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未来电子设备小型化高性能要求MLCC与其适应

    未来电子设备注定不能高大笨重,随著半导体集成技术的发展,IC的集成度越来越高,线路板表面上元器件的使用日趋减少。不过随著各种电子设备功能的增加、半导体器件的高速化低功耗(低电压驱动)趋势、电子模块的小型化及接口数增加,势必会引起电子回路的电磁干扰,为了使电子线路能正常稳定地工作,就需要增加外围元件来消除电磁噪声保证电路的正常工作,这对于被动元件的需求反而有所增加。
    MLCC封装趋向小型化及薄型化发展
    手机、手提电脑、游戏机、液晶电视等家用电器的多功能化、小型化,对电容、电感、电阻、接插件等元件也提出了更高的要求。TDK为了顺应市场的需求,积极推进小型、大容量应用,正在完善从C0603到C0402尺寸的超小型MLCC产品系列布局。
    C0402尺寸与C0603尺寸相比可节省大约40~50%的贴片有效面积,同时小型化还可以减少由于布线而产生的寄生感抗和寄生电阻。由于尺寸的减少,元件自身的ESL(串联等效电感)/ESR(串联等效电阻)可以变得更小,同时对电容的高频特性也非常有利。  
    MLCC性能走向低ESL/ESR和大容量化
    对应PC、手机等终端机的小型轻量化、多功能化发展趋势,除了高密度贴片的要求以外,为了满足电子回路的高性能、多功能,LSI的工作频率越来越高,这对于低阻抗电源供给也提出了更高的要求。对于手机等移动类电子终端设备,为了使充电电池使用时间更长,驱动电压会越来越低,同时为了防止设备的误动作,EMC对策也变得越来越重要,市场对于能够在宽频(MHz~GHz)使用的低阻抗低感抗ESR/ESL、小尺寸大容量MLCC的需求变得更为迫切。

    在电子线路中,由于各种噪声的影响,使得IC供电线的电压经常发生变动,从而造成IC器件不能正常工作。对于CPU、GPU、MPU等高速计算的半导体器件,由于时钟频率的提高,在线路中会产生较为突变的电压变化,此时既要能够在高速环境下工作,又能使电源电压稳定,这就需要在这些高频的IC周围配置上既能消除噪声,也能使电源电压稳定的高容量、低阻抗的MLCC。一般的电容器由于ESR、ESL的存在,随著工作频率的增加,它的阻抗也随之增加。在设计上一般会采用适用于不同频率的电容组合来对应,这就需要增加电容的使用数量,但这样并没有提高抑制噪声的带宽。TDK开发的高容量三端子MLCC系列,可以既使电容的使用数量减少,又可以提高高频带抑制噪声的能力。
    便携式终端机如手机、GPS对MLCC的体积、厚度与重量提出了更高的要求,为了对应该类市场的需求,TDK还推出了超薄型的倒置MLCC系列,它的厚度只有0.35毫米,对于高频带宽的低阻抗非常有效。另一方面,高Q值的MLCC其共振频率SRF是比较高的,同时具有非常低的阻抗,当这种高Q值MLCC组合和IC共用时,会引起新的噪声。
    TDK在去年推出了新型ESR可控型MLCC系列产品,用于IC电源的去耦回路,它的特点是在高频带域段有比较平稳的阻抗特性,可以解决部品间产生的电气干扰和降低电容的使用个数。 
    MLCC未来技术发展动向
    陶瓷贴片电容性能的提高主要体现在以下五个方面:
    电气特性:单位体积容量密度的提高是由高介质率材料、薄层化、多层化所构成,同时,频率响应特性、直流偏置电压特性、损耗系数也是非常重要的特性。
    功能:应用制品的不同要求对MLCC提出了各种各样的功能要求,MLCC的设计用模拟技术也是很重要的。
    可靠性:由于应用制品的多样性,MLCC的工作温度范围、使用电压等条件越来越苛刻,由于汽车电装化的加速,电容的小型、高性能化和在高温、高耐压条件下的可靠性是非常重要的。同时产业用的电子设备要求MLCC在非常苛刻的条件下耐高低温冲击要具有非常高的可靠性,并且能够正常稳定地进行工作。
    SMT贴片:高密度的贴装要求MLCC在尺寸、形状、精度以及端子电极、编带形态也提出了很高的要求,例如TDK的窄间距编带、有利用环保、可再生利用。
    价格:随著MLCC向小型化、高容量化发展以及市场的竞争,近年来价格的下降也是非常显著的,但是由于制造工艺的难度增加,电解质的微小化、薄层化降低了制品的合格率,使生产成本有所增加。当然,这个高性能和低价格的矛盾是需要制造厂商进一步解决的。   
    材料技术发展趋势
    支撑MLCC发展的最重要是材料技术的开发,从1991年开始,MLCC的内部电极从贵金属(Pd、Ag)到贱金属(N)的工业化的成功开始,使MLCC的小型化大容量化有了飞速的发展。与此同时薄层、多层化技术、设计的宽容度也有了飞速的提高。
    TDK公司高介质率材料的开发正在快速发展,介质厚度小于1μm,介质颗粒直径在0.2~0.25μm之间,介质率在3,800~4,000之间。介质的微细化是介质薄层化的基础,一般来说介质的颗粒微细化会导致介质材料的介质率降低,这是材料设计的一个难点所在。TDK公司在材料开发方面采用了以BaTiO3高结晶的钛酸钡为主要的材料,使得介质的细微化和高介质率成为可能。
    电子设备的小型化、高性能化是今后电子工业的发展趋势,由于根据目前的经济状况,价格的竞争不可避免,这对MLCC的制造厂商也提出了更高的要求。对于材料技术、模拟技术、制造工序技术的开发将是所有MLCC生产厂商所面临的课题。


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