高速高密度PCB设计中电容器的选择

高速高密度PCB 设计中电容器的选择
电容器是电子电路中的基本元件之一，有重要而广泛的用途。按应用分类，大多数电容
器常分为四种类型：交流耦合，包括旁路（通交流隔直流）；去耦（滤除交流信号或滤除叠
加在直流信号上的高频信号或滤除电源、基准电源和信号电路中的低频成分）；有源或无源
RC 滤波或选频网络；模拟积分器或采样保持电路（捕获和存储电荷）。电容器的种类很多，
分类方法也较多，根据制造材料和工艺的不同，常用的有以下几类：NPO 陶瓷电容器、聚苯
乙烯陶瓷电容器、聚丙稀电容器、聚四氟乙烯电容器、MOS 电容器、聚碳酸酯电容器、聚酯
电容器、单片陶瓷电容器、云母电容器、铝电解电容器、钽电解电容器等。这些电容器各有
其特点，以满足不同的应用需要。
现在高速高密度已成为电子产品的重要发展趋势之一。与传统的PCB 设计相比，高速高
密度PCB 设计面临不少新挑战，对所使用的电容器提出很多新要求，很多传统的电容器已不
能用于高速高密度PCB。本文结合高速高密度PCB 的基本特点，分析了电容器在高频应用时
主要寄生参数及其影响，指出了需要纠正或放弃的一些传统认识或做法，总结了适用于高速
高密度PCB 的电容器的基本特点，介绍了适用于高速高密度PCB 的电容器的若干新进展。
1 电容器高频应用时寄生参数的影响
大量的理论研究和实践都表明，高速电路必须按高频电路来设计。对高速高密度PCB
中使用的电容器，基本要求是高频性能好和占用空间小。实际电容器都有寄生参数。对高速
高密度PCB 中使用的电容器，寄生参数的影响尤为重要，很多考虑都是从减小寄生参数的影
响出发的。
实际电容器的寄生参数较多，主要的寄生参数是等效串联电阻RS 和等效串联电感LS。
在分析电路时，为简便计，通常采用图1 所示的简化电容器等效模型。一般认为，RS 是由
电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻串联构成，LS 是由电容器的引脚电感与电
容器两个极板的等效电感串联构成。
电容器的等效阻抗为

以使电容器有尽可能小的阻抗和尽可能高的自谐振频率。

可见，在高速高密度PCB 设计中，选择和应用电容器时，需要纠正或放弃一些传统的认
识与做法。电容器的实际应用效果，不仅取决于其自身的性能，而且与应用设计和PCB 上的
具体情况密切相关，只有将这些因素综合加以考虑，所得出的结论才能准确地反映电容器在
电路中的作用。
对电容器较复杂的应用设计，作理论分析可能较困难。UltralCAD Design 公司提供专
门的计算机辅助分析软件，能很好地解决这一问题。
2 适用于高速高密度PCB 的电容器的基本特点
在高速高密度PCB 设计中，虽然不同的具体应用对电容器的具体要求不尽相同，但大多
要求电容器具有以下基本特点。
2.1 片式化
片式电容器的寄生电感几乎为零，总的电感可以减小到元件本身的电感，通常只是传统
电容器寄生电感的1/3~1/5，自谐振频率可达同样容量的带引线电容器的2 倍（也有资料说
可达10 倍）。所以，高速高密度PCB 中使用的电容器，几乎都选择片式电容器。
2.2 微型化

