Кремниевые 3D-конденсаторы от Murata

Развитие полупроводниковых технологий порой приводит к неожиданным последствиям. Так, например, некоторые производители пассивных компонентов используют полупроводниковую кремниевую технологию для создания кремниевых конденсаторов. В частности, 3D-конденсаторы SiCap от Murata отличаются малыми габаритами, высокой удельной емкостью и отличной стабильностью.

С точки зрения современных электронных устройств идеальный конденсатор должен обладать высокой емкостью, малыми габаритами и повышенной стабильностью электрических характеристик. К сожалению, объединить эти качества в одном конденсаторе не получается. Например, многослойные керамические конденсаторы (MLCC) с неполярным диэлектриком (NPO, C0G) отличаются высокой стабильностью, но имеют низкую емкость. Для MLCC-конденсаторов с полярным диэлектриком (X7R или X5R) удельная емкость оказывается существенно выше, но их применение не всегда возможно из-за большой температурной зависимости. К счастью, производители не стоят на месте и предлагают новые, порой неожиданные, решения. В частности, компания Murata производит кремниевые 3D-конденсаторы SiCap по интегральной технологии.

Способы увеличения удельной емкости конденсаторов

Современные приложения требуют чрезвычайно компактных конденсаторов. Однако для получения малых геометрических размеров необходимо обеспечить высокую удельную емкость. Хорошо известно, что емкость плоского конденсатора оказывается прямо пропорциональной его площади (рис. 1):

$$C=\frac{\varepsilon_{r}\varepsilon_{o}S}{d}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
где ?_r– диэлектрическая проницаемость материала, ?₀ – диээлектрическая постоянная, S – площадь электродов, d – толщина диэлектрика.

Емкость плоского конденсатора пропорциональна его площади

Рис. 1. Емкость плоского конденсатора пропорциональна его площади

Разумеется, увеличить емкость можно и за счет уменьшения толщины диэлектрика, однако это приведет к снижению рабочего напряжения, что не всегда допустимо.

Существует несколько альтернативных способов увеличения площади электродов. В электролитических конденсаторах для этого используются пористые электроды с большой эффективной площадью поверхности. Еще одним способом увеличения эффективной площади является увеличение числа слоев, как в многослойных керамических конденсаторах (MLCC). Для них емкость определяется формулой (2):

$$C=\frac{\varepsilon_{r}\varepsilon_{o}S\left(N-1 \right)}{d}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$
где N – число внутренних слоев конденсатора.

В современных интегральных микросхемах очень часто используют интегральные кремниевые конденсаторы, которые выращиваются на поверхности кристалла параллельно с другими полупроводниковыми компонентами (диодами, транзисторами и др.). Очевидно, что единый технологический процесс является очень привлекательным для производителей микросхем. Однако из-за низкой удельной емкости и, как следствие, большой занимаемой площади, самостоятельное использование кремниевых конденсаторов долгое время было ограничено. К счастью, развитие интегральных технологий помогает решить эту проблему.

Так как в случае с интегральными кремниевыми конденсаторами возможность создания многослойной конструкции, как в MLCC-конденсаторах, оказывается исключена, то производители пошли по пути электролитических конденсаторов и постарались увеличить эффективную площадь за счет применения пористой структуры (рис. 2). Благодаря созданию на поверхности кремния вертикальных канавок удалось повысить емкость примерно в 10 раз.

Конденсатор с круглыми канавками

Рис. 2. Конденсатор с круглыми канавками

Компания Murata пошла еще дальше и создала собственную интегральную технологию, в которой на поверхности кремния вытравливаются сложные трехлепестковые островки, что еще больше повышает эффективную площадь электродов (рис. 3).

Кремниевый конденсатор SiCap от Murata с трехмерной структурой и трехлепестковыми канавками

Рис. 3. Кремниевый конденсатор SiCap от Murata с трехмерной структурой и трехлепестковыми канавками

По оценкам Murata такая развитая поверхность электродов позволяет увеличить удельную емкость на единицу поверхности в 100 раз по сравнению с плоскими конденсаторами (рис. 4).

Технология SiCap от Murata позволяет в 100 раз уменьшить площадь, занимаемую конденсатором

Рис. 4. Технология SiCap от Murata позволяет в 100 раз уменьшить площадь, занимаемую конденсатором

SiCap-конденсаторы от Murata

В настоящий момент Murata выпускает более двух десятков серий SiCap-конденсаторов (рис. 5):

Емкостью от единиц пФ до единиц мкФ;
Толщиной от 85 мкм;
С рабочей температурой до 250°C;
С частотным диапазоном до 100 Гц;
С отличной температурной стабильностью;
С отсутствием эффекта уменьшения емкости при приложении постоянного напряжения (эффект DC-bias).

Конденсаторы SiCap от Murata представлены несколькими сериями

Рис. 5. Конденсаторы SiCap от Murata представлены несколькими сериями

Существует две больших группы SiCap-конденсаторов от Murata (рис. 6):

предназначенные для обычного SMD-монтажа;
предназначенные для развари контактных площадок с помощью проволочных проводников.

