以未被选用。但借助合适的陶瓷配方和控制得当的制造工艺，可使用由银钯合金构成的电极。实际中使用的是只含 5% Pd 的合金。显然，这样做的一个好处是用相对便宜的银替代昂贵的钯。由此得到一种更具商业可行性的产品。但还有另一个影响因素：一些银钯合金的阻值低于纯钯（参见图 2）。含 5% 钯的合金的电阻系数约为纯钯的三分之一（合金的 3.8Ωcm 对 100% 钯的 10.3Ωcm）。采用低电阻系数的电极有助于降低电容的 ESR。
图 2：银钯合金的电阻系数 应对功率损耗 虽然陶瓷材料会产生功率损耗，但一般认为高频时的损耗主要来自 MLCC 的电极电阻。如图 3 所示，对比不同频率下的 ESR 可看到低电阻系数的影响。采用 100% 钯电极的电容的 ESR 是采用银钯合金电极的电容的两倍之多。
图 3：不同电极材料的 ESR 对比 低 ESR 在担心功率耗散的 RF 应用中是个显著优点。为证明低 ESR 的好处，我们进行了连续波（CW）RF 功率测试。将两个 180pF、1111 尺寸的 MLCC 并行放置并接受 120W 输入功率（360MHz）。热成像（图 4）证实，使用 100% 钯电极的电容比使用银钯合金电极的电容更热。表面温度测量结果显示，达到稳定状态时，使用 100% 钯电极的电容比使用银钯合金电极的电容的温度高 5°C。图 5 是一个典型示例。
图 4：荷载条件下的热像
图 5：荷载条件下的温度上升 其他因素 ESR 和功率处理是 RF 电容的主要性能特性，当电极材料不同时频率特性又会怎样呢？大致来说没有多大不同。 图 6 和图 7 显示了 0402 和 0603 尺寸产品的自谐振频率和并联谐振频率（以产品的容值为变量）。从图中可以看出差异非常小。同样，从图 8 和图 9 可以看出，采用纯钯电极制造的电容与采用银钯合金电极制造的电容的插入损耗（信号在传输期间所产生的损耗的量度）的差异也较小。
图 6：0402 尺寸产品的 SRF 和 PRF，以容值为变量
图 7：0603 尺寸产品的 SRF 和 PRF，以容值为变量
图 8：0402 1pF 电容的插入损耗
图 9：0402 10pF 电容的插入损耗 |
