硅电容系列一：硅电容概述

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？

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；

审核编辑 黄宇