ตัวเก็บประจุขั้นสูงอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อขนาด ประสิทธิภาพ และความน่าเชื่อถือของระบบ

ส่วนประกอบแบบพาสซีฟมีวิวัฒนาการครั้งใหญ่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา และอัตราที่เทคโนโลยีเหล่านี้ก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องกําลังเร่งตัวขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้รวมถึงขนาดและน้ําหนักที่เล็กลงเรื่อย ๆ พร้อมกับความน่าเชื่อถือของชิ้นส่วนแต่ละชิ้นและประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีขึ้น ความก้าวหน้าเหล่านี้ได้แทรกซึมเข้าไปในข้อเสนอตัวเก็บประจุแทบทั้งหมด แต่เทคโนโลยีตัวเก็บประจุเฉพาะสองแบบ ได้แก่ ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น (MLCC) และตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ และเนื่องจากประมาณ 80% ของส่วนประกอบบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นแบบพาสซีฟและส่วนใหญ่เป็นตัวเก็บประจุตัวเก็บประจุขั้นสูงเหล่านี้จึงมีผลกระทบอย่างมากต่อขนาดประสิทธิภาพของและความน่าเชื่อถือของระบบ

ตัวเก็บประจุ

วงจรรวม (IC) สมัยใหม่ใช้ทรานซิสเตอร์มากกว่าอุปกรณ์รุ่นเก่า พวกเขาต้องการแหล่งจ่ายไฟที่มีกระแสไฟและการเปลี่ยนกระแสไฟที่สูงขึ้นมาก (di/dt) และด้วยเหตุนี้ เครือข่ายการจ่ายไฟ IC ความจุที่สูงขึ้นเพื่อรองรับความต้องการ di/dt ที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้

เครือข่ายการจ่ายไฟฟ้าที่มีความจุสูงขึ้นสามารถทําได้ด้วยตัวเก็บประจุที่มีขนาดเล็กกว่าและมีความหนาแน่นสูงซึ่งวางไว้ใกล้กับ IC มากขึ้น ตําแหน่งนี้ช่วยลดเวลาที่ตัวเก็บประจุต้องใช้ในการส่งกระแสไปยังโหลดและเพิ่มประสิทธิภาพ  

ตัวเก็บประจุขนาดเคสที่เล็กกว่า (เช่น 0402, 0201, 01005 และ 008004) มีให้เลือกหลายวิธีในการต่อพ่วงที่ใช้งานได้จริงและต้นทุนต่ํา ซึ่งช่วยให้สามารถ (ก) วางไว้ใกล้กับแม่พิมพ์ IC และ (ข) ปรับวงจรให้เหมาะสม

ตัวเก็บประจุ เซรามิกหลายชั้น

ความก้าวหน้าในเทคโนโลยี MLCC ช่วยให้นักออกแบบมีทางเลือกที่มีความจุสูงแทนตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์แบบดั้งเดิม ส่งผลให้สามารถส่งค่าความจุที่สูงขึ้นพร้อมกับ ESR และ ESL ต่ําในแพ็คเกจขนาดเล็ก เทคโนโลยีเดียวกับที่เปิดใช้งาน MLCC ขนาด 100μF, 6.3V 0805 X5R ยังเปิดใช้งาน MLCC ขนาด 100nF 008004 ขนาดเล็กพิเศษ ด้วยเหตุนี้ MLCC จึงนําเสนอโซลูชันที่มีประสิทธิภาพซึ่งครอบคลุมช่วงตั้งแต่ตัวเก็บประจุจํานวนมากที่มี CV สูงไปจนถึง MLCC ขนาดเล็กที่มักใช้ในการกรองและแยกส่วนความถี่สูง

การพัฒนาเทคโนโลยี MLCC ล่าสุดเป็นผลมาจากปัจจัยต่างๆ รวมถึงความก้าวหน้าของวัสดุเซรามิก อิเล็กโทรดโลหะบางที่ได้รับการปรับปรุงและเทคโนโลยีการประมวลผลชั้นเซรามิก และความสามารถในการซ้อนขนาดเล็ก

