寄生電容寄生電容

寄生電容寄生電容寄生電容寄生電容寄生電容寄生電容3.1概述3.2電學(xué)基礎(chǔ)電容專題電容器的發(fā)展_儲(chǔ)能器件電容器的應(yīng)用示例_觸摸屏寄生電容(本節(jié)內(nèi)容)第三章電氣性能的封裝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2由于本人工作能力和接觸項(xiàng)目有限，希望借此機(jī)會(huì)將自己的體會(huì)與大家分享，更希望大家能提出更多更為深刻的意見!謝謝寄生電容寄生電容寄生電容寄生電容寄生電容寄生電容3.1概述3.1概述3.2電學(xué)基礎(chǔ)電容專題電容器的發(fā)展_儲(chǔ)能器件電容器的應(yīng)用示例_觸摸屏

寄生電容(本節(jié)內(nèi)容)第三章電氣性能的封裝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)23.1概述第三章電氣性能的封裝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2電容在交變電流中的作用問：在交變電流中，從信號(hào)的角度考慮，電容對(duì)信號(hào)的傳輸有影響么？視頻：3_11電容對(duì)交變電流的影響3電容在交變電流中的作用問：在交變電流中，從信號(hào)的角度考慮，電寄生電容問：互感電容？寄生電容？同樣的，電路組件間也存在互感電容，例如一條導(dǎo)線的電荷所形成的電場(chǎng)會(huì)吸引或排斥另一條導(dǎo)線的電荷，而造成其電場(chǎng)的變化。（兩個(gè)電感線圈相互靠近時(shí)，一個(gè)電感線圈的磁場(chǎng)變化將影響另一個(gè)電感線圈，這種影響就是互感。）在多層結(jié)構(gòu)的封裝中，寄生電容是無法避免的（為什么？）上下兩條導(dǎo)線中間隔著電介質(zhì)，就形成標(biāo)準(zhǔn)的平行板電容器寄生電容：系統(tǒng)中任何兩塊導(dǎo)體之間固有的電容4寄生電容問：互感電容？寄生電容？4寄生電容IBMCPU的截面圖，綠色的部分即為電介質(zhì)

亮色的是銅導(dǎo)線問：有寄生電容么？存在哪里？5寄生電容IBMCPU的截面圖，綠色的部分即為電介質(zhì)

