电容器指南

发展中的电容器~多层陶瓷电容器~ Part1趋势篇 ~上篇~

多层陶瓷电容器,对高性能半导体设备而言不可或缺

虽然大家往往认为电阻、电容器、电感器等无源元件的存在不甚抢眼,但实际上它们却是先进的电子设备中必不可少的元器件。特别是对先进的半导体设备而言,多层陶瓷电容器极其重要。如果没有这种电容器,就无法指望半导体设备能正常运行。在电子行业中,曾经流传一种说法"电容器迟早会被纳入半导体设备"。但是实际上,在半导体设备发展的同时,多层陶瓷电容器的重要性也与日俱增。

多层陶瓷电容器比砂糖颗粒还要小。您知道如此之小的元器件在电子设备中所担当的作用吗?它在向半导体设备提供必要的电力供给方面、以及消除会引发误动作和性能劣化的噪音方面发挥着重要作用。如果没有多层陶瓷电容器,也就无法指望使用先进的的微细加工技术制造的微处理器、DSP、微型计算机、FPGA等的半导体设备能正常运行。

小型化和大容量化的历史

目前,多层陶瓷电容器的市场规模在铝电解电容器、钽电解电容器和薄膜电容器等各式电容器中是超大的。稍早前的数据显示2008年日本国内出货量为6278亿个,日本国内出货金额达到3059日元(源自经济产业部的机械统计)。位居第2位的铝电解电容器日本国内出货量为182亿个,日本国内出货金额为1743日元。其差距相当巨大。2012年,多层陶瓷电容器增加到7655亿个,与此相对,铝电解电容器却减少到109亿个。其差距在不断扩大。
虽然现在多层陶瓷电容器在电容器市场上占据榜首位置,然而在产品推出之初却很难被市场接受。构思出多层陶瓷电容器创意的是美国企业。在始于1961年的阿波罗计划的推进过程中,出于需要,大电容量的小型电容器应运而生。通过在薄电介质上形成电极,并进行多个叠加,实现了在小体积内充满大电容的电容器(图1)。

图1 多层陶瓷电容器的结构

通过多重层叠电介质层和内部电极,实现了较大电容。

我公司很快引入该项技术,并于1965年将名列前茅款产品投入市场。当时的产品是面向AM收音机LC谐振回路的100pF的产品,而且层叠了厚度为50μm的电介质膜。电介质材料采用的是二氧化钛(TiO2)。在产品推出之初,其完全没有市场。然而,在超薄型无线电壁纸出现的契机下,相较于其他的电容器,小型多层陶瓷电容器的市场急剧扩大。
此后,多层陶瓷电容器的历史即可一言以蔽之,就是"小型化和大容量化的历史"。一般电容器的电容C可以通过

来表达。在此表达式中,ε是介电常数,S是电极面积、d电极间距离(电介质厚度)。即,在一定的体积中,要增加电容,就只能使用ε高的材料,或者是薄化电介质。
电介质材料在推出之初是采用的二氧化钛,但我们在较早的阶段引入了钛酸钡(BaTiO3)。之后也通过对该材料加以改良来不断提高相对介电常数,目前已经达到3000左右。相较于几十水平的二氧化钛相对介电常数,该数值也已经大其两位数。
电介质的厚度在推出之初为50μm,但之后薄型化逐渐发展,目前已经达到了0.5μm。也就是说,与产品推出之初相比,介电常数已经提高到100倍,厚度减少至1/100。如果厚度降低到1/100,那么层叠数可以增加至100倍。因此,如果是相同体积的电容器,相当于增加到100万倍。相反,如果考虑体积,则意味着相同的电容量可以实现1/100万的小型化。
在下篇中,我将向您介绍使用趋势以及各用途中电容器所发挥的作用。敬请期待。

※ 公司名称及产品名称是其各自公司的商标或注册商标。
※ 本文由刊载于日经BP公司网站2010年2月~3月「Tech On! 」的内容重新编辑而成。
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