标签: 硅电容

村田是目前全球量产硅电容的领先企业，其在2016年收购了法国IPDiA头部硅电容器公司，并于2023年6月宣布投资约100亿日元将硅电容产能提升两倍。 以下内容主要来自村田官网信息整理，村田高密度硅电容器采用半导体MOS工艺开发，并使用3D结构来大幅增加电极表面，因此在给定的占位面积内增加了静电容量。村田的硅技术以嵌入非结晶基板的单片结构为基础（单层MIM和多层MIM—MIM是指金属 / 绝缘体 / 金属） 村田硅电容采用先进3D拓扑结构在100um内，使开发的有效静电容量面积相当于80个陶瓷层（可视需求提供更低值）。由于使用非常线性和低色散的电介质，小型化、静电容量值和电气性能实现了优化 村田的硅电容器与半导体MOS工艺源自相同的DNA，具有以经过验证的一致性数据建立的全模块默认模型，因此提供了可预测、极为可靠的性能。相较于其他电容器技术，村田的硅电容器技术在可靠性方面提高了10倍，这主要得益于在高温固化过程中生成的氧化物。此外，所有的电气测试都在生产步骤结束时完成，这就避免了早期故障 村田硅电容与MLCC对比 当前村田在几个典型领域都有对应产品，以下为官网硅电容选型列表，可以看到村田硅电容根据连接方式，厚度，温度，ESL等特性做了分类，和MLCC形成了较好的互补，硅电容用来覆盖汽车、宽带通信、RF功率放大、医疗、RFID等领域，同时村田的硅电容很多可以通过IPD的形成，可以在这些特殊领域实现很好的利润，在21年之前硅电容还是较多的在军工和航天中应用，21年之后在民用领域，受益于高稳定性，小尺寸，易结合先进封装等优势市场也在逐步扩大。 典型应用：汽车领域 当前问题：放置在“引擎盖”下的传感器要求尺寸小，稳定性高，可靠性高，温度范围大（当前150°不一定够用） 硅电容解决方式：采用硅电容，通过PICS（Passive integration Connective Substrate）方式装配传感器中，此处硅电容采用了氧化物/氮化物/氧化物电介质叠层和多晶硅顶部电极，电容密度为100nF/mm2，额定电压为16V，击穿电压为30V，漏电流在工作电压和室温下小于0.5 nA，ESR<100mΩ，ESL<250pH，工作温度为-55°C~200°C。 总体来说，村田本身作为电容大厂，MLCC已经在市场上占据了较多的份额，硅电容部分作为针对特定领域的产品出现，目前还是作为MLCC的补充，因此，我们看到，目前村田的硅电容还是以高耐压，高温，高稳定度，较低电容值，和MLCC形成较好的补充，如前面介绍，硅电容也可以走低压大容值路线，这个部分可以替代一些高端MLCC。

这篇内容主要讨论三个基本问题，硅电容是什么，为什么要使用硅电容，如何正确使用硅电容？ 1. 硅电容是什么 首先我们需要了解电容是什么？物理学上电容的概念指的是给定电位差下自由电荷的储藏量，记为C，单位是F，指的是容纳电荷的能力，C=εS/d=ε0εrS/4πkd（真空）=Q/U。百度百科上电容器的概念指的是两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质。 通过观察电容本身的定义公式中可以看到，在各个变量中比较能够改变的就是εr，S和d，也就是介质的介电常数，金属板有效相对面积以及距离。当前常见的电容器按照制造工艺主要有陶瓷电容，电解电容和薄膜电容。硅电容和这些传统的电容相比主要就是使用的原材料不同以及工艺不一致，顾名思义，硅电容是以硅作为材料，通过半导体的工艺进行制造。 当前的硅电容根据绝缘材料分成MIS（金属/绝缘体/金属）和MOS（金属/氧化物/半导体）两大类，一种类型主要针对的是高压低容量市场，典型厂商是村田，应用领域例如RF，激光雷达等。另一种针对的是低压大容量市场，典型技术提供商是台积电，主要应用领域是配合当前先进工艺。 2. 为什么需要使用硅电容 首先，我们要了解硅电容的特性，特性主要来自材料和工艺两个部分，主要特性包括了高稳定度，高可靠性，高密度，低厚度，低ESL，ESR等。由于材料使用的是硅，本身的性质会更加稳定，也不容易受到温度，交直流电压等的影响，不存在和MLCC一样的受到温度，交直流电压的降额等问题，只考虑降额问题，硅电容只需要使用MLCC一半电容值就可以达到相似的有效容值，同时，硅电容的ESL和ESR会极大的低于当前主流方案，传统方案通过多个不同的电容组合达到阻抗，硅电容方案可以通过更少的电容数量和容值达到相同乃至更好的阻抗曲线。另外由于使用的是半导体工艺，可以极大的缩小电容两级之间的距离，可以极大的提高电容密度，当前每平方毫米的电容密度可以做到uf级别，同时半导体的工艺基于晶圆去加工，可以把硅电容的厚度做到极小，典型值可以做到100um以下，通过处理可以做到50um以下。 综上我们可以看到，以下几个典型应用是硅电容的合适场景：1. 要求极高的稳定度的，类似航天和军工，这个也是目前硅电容应用较多的领域；2.需要极低的ESL和ESR的，例如RF，激光雷达的滤波；3. 当前MLCC放不开的，典型类似大型处理器类似AI处理器，GPU处理器，对阻抗特性的高频要求高，但是面积有限；4. 特别薄的领域，可能的场景类似折叠手机；5. 有电容集成需求，目前苹果手机处理器把电容集成在芯片内部和引脚中间，硅电容在厚度和加工上更加方便 3. 如何正确使用硅电容 硅电容有诸多好处，那么我们应该如何正确使用硅电容呢？首先我们要明确一点就是是否需要，硅电容当前的成本还是远高于普通MLCC，硅电容适合作为一个补充来使用，解决特定问题，需要使用的场景包括性能要求（必须需要极低的ESL），面积要求（极低的厚度）等；明确了需要使用之后，可以选择厂家，当前市场是能够提供硅电容方案的不多，需要认真选择合作厂家，选择已经有成熟方案的厂家；