การผสมผสานระหว่างความก้าวหน้าของวัสดุ การควบคุมความหนาของอิเล็กโทรดและไดอิเล็กทริกที่ได้รับการปรับปรุง และความสามารถในการผลิตส่งผลให้ MLCC มีความจุสูงต่อหน่วยปริมาตร (CV สูง) ตัวอย่างเช่น หน้าตัดของ MLCC ที่มี C/V 22μF 0402 สูงทั่วไปสามารถเผยให้เห็นชั้นอิเล็กทริก 500 ชั้น ซึ่งแต่ละชั้นมีโปรไฟล์ความสูงที่วัดความหนาน้อยกว่าหนึ่งในร้อยของเส้นผมมนุษย์เส้นเดียว

ความแม่นยําของกระบวนการและการควบคุมที่จําเป็นในการสร้าง MLCC 0402 CV สูงยังช่วยให้สามารถพัฒนา MLCC ขนาดเคสขนาดเล็กพิเศษที่เหมาะสําหรับใช้ในการใช้งานที่มีขนาดและน้ําหนักที่เข้มงวด รวมถึงสมาร์ทโฟน อุปกรณ์สวมใส่ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาอื่นๆ

สมาร์ทโฟนทั่วไปมีตัวเก็บประจุมากกว่า 1,000 ตัวและปริมาตรรวมของตัวเก็บประจุเหล่านั้นเทียบเท่ากับเพนนีโดยประมาณ แต่ผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพามักจะมองหาการลดขนาดและน้ําหนักในขณะที่รักษาหรือเพิ่มกําลัง ดังนั้นเราจึงทําการศึกษาเพื่อประเมินผลกระทบของขนาดเคส MLCC ต่อน้ําหนักและพื้นที่ติดตั้ง PCB (ดูตาราง)  

ขั้นตอนแรกในการศึกษาพื้นที่ติดตั้ง PCB คือการคํานวณพื้นที่ที่ครอบครองโดย MLCC 100 0805 ที่ติดตั้งในอาร์เรย์ 10 x 10 ที่มีระยะห่าง 0.2 มม. และกําหนดพื้นที่บอร์ดนั้นเป็น 100% จากนั้นเราวาง MLCC ขนาดเคสขนาดเล็กกว่า 100 ตัว ตั้งแต่ 0603 ถึง 008004 ในรูปแบบ 10 x 10 ที่คล้ายกันโดยมีระยะห่าง 0.2 มม. และเปรียบเทียบพื้นที่ PCB ที่ได้ ประโยชน์ของขนาดเคสขนาดเล็กและขนาดเล็กพิเศษนั้นชัดเจน โดย MLCC ขนาดเคสที่เล็กที่สุด (008004) ครอบครองพื้นที่เพียง 4.2% ของ MLCC 0805 ครอบครอง ประโยชน์ในการลดน้ําหนักของ MLCC ขนาดเคสที่เล็กกว่าได้รับการพิสูจน์แล้วว่าน่าสนใจไม่แพ้กัน โดยการเปรียบเทียบขนาดเคส 008004 ถึง 0805 ทําให้น้ําหนักลดลงประมาณ 99.9%

การเปรียบเทียบที่เป็นประโยชน์อื่น ๆ สามารถดึงออกมาจากตารางได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น หากการออกแบบโดยใช้ MLCC 100 0603 ได้รับการดัดแปลงให้ใช้ MLCC ขนาดเคส 0402 ผู้ผลิตสามารถประหยัดพื้นที่บอร์ดได้ 54% หรือวาง MLCC เพิ่มเติม 271 MLCC 0402 เครื่องในพื้นที่เดียวกันกับที่ MLCC 100 0603 ถูกครอบครอง

อย่างไรก็ตาม สิ่งสําคัญคือต้องทราบว่า MLCC ขนาดเล็กที่มีอิเล็กทริกบางชนิดอาจแสดงความไม่เสถียรในวงจร ตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลีเมอร์ช่วยขจัดข้อกังวลเหล่านั้น

ตัวเก็บประจุ แทนทาลัมโพลิเมอร์

ตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลิเมอร์เป็นตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ขนาดเล็กที่มีให้เลือกหลายแบบ tag ขนาดเคสโปรไฟล์ความสูงและระดับคุณภาพซึ่งรองรับประสิทธิภาพการจัดวางสูงสุดและยังแสดง ESR และ ESL ที่ต่ํามาก คุณสมบัติที่สําคัญ ได้แก่ ข้อเท็จจริงที่ว่าพวกมันแสดง ESR ประมาณหนึ่งในแปดของตัวเก็บประจุแทนทาลัม MnO2 มาตรฐาน ดังนั้นจึงสามารถรองรับกระแสระลอกคลื่นที่สูงขึ้นได้มาก นอกจากนี้ยังสามารถแสดง ESL ได้ต่ําถึง 1nH ตัวเก็บรวบรวมแทนทาลัมโพลิเมอร์ยังแสดงความหนาแน่นของพลังงานที่ดีขึ้นและแทบไม่มีอายุ อคติแรงดันไฟฟ้า หรือผลกระทบจากความไม่เสถียรของอุณหภูมิ คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้นักออกแบบมีความยืดหยุ่นในการค้นหาตัวเก็บประจุจํานวนมากที่มีขนาดสมเหตุสมผลในขนาดเคสที่เล็กถึง 0402 โดยมีโปรไฟล์ความสูงต่ําถึง 0.55 มม.

ตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลิเมอร์มีพอลิเมอร์นําไฟฟ้าในแคโทด พวกมันเกิดจากการปิดลวดขั้วบวกแทนทาลัมด้วยเม็ดผงแทนทาลัมที่มีรูพรุนเผาโครงสร้างนั้นเป็นบล็อกเสาหินเพื่อสร้างอิเล็กทริก Ta2O5 วางชั้นโพลีเมอร์นําไฟฟ้าลงบนโครงสร้างบล็อกเสาหินเพื่อลด ESR และการประมวลผลเพิ่มเติม

สรุป

MLCC สมัยใหม่และตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลิเมอร์แสดงพารามิเตอร์ที่ต้องการในวงจรในอนาคต ทั้งสองนําเสนอโซลูชันความจุขนาดเล็กที่มีความหนาแน่นสูงที่หลากหลาย ซึ่งรองรับวิธีการต่อพ่วงที่ใช้งานได้จริงและต้นทุนต่ําหลายวิธี และสามารถวางไว้ใกล้กับ IC เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพวงจร

MLCC ขั้นสูงให้ CV สูง ESR ต่ํา และ ESL ต่ํา รองรับการกําหนดค่าการติดตั้งที่ครอบคลุมการฝังตัวไปยังบอร์ดที่ติดตั้งได้อย่างง่ายดาย และเหมาะอย่างยิ่งสําหรับการแยกส่วน IC ความถี่สูงและแอปพลิเคชันการกรอง

ตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลิเมอร์ขั้นสูงมีจําหน่ายในแพ็คเกจขนาดเล็กที่ให้ ESR และ ESL ต่ํา และจัดการกับช่องว่างในตลาดตัวเก็บประจุจํานวนมากที่มีอยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

คาดว่าจะมีการลดขนาดอย่างต่อเนื่องสําหรับทั้งสองประเภท โดย MLCC จะคืบหน้าไปตามเส้นทางที่ทราบจนถึงขนาดเคส 008004 และตัวเก็บประจุแทนทาลัมโพลีเมอร์ยังคงดําเนินต่อไปในขนาดเคสที่เล็กลงโดยมีศักยภาพในการเพิ่มวิวัฒนาการขนาดเคสที่ก่อกวน