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硅電容器崛起,可望取代MLCC部分應(yīng)用市場(chǎng)

作者:technews 時(shí)間:2023-09-20 來(lái)源:半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫 收藏

傳統(tǒng)電容器因采用不同材料做為絕緣體而形成不同類型的電容器,例如電解電容(Electrolytic Capacitor)、鉭質(zhì)電容(Tantalum Capacitor),以及主流的多層陶瓷電容()等。他們是電子系統(tǒng)中最常見(jiàn)的被動(dòng)元件之一,受到高溫、頻率或直流偏壓等因素的影響,他們也成為故障率最高的元件之一。為了解決這個(gè)問(wèn)題并滿足更廣泛惡劣環(huán)境應(yīng)用之需求,以硅材料做為絕緣體,且以半導(dǎo)體技術(shù)加以制造的(Silicon Capacitor,Si-Cap)開(kāi)始在市場(chǎng)上嶄露頭角。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202309/450768.htm

單 MIM 或多 MIM+3D 納米結(jié)構(gòu)=更高靜電電容值

當(dāng)前在結(jié)構(gòu)上多半采用三層式「金屬/絕緣體/金屬」(Metal-Insulator-Metal,MIM)形式,另外也有多 MIM 結(jié)構(gòu)的,其每一個(gè) MIM 結(jié)構(gòu)都負(fù)責(zé)蓄存一部分的靜電電容,多個(gè) MIM 堆疊可以增加總靜電電容值。

在絕緣體部分,當(dāng)前硅電容器多半采用二氧化硅或氮化硅等絕緣硅介電質(zhì)材料,進(jìn)而形成「金屬/絕緣層/半導(dǎo)體」(MIS)或金屬/氧化物/半導(dǎo)體」(MOS)等三層式結(jié)構(gòu)。兩者皆為當(dāng)前高密度電容器的主要絕緣材料,已然成為業(yè)界追求高穩(wěn)定性、高可用性及耐高溫等惡劣環(huán)境應(yīng)用的最佳選擇。

日廠村田制作所(Murata Manufacturing)旗下子公司 MIPS(Murata Integrated Passive Solutions,前身為法國(guó)硅被動(dòng)元件廠商 IPDiA,2016 年村田收購(gòu),2017 年更名)的高密度硅電容器技術(shù)便是采用內(nèi)埋在非晶基板的單 MIM 或多 MIM 結(jié)構(gòu)。高密度硅電容器是采用半導(dǎo)體 MOS 制程開(kāi)發(fā),并使用 3D 納米結(jié)構(gòu)增加更高的電極表面積,進(jìn)而獲得更高的靜電電容值。


3D 結(jié)構(gòu)提升電容值示意圖。(來(lái)源:Murata)

有助提升硅電容高容積率的 PICS 制程成主流

當(dāng)前硅電容器所采用的主流半導(dǎo)體技術(shù)莫過(guò)于深溝式(Deep Trench)技術(shù),例如美商予力半導(dǎo)體(Empower Semiconductor)推出 E-Cap 品牌硅電容器便采用深溝技術(shù)。不過(guò),愛(ài)普科技(AP Memory)新推 IPD 硅電容器產(chǎn)品線以自家擅長(zhǎng)的 3D DRAM 堆疊技術(shù)開(kāi)發(fā)。

隨著高度整合、高性能與微型化等需求的不斷增長(zhǎng),高密度超深溝硅電容器開(kāi)始受到市場(chǎng)青睞,實(shí)現(xiàn)被動(dòng)元件主流技術(shù)莫過(guò)于被動(dòng)整合連接基板(PICS)制程技術(shù),制程能結(jié)合多芯片模組(mcm)和芯片直接封裝(COB)等技術(shù),開(kāi)發(fā)出體積更小的超低功耗組件。制程技術(shù)不但能將許多基本功能整合到單一產(chǎn)品,降低制造成本,同時(shí)有助硅電容器容積效率持續(xù)提升。


PICS 技術(shù)高密度深溝電容器剖面圖。(來(lái)源:Murata)