Разварка выводов с помощью проволок является более сложным технологическим процессом, но позволяет обеспечить эффективное электрическое соединений, что особенно важно для высокочастотных систем.

Монтаж конденсаторов SiCap от Murata

Рис. 6. Монтаж конденсаторов SiCap от Murata

Что касается электрических свойств SiCap-конденсаторов, то они по многим параметрам превосходят характеристики обычных MLCC-конденсаторов.

Во-первых, удельная емкость SiCap-конденсаторов значительно выше, а толщина значительно меньше, чем у MLCC-конденсаторов с неполярным диэлектриком. Так, например, чтобы набрать емкость 100 нФ из NPO-конденсаторов, потребуется использовать 10 компонентов, в то время как в случае с SiCap будет достаточно одного конденсатора толщиной всего 100 мкм (рис. 7).

Один конденсатор SiCap может заменить несколько MLCC-конденсаторов C0G

Рис. 7. Один конденсатор SiCap может заменить несколько MLCC-конденсаторов C0G

Во-вторых, температурная стабильность SiCap-конденсаторов лишь незначительно уступает NPO и существенно превосходит X7R (рис. 8). При этом производитель гарантирует работу некоторых серии SiCap даже при температурах до 250°С, тогда как для NPO и X7R верхняя граница температурного диапазона составляет «всего» 125°С. Таким образом, SiCap-конденсаторы могут использоваться не только в промышленных и автомобильных приложениях, но и в других областях с жесткими условиями эксплуатации.

Конденсаторы SiCap отличаются великолепной температурной стабильностью

Рис. 8. Конденсаторы SiCap отличаются великолепной температурной стабильностью

В третьих, популярные MLCC-конденсаторы с полярным диэлектриком (X7R или X5R), имеют очень неприятное свойство – их емкость уменьшается при приложении постоянного напряжения (эффект DC-bias) (рис. 9). SiCap-конденсаторы и MLCC-конденсаторы с неполярным диэлектриком свободны от этого недостатка, что позволяет им работать в составе измерительных систем, в различных цепях компенсации и калибровки.

Конденсаторы SiCap отличаются минимальной зависимостью емкости от приложенного напряжения

Рис. 9. Конденсаторы SiCap отличаются минимальной зависимостью емкости от приложенного напряжения

Рассмотрим примеры некоторых серий SiCap-конденсаторов от Murata.

Серия HSSC (High stability & reliability) – высокостабильные и надежные SiCap-конденсаторы, обладающие следующими характеристиками:

Диапазон емкостей: 47 пФ … 3,3 мкФ;
Температурный коэффициент емкости: +60 ppm/°C;
Допуск: ±15%;
Максимальное рабочее напряжение: 11…30 В;
Сопротивление изоляции: 100 ГОм (3 В);
Диапазон рабочих температур: -55°C…150°C;
Высота: 0,4мм.

Возможные типоразмеры конденсаторов серии HSSC представлены на рис. 10.

Модельный ряд серии HSSC

Рис. 10. Модельный ряд серии HSSC

Серия LPSC (Low profle) отличается от предыдущей серии сверхтонким исполнением 100 мкм (по запросу от 80 мкм). Возможные типоразмеры конденсаторов серии LPSC представлены на рис. 11.

Модельный ряд серии LPSC

Рис. 11. Модельный ряд серии LPSC

Серии HTSC, XTSC (Xtreme temperature) предназначены для работы при сверхвысоких температурах вплоть до 200 °С (HTSC) и до 250 °С (XTSC). Возможные типоразмеры конденсаторов данных серий представлены на рисунке 12.

Модельный ряд серии HTSC и XTSC

Рис. 12. Модельный ряд серии HTSC и XTSC

Несколько серий конденсаторов SiCap предназначены для высокочастотных приложений:

XBSC с частотным диапазоном до 100 ГГц;
UBSC с частотным диапазоном до 60 ГГц;
BBSC с частотным диапазоном до 40 ГГц;
ULSC с частотным диапазоном до 20 ГГц.

Возможные типоразмеры конденсаторов данных серий представлены на рис. 13.

Модельный ряд высокочастотных серий SiCap от Murata

Рис. 13. Модельный ряд высокочастотных серий SiCap от Murata

В заключение хотелось бы отметить, что кремниевые конденсаторы также имеют и недостатки, среди которых следует отметить относительно высокую стоимость и ограниченный диапазон рабочих напряжений. Таким образом, не стоит ожидать, что SiCap-конденсаторы смогут вытеснить популярные MLCC-конденсаторы из таких устройств, как DC/DC-преобразователи, усилители, фильтры и т.д. Тем не менее, уже сейчас видно, что для ряда высокочастотных приложений и приложений с жесткими внешними условиями эксплуатации, конденсаторы SiCap могут стать отличным выбором.

Характеристики SiCap-конденсатора 935132429733-xxN: