超寬帶電容,盡管多是固態(tài)的MLCC,仍需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的可靠性測(cè)試以確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。關(guān)鍵測(cè)試包括:高溫高濕負(fù)荷測(cè)試(HAST)、溫度循環(huán)測(cè)試(TCT)、高溫壽命測(cè)試(HTOL)、機(jī)械沖擊和振動(dòng)測(cè)試等。失效模式包括陶瓷介質(zhì)開裂(機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致)、電極遷移(高溫高濕下)、性能退化等。通過(guò)加速壽命測(cè)試數(shù)據(jù),可以建立模型來(lái)預(yù)測(cè)電容在正常工作條件下的壽命和失效率(FIT)。高可靠性的超寬帶電容是通信基礎(chǔ)設(shè)施、汽車和航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用的基石,其可靠性是系統(tǒng)級(jí)可靠性的前提。其性能直接影響無(wú)線通信設(shè)備的靈敏度和通信距離。111XEC560J100TT

多層陶瓷芯片(MLCC)是實(shí)現(xiàn)超寬帶電容的主流技術(shù)路徑。為追求超寬帶性能,MLCC技術(shù)經(jīng)歷了明顯演進(jìn)。首先,采用超細(xì)粒度、高純度的介電材料(如Class I類中的NPO/COG特性材料),這類材料的介電常數(shù)隨頻率和溫度的變化極小,保證了電容值的穩(wěn)定性。其次,采用層層疊疊的精細(xì)內(nèi)部電極結(jié)構(gòu),并通過(guò)優(yōu)化電極圖案(如交錯(cuò)式設(shè)計(jì))和采用低電感端電極結(jié)構(gòu)(如三明治結(jié)構(gòu)或帶翼電極),極大縮短了內(nèi)部電流路徑,有效降低了ESL。,封裝尺寸不斷小型化(如0201, 01005甚至更?。?,不僅節(jié)省空間,更關(guān)鍵的是因?yàn)楦〉奈锢沓叽缫馕吨偷墓逃须姼?,使其自諧振頻率得以推向更高的頻段。111YJ181M100TT超寬帶電容指在極寬頻率范圍內(nèi)保持性能穩(wěn)定的電容器。

即使選擇了ESL極低的超寬帶電容,不合理的PCB布局和安裝也會(huì)引入巨大的安裝電感,徹底毀掉其性能。安裝電感主要來(lái)自電容焊盤到電源/地平面之間的過(guò)孔(via)和走線。為了小化安裝電感,必須遵循以下原則:一是使用短、寬的走線連接;二是使用多個(gè)緊鄰的、低電感的過(guò)孔(via)將電容的兩個(gè)端直接連接到近的電源層和地層;三是采用對(duì)稱的布局設(shè)計(jì)。對(duì)于比較高頻的應(yīng)用,甚至需要采用嵌入式電容技術(shù),將電容介質(zhì)材料直接制作在PCB的電源-地平面之間,實(shí)現(xiàn)近乎理想的平板電容結(jié)構(gòu),將寄生電感降至幾乎為零,這是實(shí)現(xiàn)超寬帶性能在系統(tǒng)級(jí)上的手段之一。
單一電容器無(wú)法在超寬頻帶內(nèi)始終保持低阻抗。因此,在實(shí)際電路中,需要構(gòu)建一個(gè)由多個(gè)不同容值電容器組成的退耦網(wǎng)絡(luò)。小容量電容(如0.1μF, 0.01μF, 1000pF, 100pF)擁有較高的自諧振頻率,負(fù)責(zé)濾除中高頻噪聲;而大容量電容(如10μF, 47μF)或電解電容負(fù)責(zé)濾除低頻紋波和提供電荷儲(chǔ)備。這些電容并聯(lián)后,它們的阻抗曲線相互疊加,從而在從低頻到極高頻的整個(gè)范圍內(nèi)形成一條平坦的低阻抗路徑。PCB上的電源分配網(wǎng)絡(luò)(PDN)設(shè)計(jì)就是基于此原理,通過(guò)精心選擇不同容值、不同封裝的電容并合理布局,來(lái)實(shí)現(xiàn)超寬帶的低阻抗目標(biāo),確保電源完整性。選擇超寬帶電容是為產(chǎn)品高性能和可靠性進(jìn)行的關(guān)鍵投資。

與傳統(tǒng)電解電容(鋁電解、鉭電解)相比,超寬帶MLCC電容具有壓倒性的高頻優(yōu)勢(shì)。電解電容的ESL和ESR通常很高,其有效工作頻率很少能超過(guò)幾百kHz到1MHz,主要用于低頻濾波和大容量?jī)?chǔ)能。而超寬帶MLCC的ESL和ESR極低,工作頻率可達(dá)GHz級(jí)別。此外,MLCC沒(méi)有極性,更安全(無(wú)?電容的燃爆風(fēng)險(xiǎn)),壽命更長(zhǎng)(無(wú)電解液干涸問(wèn)題),溫度范圍更寬。當(dāng)然,電解電容在單位體積容量和成本上仍有優(yōu)勢(shì),因此在實(shí)際系統(tǒng)中,它們常與超寬帶MLCC搭配使用,分別負(fù)責(zé)低頻和高頻部分。它有助于減少對(duì)外部濾波元件的依賴,節(jié)省PCB空間。116THC7R5K100TT
嵌入式電容技術(shù)將電容埋入PCB板層,徹底消除安裝電感。111XEC560J100TT
介質(zhì)材料的選擇直接決定了電容器的基本頻率和溫度特性。Class I類材料,如COG(NPO)特性,具有比較高的穩(wěn)定性:其介電常數(shù)隨溫度、頻率和電壓的變化微乎其微,損耗角正切(tanδ)極低,非常適合用于要求高Q值、低損耗和超穩(wěn)定性的超寬帶高頻電路、諧振器和濾波器中。但其相對(duì)介電常數(shù)較低,因此難以在小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高容值。Class II類材料,如X7R、X5R特性,具有高介電常數(shù),能在小尺寸下實(shí)現(xiàn)高容值,常用于電源退耦和通用濾波。但其容值會(huì)隨溫度、頻率和直流偏壓明顯變化,損耗也較高,在高頻高性能應(yīng)用中受限。超寬帶應(yīng)用會(huì)根據(jù)具體頻段和功能需求混合使用這兩類材料,以達(dá)到性能與成本的比較好平衡。111XEC560J100TT
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