片式电容器的封装尺寸由1206、0805 向0603、0402、0201 等发展、主流已由0603 过渡到
0402。Murata Manufacturing 公司已经生产出 01005 的微型电容器［8］。微型化不仅满
足了高密度的需要，而且可以减小寄生参数和分布参数的影响。
2.3 高频化
许多现代电子产品的速度越来越高，计算机的时钟频率提高到几百兆赫乃至千兆赫，无绳电
话的频率从45MHz 提高到2400MHZ，数字无线传输的频率达到2GHZ以上。因而信号及其高次
谐波引起的噪声也相应地出现在更高的频率范围，相应地对电容器的高频性能提出越来越高
的要求。Vishay Intertechnology 公司的基于硅片的表面贴装RF 电容器的自谐振频率已达
13GHZ[9]。微型化的片式微波单层瓷介电容器（SLC）的自谐振频率已达50GHZ[10]。
2.4 多功能化
将电容器与其它元件组合在一个封装内（很多已实现了片式化），不仅实现多功能，而且节
省PCB 面积、使用方便。Murata Manufacturing 公司在三端片式电容器（叠层型片式穿心
电容器，feedthrough filter capacitor）的基础上，又开发出含有电阻器的三端片式电容
器NFR 系列、含有电感器的三端片式电容器NFW 系列、含有两个磁珠的三端片式电容器NFL
系列等[8]。Syfer Technology 公司将两个Y 电容器和一个X 电容器集成在一起，构成一个
叠层型片式X2Y 电容器组件，可同时抑制共模和差模噪声，其封装尺寸为2012（0805）和3216
（1206），用于DC 电源滤波器[11]。AVX 公司经过精心设计叠层型片式穿心滤波电容器内
部电路，将70％的寄生支路电感转移成输入/输出线上的串联电感，起到一个T 形低通滤波
器的作用，从而显著提高自谐振频率，加宽对噪声抑制的频宽，提高对噪声抑制的强度。该
公司还开发了一种新材料，用叠层技术解决了R-C 组合问题，避开了陶瓷膜－银电极－钌系
电阻膜共烧的复杂工艺，开发出一系列称之为Z 产品的组件，如R-C 组件、R-C-R 低通滤波
器及其阵列等[12]。
3 适用于高速高密度PCB 的电容器的若干新进展
3.1 兼顾几方面性能
有些电容器的发展，追求几方面性能同时兼顾高速高密度PCB 的应用需要。
Vishay Intertechnology 公司推出了业界首款封装尺寸为0603 且基于硅片的表面贴装RF
电容器——HPC0603A[9]。该款电容器是基于Vishay 专有半导体工艺开发的，其构造降低了
寄生电感。与传统RF 电容器相比，该款电容器的自谐振频率值高出2～3 倍。高性能、高精
度的HPC0603A 的容量范围在3.3～560pF，自谐振频率值高达13GHz。在该范围提供E12 值的
HPC0603A 在1MHZ 至数GHZ频率范围内均能稳定运行，寄生电感只有0.046nH。该款电容器的
Q 因数达4157、容差为±1%或0.05pF，等效串联电阻也很小。HPC0603A 的面积为
1.60×0.80mm2，高度为0.56mm，并具有6V、10V、16V 及25V 的电压可供选择。HPC0603A 的
高电容范围和相对较小的封装提高了电路Q 值、发送范围和可靠性。HPC 器件的独特结构减
少了由于PCB 上的互连线路缩短而引起的寄生现象，并通过缩短组件间的距离提高了电路性
能。这种创新设计使电容器的自谐振频率显著提高。
3.2 突出个别方面性能
有些电容器的发展，追求个别方面性能突出，以满某些高速高密度PCB 的特殊应用需要。

由于目前的集成元件技术无法做出容量较大的电容器，用现有的技术通过集成电路获得较大
的电容非常困难，所以无源元件供应商不断为分立元件开发更小的封装。Murata
Manufacturing 公司已开始生产封装尺寸仅为01005 的微型电容器[8]。
这种电容器小到肉眼几乎看不见，占用PCB 的面积和体积分别比0201 电容器缩小50%和70%。
该公司的01005 电容器代号为GRM102，COG 系列的容量范围为2～15pF，X5R 系列的容量范
围为1000～10000pF。另据报导，Samsung Electro-Mechanics 公司COG 系列01005 陶瓷电
容器的容量范围为１～10pF，XR5系列的容量范围为1000～4700pF。
3.3 改进传统电容器
利用相关的新材料、新工艺等改进一些传统的电容器，从根本上克服其主要缺点，充分发挥
其优点，以满足高速高密度PCB 的应用需要。
最具代表性的是铝电解电容器，以有机半导体材料如TCNQ（1S/cm）和导电聚合物如聚吡咯
（120S/cm）等作为阴极材料研制出固体片式铝电解电容器。由于新型阴极材料具有比传统
电解液（10－2S/cm 以下）高得多的电导率，使新型铝电解电容器不仅实现了片式化，而且
克服了传统铝电解电容器温度特性和频率特性差的缺点，达到近乎理想电容器的阻抗频率特
性，使铝电解电容器的电性能和可靠性有了质的提高，大大拓宽了铝电解电容器的应用范围
[13]。
3.4 可封装在芯片内的电容器
研制能封装在大规模集成电路（LSI）内部的电容器，也是电容器技术的重要发展方向之一。
ALPS 电气公司正与North 公司联合，开发在LSI 封装的内部底板中封装高电容率薄膜电容
器(thin film capacitor)的技术。有关专家认为，工作频率在数GHZ～10GHZ 以上的高速逻
辑LSI 必须使用这种技术［14］。此次开发的技术就是指将过去封装在LSI 封装外部的去耦
电容器封装到内部。由此将会最大限度地缩短电容器与倒装芯片之间的距离。因封闭内部布
线的寄生电感减小了，故开关时即可迅速向倒装芯片供应电荷，结果使电源电压更加稳定。
预计这项技术会很快走向实用。
此类技术也给高速高密度PCB 设计，带来新的理念和条件，值得充分重视。
4 结束语
高速高密度PCB 设计技术不断发展，对所使用的电容器性能要求越来越高；随着电容器技术
的不断进步，新型电容器不断出现；针对高速高密度PCB 的电容器应用技术的研究不断深入。
这些都使得在高速高密度PCB 设计中，恰当选用电容器，不是一件简单的事。尽管电容器的
种类较多，但对某一具体应用，最合适的通常只有一两种。全面认识高速高密度PCB 的特点
和电容器的高频特性，及时了解相关的新器件和新技术，综合考虑具体应用需要、技术难度、
经济成本等因素，对恰当选用电容器是十分必要的。
本文的讨论对高速高密度PCB 设计中电容器的选择具有一定的指导作用。
作者简介：周胜海，男，1962 年12 月生，汉族，硕士，副教授，主要从事电子技术方向的
研究。