现代电容器产业的技术发展趋势

现代电容器产业的技现代电容器产业的技术发展趋势术发展趋势电子科技大学电子科技大学微电子与固体电子学院微电子与固体电子学院杨邦朝杨邦朝2008.11.182008.11.18北京北京内内容容提提要要•现代电容器的作用与地位•推动电容器产业技术发展的驱动力•现代电容器产业的技术发展方向•值得关注的产业发展领域1.1.现代电容器的作用与地位现代电容器的作用与地位•作用---旁路滤波隔离（“通交流，隔直流”）耦合存储和释放电荷分压等地位：组成所有电子整机的重要基础元件电子整机中用量最大（35%）的元件在电路应用的频率范围广：从直流-交流-高频-射频-微波-毫米波······领域应用的电压范围宽：从低压-中高压-高压-超高压······领域电容量从Pf---μf---F级也是在整机中出现故障或问题最多的一类元件，即影响电子整机或系统的可靠性与寿命最显著的元件之一2007年我国电子元器件市场需求达到1005亿美元，约占国内电子信息产品总市场的46.7%，占世界电子元器件市场的份额为24.2%，是世界第一大元器件市场。产品市场，涵盖安防、通信、家电、IT、汽车电子、电源、变频器、广电、彩电、VCD、音响、闪光灯、节能灯、通讯、电脑、变频空调等予计，2008年我国电子元件行业的销售收入将达到8000亿元左右。在世界上我国电子元件的产量已占全球的30%以上，中国已成为名符其实电子元件产业大国，电子元件的产量已居世界前列；我国已成为全球电容器产品仅次于日本的生产大国。以用量最大的一类电子元件-多层陶瓷电容器（MLCC）为例，2000年我国MLCC产量960亿只，2007年增加到5025亿只，在全球市场的份额提高到约49%。例如，电阻器、电容器、微特电机、电声器件、石英晶体元器件和通信光电线缆等门类产品的产量都居世界第一位；其中，微特电机和电声器件的产量分别占世界的60%；石英晶体元器件的产量占世界的50%。另外，从产品结构来看，0402的元件已成为片式元件的主流产品；电子信息产业的高速发展，电子制造业的格局也发生了变化。以电容器为代表的电子元件产业的规模越来越大，技术水平和质量水平越来越高。又由于集成电路高速发展，制造业的专业化和标准化；整机制造和组装相对容易了；相反，电容器等电子元件的制造技术含量不断提高。这就给我们元件行业提出新课题，同时也为我们提供了新的发展空间。各种电子电容器性能的比较各种电子电容器性能的比较2.2.推动电容器产业技术发展的驱动力推动电容器产业技术发展的驱动力作为电子信息产业的基础产品，电子元器件起着先导性、带动性及决定性的作用；（技术推动）同时整机及系统的发展也对电子元器件的发展起到了促进的作用（需求牵引）技术推动和需求牵引，二者相互促进，不断发展（（11））电子整机技术迅速发展的需求牵引电子整机技术迅速发展的需求牵引•电容器的尺寸进一步缩小，从产品结构看，0402的元件已成为片式元件的主流产品；正向0201、01005发展•电子整机迅速向短小轻薄发展微型化、高速度、大容量、智能化、个人化、集成化是个人电脑、汽车电子、医疗电子、消费类电子等电子整机产品发展的六大趋势电子元件的技术发展趋势，是由电子整机产品的发展要求来决定的由此决定了电子元件产品必须向片式化、微型化、高频化发展，以适应整机发展的需求。小小高高长长••电子整机的工作频率由中波电子整机的工作频率由中波——短波（短波（6060～～7070年代）年代）——高频高频——超高频（超高频（8080～～9090年代）年代）——微微波波——毫米波毫米波——光波（光波（2121世纪）世纪）促使电容器从材料、电极形式、电容器的结构与尺寸、电极引出形式等等发生了很大的变化（与工作频率和互连工艺相适应）••电源功率密度迅速提高，电源的工作电源功率密度迅速提高，电源的工作频率越来越高频率越来越高•对电解电容器的耐纹波特性提出更高的要求，要求耐纹波电流要大。