LGA低自感電容器在軍事和航空航天應用

本文介紹了應用岸面柵格列陣（LGA）電容器的各種益處，以及其在現代軍事和航空航天設計中的優越低自感性能及其應用。
在當今的航空航天應用和軍事應用等領域，對于實時數據處理的要求超過了以往任何時候。首當其沖的兩個驅動這一趨勢的因素為：對信息、顯示和響應系統的高獲取數據率以及圖標/接口。無論是兩個方面中的哪一個，對CPU/ASIC處理能力的要求都越來越苛刻。
二者共有的一個因素是要提供速度足夠快的脈沖能量，以支持各種CPU、GPU以及DSP要求的更高的時鐘頻率。這就要求一個清潔的能量供應系統，帶有最小的等價串聯電阻（ESR），并且更為重要的是，在高頻段，要具有較低的自感（等價串聯自感=ESL）。

自感的定義以及它的重要性
當一個ASIC或MPU進行調節時，會吸取能量。它產生的電路噪音的數量（delta V）等于自感的次數dI/dt（在這里，dI/dt是電流改變率，當裝置調節邏輯狀態時產生）。隨著IC頻率的上升，delta V將會增加。由于 delta V是在電路中產生的電壓“噪聲”，它對在電路中產生的特定噪聲裕量有影響。為了保持delta V足夠的小，設計者可以選擇下面的兩種方法中的一種：第一，把大量的標準電容器按并聯形式安裝；第二，利用少量的低自感電容器。這樣一來，對更低的等價串聯自感的需求就隨著系統不斷增加的速度而不斷提高。
另外，當把一個信號加入處理器或從處理器中取出時，信號的電磁能量本身將會扮演一個線圈的角色，這是由于它的傳輸路徑呈現環形所致。由于隨著信號的頻率不斷增加，它會產生越來越多的能量損失，這一效果變得非常重要了。這一能量的損失對處理器的效率處理數據的效率產生了非常大的影響。 　　在一個標準的MLCC電容器中，等價串聯自感正以裝置本身的一個幾何功能而崛起；信號到達一個終端之后，從另一端出來，然后再到達處理器，這就形成了一個足夠大的閉環，在高頻階段，會產生相當大的能量損失。高速MPU、GPU和DSP半導體裝置性能可以通過在緊靠硬模（在套裝的上面）處或在PCB臨近區域安置低自感電容器得到很大程度地提升。現在，已經有許許多多的策略元件的生產商致力于減少這一閉環方面的影響。

低自感MLCC電容器的發展歷程
專門為減少自感現象而設計的第一個電容器被稱為”低自感芯片電容器（LICC）”，它使用了“逆幾何”端點。這意味著要在長邊（L）上而不是傳統的端點（W）上終結電容器，這樣信號回路將會以部件的寬度為基礎，而不再是以長度為基礎了。舉個例子，一個1206裝置可以作為一個0612生產，并且將會展示出一半的自感性，（一般情況下：500pH對1nH）。若要減小器件的大小（0508和0306），就將會進一步降低用于解耦合的體積電容。對于這些情況，一些設計者已經使用了低自感電容器和高CV電容器并聯的組合，以達到他們在參數性能上的目標。
由AVX公司開發并申請專利的下一代裝置屬于叉指芯片電容器（IDC） 。部件具有多條紋終端，而不是套裝上的一個固態終端，它們交替地與PCB的基平面和能量相連，或者更直接地與處理器相連。這樣的系統會產生相互自感抵消，把裝置的各個自感和電容特性從彼此之間分開。舉個例子，一個X5R、4V、0508套裝可以產生2.2uF體積電容，但是同時它的等價串聯電容只有45pH。
為了超越這一性能等級，一種低自感電容器列陣（LICA）被開發出來。這種裝置是由在一個BGA翻轉芯片套裝中的垂直電極元件所組成的一個列陣。它是專門為進行單芯片或插入式發展而設計的，而這種發展都是都是用于非常高端處理器的應用。

具有革命意義的引腳網格陣列電容器的概念
用于PCB（而不是BGA）應用的低自感電容器，其下一代產品已經被發布了。為了減少等價串聯自感，引腳網格陣列電容器（LGA）設計從上面勾勒出的兩種基本的設計策略中脫穎而出。第一種是要使電流回路（由安裝的裝置形成）的面積足夠的小，然后利用多重、并聯回路來減少裝置的凈自感。第二種是要打斷長邊端點，使之變成一段一段的帶有極性的終端，以形成若干個并聯的小面積電流回路，例如：在叉指電容器（IDC）中。
當引腳網格陣列設計從它的前任LICC和叉指電容器中發展起來時，它所帶來的變化事實上是革命性的：它利用精確的細銅終端技術（FCT）以及非常重要的對于內部電極的垂直取向，這一點與LICA產品是相似的。多層陶瓷電容器（MLCC），LICC以及叉指電容器都具有傳統的水平取向的電極以及安置于電容器邊上的終端，經過此電容器，電信號從裝置中離開或進入。有了垂直電極和精確細銅終端為與裝置的底部，引腳網格陣列電容器的電流回路變得非常的小，因此，產生的等價串聯自感也就非常的小。
隨著組件尺寸的不斷縮小，終端的幾種傳統方法變得問題多多。新的了引腳網格陣列系統是一種功能強大的技術，它允許在相反極性的終端之間存在一個可以被精確控制的間隙，這些具有相反極性的終端一般位于引腳網格陣列電容器的底部。由于能夠把有效的電流回路“寬度”降低到最小，這一系統在設計元件中變得非常關鍵。新的精確細銅終端技術通過一個獲得專利的過程得到，這個獲得專利的過程可以對終端沉積進行緊密的控制，因此，即使是更為小巧的裝置也能被生產出來。
使用細銅終端過程還可以允許I/O終端的電極配置安裝在電容器的底部，這樣一來，信號可以被直接地通過處理器運往或者運出PCB。與垂直電極配置（允許回路區域被極大地縮小）以及電容器內部的電流抵消（由新的終端結構達到）一道，一個相對簡單的雙終端引腳網格陣列可以擁有一個自感，其自感值只有35pH。

