Manufacturing Technology

嵌入式电容材料特性

嵌入式电容材料是一种薄型电容层压板，可以被埋置入电路板和计算机芯片封装，用以减少阻抗、电源总线噪声、PCB电磁干扰和分离式电容数量。借助这种嵌入电容材料，设计工程师可以显著改善产品的性能并减小产品的尺寸，从而使产品与众不同。

我们常说，在高速设计中，去耦是保证电源完整性的首要因素。虽然这通常是正确的，但它会促使设计人员将数百个分立电容器堆叠在非常小的封装中，以试图降低PDN阻抗。最终你会用完电容器的可用空间，而电容器和集成电路之间的长连接会产生新的电源完整性问题。

为了克服这些问题，设计人员可以将一种类型的材料整合到PCB叠层中。这是一种称为嵌入式电容材料的特殊材料，有时也称为ECM。虽然嵌入式电容材料永远不会成为解决所有电源完整性问题的灵丹妙药，但它会在某些需要高去耦电容和平面电容的系统中提供一些重要功能。

嵌入式电容材料概述

嵌入式电容材料将出现在PCB叠层中，它应该放置在主电源层和相邻的接地层之间。当我们提到嵌入式电容材料时，我们并不是指嵌入式分立电容器。虽然您当然可以为嵌入式分立器件铣削通道，但嵌入式电容材料在与电源完整性相关的方面发挥着完全不同的作用。

具有嵌入式电容材料的叠层。ECM层将非常薄，而其他层可以是标准厚度和从现成材料中选择的Dk值。

下图显示了嵌入式电容材料可能放置在PCB叠层中的典型位置。在此示例中，PWR 层可以拆分为多个轨道，也可以是单个大型轨道。

所有嵌入式电容材料都具有一些共同特性：

• 材质很薄
• 它们往往具有高损耗角正切
• 如果需要，它们可以具有高介电常数

下表说明了嵌入式电容材料的一些重要材料特性。此列表并非详尽无遗，它仅说明了可在市售产品中找到的一些可能值。该表还包括FR4级层压板的可比值。

为什么嵌入式电容材料在上述位置起作用？原因很简单：具有高介电常数的非常薄的绝缘体层将具有高电容密度，因此具有高能量密度。这些材料的平面电容密度可以比标准厚度PCB中的平面电容大2-3个数量级。这使得嵌入式电容材料非常适合去耦高达GHz的频率范围，这正是片上电容可能不足并开始影响功率传输的地方。高介电常数 = 高电容

高损耗正切=低纹波

每当芯片从PCB中的PDN获取功率时，这些材料在100 MHz至1 GHz附近的损耗角正切都会提供电磁波阻尼。这就是为什么，如果您在场解算器中查看一对平面的阻抗与频率，该平面将无法表现出仅使用去耦电容器时所见的特征谐振。换句话说，只有

何时不使用嵌入式电容材料

从上面的讨论来看，嵌入式电容材料似乎正是设计人员确保电源完整性所需要的。那么这个想法在哪里失败了，为什么会这样呢？有一些区域不应使用嵌入式电容材料，或者它们没有任何优势：

• 作为布线传输线的支撑电介质
• 作为毫米波互连的支撑电介质
• 在已经提供大量平面电容的非常大的电路板上
• 在已经有大量去耦电容的板上，包括片上电容

在前两点，不应使用这些材料，因为它们的损耗角正切与 FR4 相当，但频率值较低。这种有损特性使这些材料对电源完整性非常有用，即使在去耦电容器不足的情况下也是如此。因此，它们会抑制从较低截止频率开始的信号传播，并且如果核心电压较低和/或路由通道较长，它们可能会过度降低信号电平。

在最后两点中，问题是成本与性能之一。在这两种情况下，电路板可能已经带有标准层压板的大量电容，因此没有理由花钱购买额外的电容。在扩大规模时尤其如此；应该考虑可以消除的每一点不必要的成本，并且您可能会发现您不需要嵌入式电容材料。

嵌入式电容材料已经被成功应用于电信、计算机硬件、测试测量、军事/航空航天、医疗、消费类电子等领域。