为什么 IC 或 IC 封装中没有内置去耦电容?

电器工程 去耦电容 解耦
2022-01-12 04:02:43

标题可能已经足够好了,但我一直想知道为什么去耦帽没有内置在芯片中,或者至少没有内置在 IC 封装中?

4个回答

在芯片上集成电容器很昂贵(它们需要大量空间)并且效率不高(仅限于极小的电容器)。
包装也不提供空间,电容器会妨碍粘合。

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IC 封装小型化是由手机市场推动的(每年有数百个大型设备,如果不是千兆设备的话)。我们总是想要更小的包装,无论是在面积上还是在高度上。打开手机看看问题出在哪里。(我的手机薄 1 厘米,包括外壳顶部和底部、一个显示器、一个 5 毫米厚的电池,中间还有一个带有组件的 PCB。)你可以找到不到一毫米高的 BGA 封装(这个 SRAM 封装是 0.55毫米(!))。这小于 0402 100 nF 去耦电容的高度。
SRAM 的另一个典型特征是封装尺寸不是标准的。你会发现 8 mm * 6 mm,还有 9 mm * 6 mm。这是因为封装尽可能地贴合芯片。只是芯片加上每边的一小部分用于粘合。(顺便说一句,BGA 管芯接合在集成 PCB 上,它将信号从边缘路由到球栅。)
这是一个极端的例子,但 TQFP 等其他封装并没有留下太多空间。

在 PCB 上挑选和放置电容器也便宜得多;无论如何,您正在为其他组件执行此操作。

过于简单化,可以说:*电容器设计人员不喜欢使用先进的 45 nm 工艺,IC 设计人员几乎不知道如何从钛酸钡ϵr

芯片中使用的材料针对半导体进行了优化,而不是针对电容器所需的材料(即极高的介电常数)。即使是这样,片上电容器仍会占用大量空间,从而使芯片非常昂贵。片上电容器相对较大的面积必须经过原始芯片功能所需的所有棘手工艺步骤。因此,芯片结构上唯一的电容器是那些无论如何都可以非常小的电容器,或者那些需要非常精确地调整到 IC 预期的电容器,例如逐次逼近模拟的电荷再分配电容器。 - 数字转换器甚至必须在芯片仍在制造时进行修整。

对于芯片电源轨的去耦或缓冲其参考节点之类的事情,电容器的精确值并不重要,但需要高 C*V 乘积,最好将一些电容器放在旁边集成电路。这些可以由电解或陶瓷材料制成,在小体积内经过修整以获得更大的电容*电压,并以适合这些要求的工艺制造。

然后,当然有一些混合封装技术,其中陶瓷电容器与 IC 一起放置在同一封装上或同一封装中,但这些是例外情况,即连接器的长度从芯片到标准 IC 封装和插座到上盖电路板已经太长并且电感太大,或者 IC 制造商不想依赖电路板设计人员来实际阅读他们的数据表和应用说明,了解必须在哪里放置电容,这样 IC 才能满足其要求规格。

曾经有内置去耦电容的IC插座。好几年没见过了

在此处输入图像描述

如果问题是为什么去耦帽没有与封装中的芯片一起封装,我会说主要原因是经济性 - 在大多数情况下,将电容器带入板载并没有太大的性能提升(相反将其放在 PCB 上)——因此额外的成本(在工艺开发、测试和商品成本中)不会给消费者带来任何好处,只会增加设备的成本。

现有的封装工艺也必须修改以适应封装内的芯片。这将增加新的或修改现有工具(机器、模具、检查设备等)的大量成本——只是为了增加额外的电容器。

至于将电容器直接放置在芯片上——芯片空间作为晶体管比作为电容器更有价值。同样,对于电容,最好在核心芯片封装之外使用它。