Пассивные компоненты остаются ключевым элементом в энергоемких приложениях и приложениях, интенсивно использующих данные. И поскольку окончание действия закона Мура для традиционных полупроводников и другие факторы подтолкнули к разработке новых технологических материалов, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), то и в области конденсаторов должны делать то же самое и решать возникшие задачи.
Независимо от того, используются ли конденсаторы для хранения энергии, развязки по питанию или настройки и фильтрации, они являются критически важными компонентами в каждой электронной конструкции. В настоящее время многослойные керамические конденсаторы (MLCC) стали повсеместными и используются во всем, от смартфонов до автомобилей. В результате, по прогнозам, к 2025 году рынок этих миниатюрных компонентов достигнет пяти триллионов устройств. Впрочем, из-за ряда недостатков они стали терять популярность.
Кремниевые конденсаторы – это один из способов, с помощью которого инженеры могут решить сложные задачи проектирования с точки зрения производительности, размера, стабильности и чувствительности, удовлетворяя требованиям по вибрации, температуре и электрическим помехам. Например, новая технология кремниевых конденсаторов E-CAP является примером того, как конденсаторы идут в ногу с прогрессом в других типах компонентов.
MLCC были отличными помощниками и рабочими лошадками в электронной промышленности, и их существование было и будет иметь важное значение для многих приложений. Но это факт, что направление движения некоторых проектов все больше обнажает их ограничения. По мере увеличения скорости передачи данных растут и требования к питанию, и необходимость решения этих проблем в пространственных оболочках, которые обычно становятся все меньше, несмотря на то, что конечные приложения включают в себя больше вычислительной мощности и функциональности, поднимает спектр проблем, связанных с шумом и температурой.
Загляните внутрь многих единиц современного оборудования, и вы увидите, что много места на плате занимают конденсаторы класса MLCC. Количество этих крошечных готовых устройств продиктовано высокой мощностью приложений, требующих больших объемов данных. Это часто дополнительно усугубляется требованием не только расширить частотную характеристику конструкции, но и гарантировать эффективное значение емкости после того, как будут учтены все снижения номинальных характеристик, вызванные напряжением, рабочей температурой и старением. Чтобы смягчить эти требования, в схему традиционно добавляют все больше и больше устройств. В конечном счете, сочетание этих факторов означает, что MLCC с длительным сроком службы часто больше не является элегантным, жизнеспособным или разумным решением. Другими характеристиками, которые становятся все более важными по мере увеличения мощности и частоты конечного приложения, являются эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). В простых конструкциях низкие значения этих паразитных характеристик, которые отодвигают значение конденсатора от «чистого» – то есть того, что указано на банке/упаковке – практически не влияют на производительность и надежность. Однако увеличение мощности и частоты может повлиять на эффективность и привести к неожиданной производительности и результатам. В результате конструкторы активно ищут альтернативы, одной из которых является кремниевый конденсатор.
По мере роста мощности и уменьшения доступного пространства основное внимание уделяется удельной мощности. Кремниевые конденсаторы обеспечивают значительно повышенную удельную мощность, о чем свидетельствует технология Empower E-Cap, которая обычно обеспечивает плотность емкости, в пять раз превышающую возможную с MLCC. E-CAP объединяет то, что ранее требовало нескольких отдельных компонентов, на одном кристалле в одном корпусе. Это значительно сокращает количество компонентов и может дать ценное пяти- или семикратное сокращение полезной площади платы, необходимой для данного емкостного решения. Также сокращаются объемы работ и общая стоимость владения (из-за вставки одного, а не нескольких компонентов). Соединения, выполненные на кристалле в корпусе, а не на печатной плате, означают, что надежность и прочность этого подхода также выше.
С точки зрения как электрических, так и физических характеристик, нет двух одинаковых приложений, поэтому инженеры-проектировщики могут получить интегрированные решения, адаптированные для конкретных нужд. С электрической точки зрения, E-CAP позволяет интегрировать в массив согласованные значения емкости в диапазоне от 75 пикофарад (пФ) до 5 микрофарад (мкФ).
Пассивные элементы часто были «не столь важными» компонентами по сравнению с активными компонентами, и в результате форма доступного пространства на плате после размещения основных компонентов может быть нестандартной, а высота корпуса может быть не очень большой. Это означает, что гибкость, позволяющая предложить интегрированный корпус, соответствующий требованиям приложения, имеет жизненно важное значение. Решения E-CAP могут учитывать размеры X и Y в списке пожеланий инженера, а общая высота упаковки составляет всего 50 мкм, поэтому свободное пространство не будет проблемой. Кроме того, варианты компоновки межсоединений на основе выступов, прокладок или опор позволяют разработчикам выбирать наилучшее решение с учетом системных ограничений.
Интегрированные и универсальные форм-факторы также облегчают использование инновационных подходов к размещению конденсаторов, например, «внутрикорпусных» и «подкорпусных» SoC, а также в приложениях фильтрации и байпасирования. Как уже упоминалось, при увеличении мощности и интенсивности передачи данных в меньшем пространстве могут возникнуть проблемы с производительностью, многие из которых связаны со снижением номинальных характеристик. В этой области кремниевые конденсаторы менее востребованы и вызывают минимальную головную боль при проектировании для инженеров, привыкших работать с MLCC.
Например, снижение номинальных значений температуры для MLCC может превышать 10 % при температуре до 85 °C, в то время как снижение номинальных значений из-за эффекта старения может составлять от 5 до 10 % в течение 10 000 часов работы. В дискретном решении MLCC это может потребовать дополнительных компонентов с сопутствующими проблемами стоимости и компоновки. Напротив, E-CAP почти не подвержены влиянию температуры и старения, и поэтому не требуют чрезмерного проектирования для смягчения последствий. Кроме того, они не требуют снижения номинальных значений смещения переменного или постоянного тока.
В то время как паразитные характеристики ESR и ESL становятся потенциальной проблемой для MLCC по мере увеличения мощности и частоты, решения с кремниевыми конденсаторами демонстрируют их на гораздо более низких уровнях, что устраняет неопределенность в отношении производительности. Кроме того, хотя E-CAP Empower имеют более низкую номинальную емкость, их превосходная частотная характеристика и ESL по сравнению с MLCC приводят к более низкому импедансу на высоких частотах.
Стремление к сокращению циклов проектирования для быстрого вывода привлекательных новых продуктов на рынок приводит к постоянному выбору решений «производить или покупать» (индивидуальное или готовое). MLCC явно попадают в последнюю категорию, но благодаря оптимизированному процессу проектирования индивидуальные решения на основе кремниевых конденсаторов по-прежнему могут помочь разработчикам выполнить работу в сжатые сроки.
© digitrode.ru