使用引腳網格陣列電容器的益處
這一新的引腳網格陣列技術為航空航天以及軍事應用提供了非常大的幫助。設計工程師可以利用減輕的重量，生產的便利，制造出更多具有很強魯棒性的終端產品。
一個雙終端引腳網格陣列裝置擁有一個八終端叉指電容器裝置的等價ESL。從可生產性的角度來看，對于所有的終端客戶來說，這都是一個很大的進展，特別是對于軍事或高可靠性的應用。有了生產上的簡便性在心中，這就等于少了幾分檢查的功夫，而多了幾分強健的連接。
引腳網格陣列的另外一個益處就是套裝尺寸大小的范圍很大。這一技術在0805、0508、0306，現在甚至在0204上都是可行的。在這一對裝置的分類范圍內，首要的一個變量就是抵消“區間”，或者線性距離的最小化，這里的線性距離指的是為了使ESL最小而在底部終端間騰出的間隙。與傳統的電容器（比如：MLCC、LICC以及IDC）不同，對于在引腳網格陣列中較大的套裝尺寸來說，自感相對較低，這是因為電流回路區域是根據內部電極的設計確定的，而不是根據組件的外部規格確定的（如圖3所示）。這意味著：為了使自感現象達到最低的程度，并不一定需要犧牲最大的電容值。在軍事應用或者需要高可靠性的應用中，一個很重要的益處在于它減少了使系統性能得到優化而必須需要的組件的數量。

關于PCB組件的密度，還有另外一個使用引腳網格陣列系統的突出益處。與傳統的MLCC組件不同，引腳網格陣列的推薦布局只是略微的高與實際的裝置本身，這就使得PCB上的打包密度變得非常的緊密，這一點在尺寸/重量限制系統中是非常重要的。這允許更多有效電容被放置在電路板上的某個指定區域。另外一個優勢來自于為引腳網格陣列電容器提供了一個更大的終端區域，使得電路板裝配變得更加的具有魯棒性。這一點使得器件間的聯系更為堅固，減少安裝壓力。在AVX公司和其他現場，電路板安裝試驗已經證明了：部件很容易就被回流了，并且引腳網格陣列焊接點的機械完整性與那些用傳統方法制造的相比沒有什么區別，甚至更好。很高的連接強度，再加上很小的組件尺寸，意味著這些裝置在高振蕩或者高沖擊應用領域是非常理想的。一個更大的終端區域還會減少 “墓碑現象”以及 誤差產生的可能。AVX可提供符合RoHS準則或者錫/鉛終端的引腳網格陣列電容器。

引腳網格陣列技術帶來的應用收益
很多軍事、國防、航空航天以及其他需要高可靠性的系統都從使用引腳網格陣列電容器上獲得很好的效益。類似“未來戰斗系統（FCS）”這樣的理念，使用一系列裝置，比如：GPS、JTRS、以及FLIR，將會使用到DSP、ASIC、CPU、以及GPU半導體技術。應用者將會看到在系統性能上發生的巨大改進，尤其是在與可靠性、魯棒性設計以及更低的等價串聯自感（來自引腳網格陣列）相關的性能。事實上，對于任何的應用來說，只要此項應用涉及實時的數據收集、操作、儲存以及（或者）報告，都會從這些裝置的高級解耦性能中獲得收益。

總 結
細銅終端 （FCT） 技術以及垂直擺放的電極是開發具有革命性意義的、擁有超低自感的引腳網格陣列（LGA）電容器的基礎。引腳網格陣列對于軍事、國防、航空航天以及其他一些需要高可靠性的應用（對于這些應用來說，尺寸、重量以及很高的設計可靠性是非常關鍵的）來說都是非常理想的。卓越的性能還不會以犧牲電容性或者終端連接強度為代價，最為重要的則是它使設計師們有能力創造出滿足未來發展要求的快速發展感應、顯示以及導航系統，這三種應用正在被整合到從航天儀器到掌上裝置的各種各樣的設備之中。
編輯：何世平