（（22））电容器材料与工艺技术的进步对电容器电容器材料与工艺技术的进步对电容器技术的巨大推动技术的巨大推动•电容器新材料、新技术、新工艺的发展对电容器技术创新和新兴市场的占领起决定性作用•谁抢占制高点，谁就夺取新兴市场的主导权•电容器的片式化、复合化和高性能化发展，对材料提出新的要求。新材料的研制成功，又带动新型电容器的发展。•不同产品互相替代竞争加剧：大容量市场10μF以下MLCC已占优势100μF以下MLCC正在取代片式电解电容器，因为前者有较低的ESR和ESL；功能高分子固体铝电解电容器在20V以下低压、大容量（几百μF）也可取代钽电容器；片式有机薄膜电容器和片式云母电容器在要求电容量高精度、高稳定或高压场合可以取代X7R特性的MLCC。•在工频整流滤波的应用中，铝电解电容器应该是不可替代的，其原因是，工频整流滤波需要大电容量的滤波电容器，使陶瓷电容器很难应用•大容量陶瓷电容器非常适合在旁路、高频整流滤波中的应用•对于100kHz或100kHz以上的开关功率变换时的高频整流滤波时，电容器的容抗就已经很小了。•如100μF的电容量在100kHz时的容抗为15.9mΩ，•而低ESR的100μF铝电解电容器的最低的ESR约400mΩ•1000μF的低ESR铝电解电容器的ESR为70mΩ•100μF的标准钽电解电容器的最低的ESR约250mΩ•即使是超低ESR钽电解电容器的最低的ESR也约为0.06Ω•铝聚合物电解电容器的最低的ESR也至少在20mΩ以上，都比15.9mΩ高。这时，对于电解电容器来说，在这样高的频率下与其说是电容器不如说更像一个电阻。•而一只10μF的陶瓷电容器的ESR仅为3mΩ，明显低于100μF（159mΩ）的容抗，这时电容器的作用还是起绝对主导作用。而对于100kHz的方波中的3次、5次7次……等其容抗相应的降低到53mΩ、32mΩ、23mΩ，还是容性特性。•如果将低ESR电解电容器与大电容量陶瓷电容器相并联可以获得在20kHz以上5MHz以下的频带内的低阻抗。•陶瓷材料与电容器：高介宽温瓷料、高频低tgδ材料、微波高Q低损材料、高压大容量叠层瓷介电容器、射频大功率陶瓷电容器、微波射频多层电容器、高压多层瓷介电容器、小体积大容量多层瓷介电容器、片式高压陶瓷电容器等•陶瓷电容器的发展趋势：小型化、微波、高频率、大容量、高电压、高可靠性、宽工作温度范围和高功率化、抗干扰和阵列化仍将是陶瓷电容器发展的方向，而片式化是陶瓷电容器的发展主流。有机薄膜电容器有机薄膜电容器•如何进一步降低介质薄膜厚度（2μ）•开发耐高温（＞200度）介质薄膜•开发有机-无机复合介质薄膜材料•高频低损薄膜电容器（ＥＳＲ﹤３ｍΩ；ESL﹤10nH）•高储能有机薄膜电容器（比能﹥0.5J/cm3）•大容量高频无电容器感（600V150μf,L﹤100nH）有机薄膜电容器的发展趋势：小型化、片式化、高比能和高可靠电解电容器电解电容器•小尺寸、大容量、长寿命、耐高温、低等效串联电阻（ESR）等仍是铝电解电容器的发展方向•进一步提高K值（阳极）、提高介质薄膜的εr、提高阴极箔的比容（＞1000）•阴极材料的进步：电解液—MnO2---TCQN—导电高分子（由液态-固体）•阳极材料：由Al-Ta-Nb-Ti-合金箔•超高压介质薄膜的制备技术（630V,700V电解电容器）小尺寸、片式化、大容量、长寿命、耐高温、小尺寸、片式化、大容量、长寿命、耐高温、低等效串联电阻（低等效串联电阻（ESRESR）、高耐纹波特性等仍）、高耐纹波特性等仍是铝电解电容器的发展方向是铝电解电容器的发展方向（（33））微电子器件及其封装技术的推动微电子器件及其封装技术的推动•芯片的集成度越来越高•芯片的尺寸越来越大•芯片的封装形式发生了根本的变化QFB—BGA—CSP—MCM—SIPICIC封装的演变封装的演变IC发展趋势增加芯片/封装比例阵列封装节距微型化3D封装系统级封装集成度硅片面积I/O数目边缘引线底部引线（阵列/非阵列）PGA针栅阵列BGA球栅阵列CGA柱栅阵列SOIC(SOP)双列引线QFP四周引线底部引线QFNCOB板上芯片TAB载带自动连接硅片（裸芯片）封装前缀主要封装材料陶瓷C窄间距T塑料P微型μ硅片直接安装在PCB上SOCSIP边缘引脚边缘引脚·形状L针、球、柱J·引脚数目SOP40BGA100-2500QFP250·pith1.27—0.31.27—0.5面积（相同引线数）10.25底部引线底部引线（（44））PCBPCB技术发展的影响技术发展的影响•高密度、高层数、窄间距、越来越薄是未来PCB制造的发展趋势；电子封装与集成电路的制造也都表现出密度越来越高的特点；•此外，更高分辨率和显像度，更高集成度，有人工智能的LCD显示屏，将成为技术突破的重点，被动元件将会有越来越大的发展空间；•片式有机电容器：采用叠层和卷绕两种工艺。全球生产片式有机薄膜电容器的厂商主要有日本松下电器产业（占日本90%）、意大利Arco公司（日本Nissei电机子公司）、德国Epcos公司等。已研制成功1608型16V、0.1μF和3216型25V、1μF产品3.电容器技术新的发展趋势•(1)微小型化、片式化和集成化晶界层陶瓷电容器晶界层陶瓷电容器：以钛酸锶钡为主晶相，具：以钛酸锶钡为主晶相，具有有X7RX7R温度特性，介电常数比温度特性，介电常数比22类类X7RX7R陶瓷高一个陶瓷高一个数量级数量级，，达达3000030000以上，介质损耗比以上，介质损耗比22类类X7RX7R陶瓷陶瓷低一个数量级，低一个数量级，tgtgδ≤δ≤33××1010－－33，具有，具有εε随频随频率升高而下降的色散特性，特别适用于率升高而下降的色散特性，特别适用于RFI/EMIRFI/EMI滤波或作微波宽带（滤波或作微波宽带（15KHz15KHz～～40GHz40GHz）耦合电容）耦合电容器器贵金属与贱金属的应用比例陶瓷电容器未来产品技术发展趋势片式云母电容器：片式云母电容器：主要厂商有日本主要厂商有日本SoshinSoshin公公司、美国司、美国ARCOARCO--ElectronicsElectronics和和CDECDE公司公司主要性能参数：外形尺寸有主要性能参数：外形尺寸有22××1.251.25，，3.23.2××2.52.5，，4.54.5××3.23.2，，5.75.7××55四种规格；四种规格；工作电压有工作电压有100V100V、、500V500V、、1000V1000V三种规格；三种规格；绝缘电阻≥绝缘电阻≥105M105MΩΩ；使用频率可达；使用频率可达3GHz3GHz，等效串联电阻小，高频下，等效串联电阻小，高频下QQ值高，值高，如如1GHz1GHz：：10pFESR10pFESR≤≤80m80mΩΩ；；100pF100pFESRESR≤≤30m30mΩΩ。。•片式铝电解电容器：小型化、片式化、高压、大容量、宽温、高可靠、长寿命是铝电解电容器主要发展方向。片式铝电解电容器尺寸为φ18×16.5(mm)，工作电压10V，容量可达400μF，如100V，容量可达330μF。最小尺寸φ3×5.4，工作工作电压6.3V，电容量可达22μF。Vishay新型表面贴装铝电容器100kHz时可实现超低“Z”只有0.10欧姆•片式钽电容器：在今后相当长一段时间内，片式化产品将继续引领钽电容向小型化、大容量、低阻抗、低等效串联电阻方向发展。主要是提高钽粉比容。•国外已开发出S壳产品，体积是2×0.85×0.85，容量范围0.47μF～47μF，工作电压2V～16V。国内通过对10～15万超高比容钽粉的应用研究，已开发出P壳产品，体积2×1.25×1.25，容量范围0.1μF到10μF，工作电压范围2V～20V。0.039毫米高P封装尺寸厚度仅为2.5毫米的封装以MnO2作为电解质的传统钽电容器的工作频率一般在20kHz左右，通过特殊手段生产的固体钽电容器的工作频率也可以达到100kHz，但在更高的频率下工作时，需要用导电率更高的材料来替代MnO2，已经研究成功用高导电率有机聚合物作为