無(wú)與倫比的「四高」優(yōu)勢(shì):高穩(wěn)定度、高密度、耐高溫、高可用性

相對(duì)于傳統(tǒng)電容器,硅電容器具備許多顯著的優(yōu)勢(shì),首先是高穩(wěn)定度,即使在高溫下依舊穩(wěn)定如常,目前最大耐受高溫可達(dá) 250°C,這使它成為適用航空、車用、軍用乃至石油勘探等惡劣環(huán)境應(yīng)用的最佳選擇。雖然元件仍有最大電容值的限制,但基本上不受電容老化的影響(MIPS 硅電容器使用壽命至少 10 年),即使面對(duì)會(huì)讓 電容器大受影響的直流偏壓,可靠性和電容值都不會(huì)因此下降。

其次,高密度硅電容器有助于帶動(dòng)高性能零組件的微型化發(fā)展,進(jìn)而有效降低電子元件的功耗與成本。以 MIPS 新推的硅電容器而言,厚度僅 40μm,比起 電容器薄得多。再者是極佳的漏電流(Leakage current)穩(wěn)定性表現(xiàn),對(duì)于傳統(tǒng)電容器而言,高溫、應(yīng)力、充電電壓乃至介電質(zhì)厚度都會(huì)對(duì)漏電流造成影響。由于硅電容器具備良好的絕緣性能及絕緣電阻值,因而成為耦合、阻隔及時(shí)序電路的最佳選擇。

此外,由于高溫硅電容器具備更低失效率(FIT Rate),因此比起故障率極高的傳統(tǒng)電容器,能提供更佳的可靠度與可用性。就村田制造作所網(wǎng)站指出,當(dāng)前硅電容器可靠性可達(dá) MLCC 電容器的 10 倍。

IPDiA 硅電容器。(來(lái)源:DigiKey)

愛(ài)普科技說(shuō)法,傳統(tǒng)電容通常放在電路板上,隨著高效能 SoC 的功耗越高、電壓越低,電容器因此被迫移至接腳側(cè)(land side),以便更靠近 SoC。但傳統(tǒng) MLCC 電容器受限于體積與密度并無(wú)法滿足這樣的需求,這樣的重責(zé)大任便落到高密度、超薄的硅電容器身上。

尋求替代性介電質(zhì)材料,解決有限最大電容值與漏電荷問(wèn)題

不可諱言的,硅電容器當(dāng)然也有一些值得改進(jìn)的缺點(diǎn),包括有限的最大電容值以及漏電荷問(wèn)題。由于電容值會(huì)與二氧化硅介電質(zhì)材料面積成正比,而與二氧化硅介電質(zhì)的厚度成反比,因此電子元件制造商一直在縮減二氧化硅介電質(zhì)的厚度,來(lái)滿足小型化和高密度微電子元件的需求。但偏偏二氧化硅介電質(zhì)薄膜縮得越薄,漏電荷的狀況反而會(huì)更嚴(yán)重,如此一來(lái),電容器便難以儲(chǔ)存電荷。目前針對(duì)這兩個(gè)主要問(wèn)題的解決之道,除改進(jìn)制程外,重點(diǎn)會(huì)放在尋找替代性介電質(zhì)。

拜硅電容器優(yōu)勢(shì)所賜,硅電容器完全相容支援 MIS / MOS 后端技術(shù),所以能做為被動(dòng)整合平臺(tái)的一部分。再者元件也適合以異質(zhì)整合的方式結(jié)合 CMOS、MEMS、多芯片模組或覆晶接合(flip-chip)等各種技術(shù),應(yīng)用于系統(tǒng)級(jí)封裝(system in chip,SiP)或系統(tǒng)單芯片(system on chip,SoC)。元件且適用單顆芯片之表面黏著(SMD)電容器的開(kāi)發(fā)。

射頻薄膜硅電容器架構(gòu)圖。(來(lái)源 :AVX)

目前市場(chǎng)主要硅電容器供應(yīng)商大致包括 AVX、MACOM Technology Solutions、Microchip Technology、Murata Manufacturing、Skyworks Solutions、臺(tái)積電、TDK 及 Viking Tech 等公司。市調(diào)公司 Transparency Market Research 指出,2021 年全球硅電容市場(chǎng)規(guī)模約 15.8 億美元,預(yù)估 2022~2031 年年均復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)為 5.4%。相信不久的未來(lái),硅電容器將會(huì)在網(wǎng)路、通訊、光通訊、醫(yī)療、車用及高可靠性用途等市場(chǎng)發(fā)光發(fā)熱。



關(guān)鍵詞: MLCC 硅電容器

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