低ESL电容器减少贴装面积

前言
   近年来，以智能手机为代表的小型移动设备中，除了电话功能外，增加了数码相机、游戏、网页浏览、音乐播放器等许多功能，预计今后将有可能配备更多的功能。另外，今后还将普及LTE等高速数据通信功能，增加动画等大容量的数据交流。
    由于CPU的高速化和采用LTE通信，使得电力消耗变大，电池的容量也将随之上升，因此安装电子元器件的主要电路板将会出现越来越小的倾向。并且伴随着多功能化，电路板上安装的电子元器件的数量也会增加。特别是处理大容量数据的应用处理器IC电源，一个IC电源要使用几十个片状多层陶瓷电容器（Multi-Layer Ceramic Capacitor、以下称MLCC）。
通过上述的背景和智能手机技术的趋势来看，IC电源中使用的MLCC必须具备如下几点要求。
    小型、容量大
    阻抗低
    作为IC电源用的MLCC来说如果正确使用于小型大容量的低ESL电容器中的话，可以减少MLCC的1/2的使用量，同时也大幅度减少了MLCC所占据的使用面积。
使用低ESL电容器的目的

图1所示的是IC/LSI的电源线与所使用的MLCC的连接方式。
    IC/LSI开关速度的高速化使IC/LSI本身很容易变成噪声源，为了解决这种高频噪声和抑制电源电压波动，很多MLCC将被当做旁路电容来使用。
    图1中，从IC/LSI的HOT端子流出，经过MLCC，再回到IC/LSI的GND端子的电流回路的阻抗被称为环路阻抗。IC/LSI的HOT-GND间发生的电源电压波动，很大程度依存于这种环路阻抗。因此，抑制电源电压的变动首先需要降低环路阻抗。此时， MLCC的阻抗就成为了环路阻抗的一部分了。
降低环路阻抗通常是并联很多MLCC，总阻抗会因为并联的效果而变小。这里使用的MLCC的结构和等效电路如右下的图1所示，我所说的电容器是指因为安装了等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL），当中的ESL大大增加了高频率的环路阻抗。
    本次介绍的低ESL电容器如后述一样，是降低ESL制成的MLCC的一种。将这种低ESL电容器用作旁路电容，可降低环路阻抗。此外，用低ESL电容器代替MLCC，减少并联使用的数量，从而可大幅减少元件数量和贴装面积。

图1: IC/LSI电源线和MLCC的连接
低ESL电容器的种类和优点
    接下来解说下ESL电容器的构造和优点。低ESL电容器分为长宽逆转电容器和3端子电容器2类。
    长宽逆转电容器的构造如图2中间所示。与一般的MLCC的L纵向、W横向相反，纵向方向有外部电极。一般来说，MLCC的ESL会根据电流流过的距离产生相应的增加、幅度变大会有缩小的倾向，因此长宽逆转电容器的结构是电流流过的距离短、幅度大，从而实现了低ESL。
    接下来是3端子电容器的构造如图2最下方所示。3端子电容器的内部电极是由HOT过孔电极和GND过孔电极交替叠加的构造。因此，当电流流向旁路方向时，电流的流经距离短，幅度变大，因此ESL变低。此外，3端子电容器电流流经4个方向，因为这种并联效果从而实现了更低的ESL。特别是电流流向GND方向、和图的上下方向。因为这样的电流和产生的互感实现了低ESL。

图2: 低ESL电容器的种类和优势
    图3所示的是一般的MLCC和低ESL电容器，长宽逆转电容器和3端子电容器的阻抗频率特性的比较。不论哪个型号的容量都为1µF，因此自谐振点以下的频带显示出的特性基本相同，而自谐振点以上的频带则会根据ESL的不同，阻抗会有很大差异，长宽逆转电容器ESL是一般性的MLCC的1/3，3端子电容器ESL是一般MLCC的1/10。但是值得注意的是，这是单独比较电容器的性能，实际上因为在电路板上面安装使用的关系，环路阻抗除了电容器的ESL以外，还要增加电路板和过孔的电感的成分。

图3: 不同种类的不同阻抗频率特性
减少元件数的方法
图4是最新的小型大容量低ESL电容器和MLCC的阻抗频率特性的比较事例。
    长宽逆转电容器（1.0 x 0.6mm尺寸、4.3µF）的高频情况下的阻抗和2个MLCC(0.6 x 0.3mm、1µF)具备同等的阻抗，因此可以用2个MLCC代替1个长宽逆转电容器。
    3端子电容器(1.0 x 0.5mm尺寸、4.3µF)的高频情况下的阻抗同等于4个MLCC的阻抗，因此可以用4个MLCC代替1个3端子电容器。

图4: 减少元件数的方法
    图5中，根据3端子电容器的使用，来说明减少MLCC的原理。这里为了方便起见，只考虑过孔、走线以及电容器的简单结构。
    旁路电容中使用MLCC的事例。此时的环路阻抗会根据过孔和走线以及MLCC的电感成分达到阻抗的总值。
    为用1个MLCC来替换一个3端子电容器。3端子电容器比MLCC的ESL低，所以环路阻抗的总值也会减少。因此，可以抑制因环路阻抗导致的电压的变动。
    另外，再说明下3端子电容器的另一个使用方法。如用旁路电容来代替3端子电容器时，如果和MLCC具有同样的环路阻抗（电压波动水平相同）就行的话，不仅仅电容器阻抗的区别，还能设计成长的走线。（图5（3））。利用这种走线的长度，可以将几个电源端子集合成一个3端子电容器组合。于是就变成像图6一样，3端子电容器将许多的旁路电容器集合起来，从而减少了元件数量。此时走线的长度使得走线部分的阻抗增加，电容器的阻抗减少，但是总阻抗却不会改变。
    但是当走线细而长时，走线的电感为加大电容器阻抗的差距，而降低了效果。因此，为了减少走线的电感成分，走线的宽度应变大，旁路电容实际安装的面积，推荐连接电源强化并联效果。

图5: 环路阻抗的比较

图6: 通过使用3端子电容器来减少MLCC个数的示意图
阻抗的测定结果
    现在，据记载一些面向智能手机的IC应用的参考设计中，有超过100个的0201尺寸、1µF的MLCC来作为电源用的旁路电容。
    其中，推荐一些核心电源线中并联使用了10个以上的旁路电容、其他很多的电源线中也并联使用了2到3个电容器。
    将这些电容器从MLCC更换成低ESL电容器，在减少个数的同时，环路阻抗的测试结果如图7所示。因为使用了低ESL电容器的关系，既维持了相同的环路阻抗又将MLCC的个数从原来的100个减少到32个。也就是说，总共减少了68个MLCC。此外，更换成低ESL电容器还能使IC应用和它周围的电容器所占据的面积减少35mm2 。

图7: 减少个数和减少贴装面积
结语
    正确使用最新的小型大容量的低ESL电容器的话，IC电源用的MLCC的数量能够减少1/2，还能大幅度减少MLCC所占据的贴装面积。今后小型大容量的低ESL电容器将被商品化，为削减元件数和减少贴装面积做出贡献。