隨著智能手機和數(shù)碼相機的錄像、錄音功能的搭載，以及小型筆記本電腦的無風扇設計等的電子設備多功能化發(fā)展及無噪聲化發(fā)展，之前并不突出的由于電容器振動所產生的“嘯叫※1”問題成為設計的主要挑戰(zhàn)之一。作為控制嘯叫的元器件之一，村田制作所于2012年6月推出了 “基板嵌入式多層陶瓷電容器（ZRA系列產品）”，該產品通過嵌入式基板※2，抑制電容器的振動，最大限度控制振動對主基板所造成的影響。但是因為ZRA系列產品使用了大于MLCC的LW尺寸的嵌入式基板，所以如果是在為節(jié)約基板面積，縮小安裝元器件之間的距離的情況下使用，就會存在元器件之間相互接觸的問題。因此，此次我們推出了“基板嵌入式多層陶瓷電容器（ZRB系列產品）”（圖1），該產品提升了小型基板的MLCC搭載技術，使用了與MLCC的LW相同大小的嵌入式基板。通過這種方法，即使是緊湊封裝的電路，也不需要變更印制基板設計，可以使用以前的MLCC控制嘯叫。

 

 

圖1：基板嵌入式多層陶瓷電容器（ZRB系列產品）

 

※1  嵌入式…對應多層陶瓷電容器大小的成型印制基板的一種

※2  嘯叫…向陶瓷材料上施加電壓時發(fā)生的機械振動的現(xiàn)象。印制基板振動導致發(fā)出聲音。

 

如果向高介電常數(shù)型的電容器（諸如`溫度特性為：B, R, X5R, X7R，Y5V的電容器）施加交流電壓，由于電致伸縮效應，會造成多層電容器芯片伸縮注）。根據(jù)電介質一般的泊松比為0.3的特性，會在與積層方向垂直及平行的方向上產生伸縮（如圖2所示），其結果是基板表面發(fā)生振動從而產生人耳可聞的聲音。通常情況下，因為這種振動頻率遠遠高于人耳可聽頻率范圍(20Hz～20kHz)，所以即使向單體電容器施加人耳可聽頻率范圍的信號電壓，也不會形成人耳可聞程度的聲音（嘯叫）。但是，如果將電容器封裝于基板，那么該振動會傳導至基板，振動就會放大（諧振）。其結果是人耳可以感知到類似于“吱吱”的聲音。雖然芯片和基板的振幅僅為1pm～1nm左右，但其聲音卻大到人耳輕易識別的程度。

　　　

圖2：電壓施加時電致伸縮效應導致的芯片變形 　

 

 

圖3：電致伸縮效應導致的基板變形

為了控制這種基板振動所導致的電容器嘯叫的情況，我們已經推出了GH8系列產品和KRM系列產品，GH8系列產品是通過使用更低介電常數(shù)的材料，降低電容器的失真量，從而抑制嘯叫的產品，而KRM系列產品是通過在電容器的外部電極部分安裝金屬端子，降低對基板的振動，從而抑制嘯叫的產品。除了這些產品，村田制作所還推出了滿足小型低背需求的嘯叫控制產品---基板嵌入式多層陶瓷電容器（之后稱為ZR*系列產品）。以下說明與其相關的概要情況。

注）諸如溫度特性為CH，C0J，UJ，U2J的溫度補償性電容器無此種失真特性。

 

 

3-1． ZR*系列產品的結構

ZR*系列產品是通過接合材料（無鉛焊錫），將用于表面封裝的二端子電容器（GRM系列產品）封裝于嵌入式基板上的結構。相較于（圖4、圖5）ZRA系列產品使用了大于MLCC的LW尺寸的嵌入式基板，此次新推出的ZRB系列產品使用的是與MLCC的LW尺寸相同的嵌入式基板。

 

 

圖4: ZRB系列產品的結構圖

 

 

圖5: ZRA系列產品的結構圖

 

3-2． ZR*系列產品的特征

 

ZR*系列產品的特征如下,

①通過將MLCC封裝于嵌入式基板上，可以抑制電容器振動的傳導，也就是可以降低嘯叫等級。

②可以使用與通用產品（GRM系列產品）的相同焊盤進行設計。

③無需變更印制基板（封裝間隔）即可使用（僅ZRB系列產品）。

正如第2章所描述的那樣，如果向使用鐵電陶瓷的多層陶瓷電容器施加交流電壓，就會產生伸縮。ZR*系列產品通過將MLCC封裝于嵌入式基板上，可以抑制電容器振動（伸縮）向封裝基板的傳導，由此降低嘯叫等級。此外，還設計了通過在嵌入式基板的端部設置凹槽，降低對陶瓷電容器外部電極側表面焊接的潤濕量。由此可以將多層陶瓷電容器的振動（伸縮）應力降至最低，從而也降低了嘯叫等級。圖6為ZR*系列產品與通用系列產品的尺寸嘯叫等級比較圖。從中可以看出相較于通用產品，通過使用ZR*系列產品，會有20dB左右的降低效果（這就意味著人耳所感知的聲音程度已經減輕到1/10左右）。而且，由于ZRB系列產品被設計為使用與多層陶瓷電容器尺寸相同的嵌入式基板，所以如果在組件設計的最終階段發(fā)生嘯叫問題，那么無需變更印制基板（封裝間隔）即可實現(xiàn)置換（降低嘯叫等級）。（使用ZRA系列產品時，如果無法充分確保元器件之間的距離（已進行緊湊封裝），則可能會發(fā)生需要變更印制基板設計（封裝間隔）的情況。）

 

圖6：ZR*18（嘯叫抑制產品）和GRM18（通用產品）的嘯叫等級比較

 

3-3． ZR*系列的產品陣容

基板嵌入式多層陶瓷電容器的產品陣容如下所示。

 

① 外形尺寸

 

ZRB15X：L = 1.00±0.15, W = 0.50±0.15, T = 0.65±0.15

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 (單位: mm)

 

② ZR*系列的產品陣容

 

 
 

 

③產品編號

 

例） MLCC為1608、X5R特性、22μF、M誤差 (±20%) 時: ZRB18AR60J226ME01

 

目前，ZR*系列產品需求市場的重心是需要小型低背元器件的移動市場。

?移動通信設備（手機/智能手機）

在功率放大器的輸入方所使用的電容器、以及提供給CPU的DC-DC轉換器的輸出方所使用的電容器方面，為了抑制由于IC的負載變化所引發(fā)的嘯叫，對低嘯叫等級電容器的需求不斷高漲。特別是在智能手機等方面，隨著基板面積的不斷縮小（通過緊湊封裝實現(xiàn)的空間節(jié)省）和薄型化的不斷推進，這些電路所使用的電容器（用以抑制嘯叫等級的產品）必須要具備小型化和低背化的特點，因此針對ZR*系列產品的使用與研討也在持續(xù)進行中。

 

在手機/智能手機方面，由于電池所占面積的擴大以及多功能化所造成的IC搭載數(shù)量的增加，預計基板面積的縮小和薄型化是大勢所趨。此外，由于搭載更高性能的IC，對所使用的電容器在小型化大容量方面的要求越來越高。在未來，ZR*系列產品作為能對肩負此種需求的電容器所存在的嘯叫問題的解決有所助益的產品，要對其產品陣容進行擴充。而且今后平板終端和筆記本電腦也會存在節(jié)約電力和節(jié)省空間等需求，因此預計小型化大容量會不斷發(fā)展，在這些市場中，對ZR*系列產品的需求也會提高。