与MLCC相同大小的基板嵌入式多层陶瓷电容器的商品化

1.前言

随着智能手机和数码相机的录像、录音功能的搭载，以及小型笔记本电脑的无风扇设计等的电子设备多功能化发展及无噪声化发展，之前并不突出的由于电容器振动所产生的“啸叫※1”问题成为设计的主要挑战之一。作为控制啸叫的元器件之一，村田制作所于2012年6月推出了 “基板嵌入式多层陶瓷电容器(ZRA系列产品)”，该产品通过嵌入式基板※2，抑制电容器的振动，最大限度控制振动对主基板所造成的影响。但是因为ZRA系列产品使用了大于MLCC的LW尺寸的嵌入式基板，所以如果是在为节约基板面积，缩小安装元器件之间的距离的情况下使用，就会存在元器件之间相互接触的问题。因此，此次我们推出了“基板嵌入式多层陶瓷电容器(ZRB系列产品)”(图1)，该产品提升了小型基板的MLCC搭载技术，使用了与MLCC的LW相同大小的嵌入式基板。通过这种方法，即使是紧凑封装的电路，也不需要变更印制基板设计，可以使用以前的MLCC控制啸叫。

图1. 基板嵌入式多层陶瓷电容器(ZRB系列产品)

※1 嵌入式…对应多层陶瓷电容器大小的成型印制基板的一种

※2 啸叫…向陶瓷材料上施加电压时发生的机械振动的现象。印制基板振动导致发出声音。

2.何为多层陶瓷电容器的啸叫

如果向高介电常数型的电容器(诸如温度特性为：B, R, X5R, X7R，Y5V的电容器)施加交流电压，由于电致伸缩效应，会造成多层电容器芯片伸缩注)。根据电介质一般的泊松比为0.3的特性，会在与积层方向垂直及平行的方向上产生伸缩(如图2所示)，其结果是基板表面发生振动从而产生人耳可闻的声音。通常情况下，因为这种振动频率远远高于人耳可听频率范围(20Hz～20kHz)，所以即使向单体电容器施加人耳可听频率范围的信号电压，也不会形成人耳可闻程度的声音(啸叫)。但是，如果将电容器封装于基板，那么该振动会传导至基板，振动就会放大(谐振)。其结果是人耳可以感知到类似于“吱吱”的声音。虽然芯片和基板的振幅仅为1pm～1nm左右，但其声音却大到人耳轻易识别的程度。

图2：电压施加时电致伸缩效应导致的芯片变形 

为了控制这种基板振动所导致的电容器啸叫的情况，我们已经推出了GH8系列产品和KRM系列产品，GH8系列产品是通过使用更低介电常数的材料，降低电容器的失真量，从而抑制啸叫的产品，而KRM系列产品是通过在电容器的外部电极部分安装金属端子，降低对基板的振动，从而抑制啸叫的产品。除了这些产品，村田制作所还推出了满足小型低背需求的啸叫控制产品---基板嵌入式多层陶瓷电容器(之后称为ZR*系列产品)。以下说明与其相关的概要情况。

注)诸如温度特性为CH，C0J，UJ，U2J的温度补偿性电容器无此种失真特性。

3. ZR*系列产品的介绍

3-1. ZR*系列产品的结构

ZR*系列产品是通过接合材料(无铅焊锡)，将用于表面封装的二端子电容器(GRM系列产品)封装于嵌入式基板上的结构。相较于(图4、图5)ZRA系列产品使用了大于MLCC的LW尺寸的嵌入式基板，此次新推出的ZRB系列产品使用的是与MLCC的LW尺寸相同的嵌入式基板。

图4: ZRB系列产品的结构图

图5: ZRA系列产品的结构图

3-2. ZR*系列产品的特征

ZR*系列产品的特征如下,

① 通过将MLCC封装于嵌入式基板上，可以抑制电容器振动的传导，也就是可以降低啸叫等级。

② 可以使用与通用产品(GRM系列产品)的相同焊盘进行设计。

③ 无需变更印制基板(封装间隔)即可使用(仅ZRB系列产品)。

正如第2章所描述的那样，如果向使用铁电陶瓷的多层陶瓷电容器施加交流电压，就会产生伸缩。ZR*系列产品通过将MLCC封装于嵌入式基板上，可以抑制电容器振动(伸缩)向封装基板的传导，由此降低啸叫等级。此外，还设计了通过在嵌入式基板的端部设置凹槽，降低对陶瓷电容器外部电极侧表面焊接的润湿量。由此可以将多层陶瓷电容器的振动(伸缩)应力降至最低，从而也降低了啸叫等级。图6为ZR*系列产品与通用系列产品的尺寸啸叫等级比较图。从中可以看出相较于通用产品，通过使用ZR*系列产品，会有20dB左右的降低效果(这就意味着人耳所感知的声音程度已经减轻到1/10左右)。而且，由于ZRB系列产品被设计为使用与多层陶瓷电容器尺寸相同的嵌入式基板，所以如果在组件设计的最终阶段发生啸叫问题，那么无需变更印制基板(封装间隔)即可实现置换(降低啸叫等级)。(使用ZRA系列产品时，如果无法充分确保元器件之间的距离(已进行紧凑封装)，则可能会发生需要变更印制基板设计(封装间隔)的情况。)

图6：ZR*18(啸叫抑制产品)和GRM18(通用产品)的啸叫等级比较

3-3. ZR*系列的产品阵容

基板嵌入式多层陶瓷电容器的产品阵容如下所示。

① 外形尺寸

ZRB18A：L = 1.60±0.20, W = 0.80±0.20, T = 1.00±0.20

ZRA21M：L = 2.40±0.10, W = 1.65±0.10, T = 1.15±0.10 (单位: mm)

② ZR*系列的产品阵容

④ 产品编号

例) MLCC为1608、X5R特性、22μF、M误差 (±20%) 时: ZRB18AR60J226ME01

4. ZR*系列产品的市场要求

目前，ZR*系列产品需求市场的重心是需要小型低背元器件的移动市场。

・移动通信设备(手机/智能手机)

在功率放大器的输入方所使用的电容器、以及提供给CPU的DC-DC转换器的输出方所使用的电容器方面，为了抑制由于IC的负载变化所引发的啸叫，对低啸叫等级电容器的需求不断高涨。特别是在智能手机等方面，随着基板面积的不断缩小(通过紧凑封装实现的空间节省)和薄型化的不断推进，这些电路所使用的电容器(用以抑制啸叫等级的产品)必须要具备小型化和低背化的特点，因此针对ZR*系列产品的使用与研讨也在持续进行中。

5. 结语

在手机/智能手机方面，由于电池所占面积的扩大以及多功能化所造成的IC搭载数量的增加，预计基板面积的缩小和薄型化是大势所趋。此外，由于搭载更高性能的IC，对所使用的电容器在小型化大容量方面的要求越来越高。在未来，ZR*系列产品作为能对肩负此种需求的电容器所存在的啸叫问题的解决有所助益的产品，要对其产品阵容进行扩充。而且今后平板终端和笔记本电脑也会存在节约电力和节省空间等需求，因此预计小型化大容量会不断发展，在这些市场中，对ZR*系列产品的需求也会提高。