亮色的寄生電容寄生電容，在集成電路內(nèi)部，由于ILD(InterLayerDielectrics，層間電介質(zhì))的存在，導(dǎo)線之間就不可避免地存在電容，稱之為寄生電容。隨著工藝制程的提高，單位面積里的導(dǎo)線越來越多，連線間的間距變小，連線間的耦合電容變得顯著，寄生電容產(chǎn)生的串繞和延時(shí)增加等一系列問題更加突出（寄生電容是導(dǎo)致信號(hào)延遲的另一個(gè)來源）寄生電容不僅影響芯片的速度，也對(duì)工作可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。希望最小化寄生電容6寄生電容寄生電容，在集成電路內(nèi)部，由于ILD(InterL寄生電容問：在結(jié)構(gòu)不變的情況下，從材料的角度，如何減小寄生電容？7寄生電容問：在結(jié)構(gòu)不變的情況下，從材料的角度，如何減小寄生電寄生電容在決定電容器容量大小的各種因素里，在結(jié)構(gòu)不變的情況下，減少電介質(zhì)的k值（介電常數(shù)），可以減小電容的容量。使用low-k電介質(zhì)作為ILD來替代傳統(tǒng)的二氧化硅，可以有效地降低互連線之間的分布電容，從而可使芯片總體性能提升10％左右。圖中藍(lán)色部分low-k電介質(zhì)用于ILD8寄生電容在決定電容器容量大小的各種因素里，在結(jié)構(gòu)不變的情況下寄生電容問：現(xiàn)有電子封裝中常用的介質(zhì)？在電子封裝基片中，通常使用的介質(zhì)，比如二氧化硅和聚酰亞胺，它們的相對(duì)介電常數(shù)分別是3.9和3.5.道爾化學(xué)的苯并環(huán)丁烯介電常數(shù)是2.6，傳統(tǒng)FR-4印刷電路板材料的介電常數(shù)是4.7.問：為什么苯并環(huán)丁烯的介電常數(shù)這么低？從分子結(jié)構(gòu)的角度理解，什么樣的分子結(jié)構(gòu)具有小的介電常數(shù)？9寄生電容問：現(xiàn)有電子封裝中常用的介質(zhì)？9介電常數(shù)常用物質(zhì)介電常數(shù)_PDF文檔10介電常數(shù)常用物質(zhì)介電常數(shù)_PDF文檔10偶極矩在引入介電常數(shù)、極化之前，先介紹偶極矩偶極矩（dipolemoment['daip?ul]）問：定義？正、負(fù)電荷中心間的距離r和電荷中心所帶電量q的乘積，叫做偶極矩μ=r×q。它是一個(gè)矢量，方向規(guī)定為從負(fù)電荷中心指向正電荷中心。極性分子的偶極距等于正負(fù)電荷中心間的距離乘以正電荷中心（或負(fù)電荷中心）上的電量。11偶極矩在引入介電常數(shù)、極化之前，先介紹偶極矩11DipoleMomentH2OCO212DipoleMomentH2O極化分子在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)成分子的正負(fù)電荷發(fā)生相對(duì)的位移，形成電偶極矩13極化分子在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)成分子的正負(fù)電荷發(fā)生相對(duì)的位移，形極化問：極化？對(duì)于由極性分子形成的介電質(zhì)，假設(shè)施加外電場(chǎng)于這種介電質(zhì)，則會(huì)出現(xiàn)取向極化現(xiàn)象。各個(gè)分子偶極矩的疊加，材料就有了極性（后問）問：導(dǎo)體呢？14極化問：極化？14極化_導(dǎo)體G在均勻電場(chǎng)作用下的靜電感應(yīng)15極化_導(dǎo)體G在均勻電場(chǎng)作用下的靜電感應(yīng)15介電常數(shù)介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，原外加電場(chǎng)(真空中)與最終介質(zhì)中電場(chǎng)比值即為相對(duì)介電常數(shù)(permittivity)，又稱相對(duì)電容率，以εr表示。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場(chǎng)中，場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。介電常數(shù)（又稱電容率），以ε表示ε=εr×ε0，ε0為真空絕對(duì)介電常數(shù)，ε0=8.85×e-12F/m。16介電常數(shù)介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，原外加電場(chǎng)介電常數(shù)問：介電常數(shù)的含義？在電磁學(xué)里，介電質(zhì)響應(yīng)外電場(chǎng)的施加而電極化的衡量衡量電場(chǎng)怎樣影響介電質(zhì)，怎樣被介電質(zhì)影響相對(duì)介電常數(shù)是相對(duì)于真空而言對(duì)材料極化能力的度量，決定了材料的充放電能力17介電常數(shù)問：介電常數(shù)的含義？17介電常數(shù)一個(gè)電容板中充入介電常數(shù)為ε的物質(zhì)后電容變大ε倍（為什么？）。所以，電子封裝中，使用具有很低相對(duì)介電常數(shù)的絕緣材料18介電常數(shù)一個(gè)電容板中充入介電常數(shù)為ε的物質(zhì)后電容變大ε倍（為擊穿電壓，breakdownvoltage電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體，稱為電介質(zhì)擊穿,所對(duì)應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。電介質(zhì)擊穿時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度叫擊穿場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)于絕緣體來說是指使得絕緣體的一部分變成電導(dǎo)體的最小電壓。The

breakdownvoltage

ofan

insulator

istheminimumvoltagethatcausesaportionofaninsulatortobecomeelectricallyconductive.對(duì)于二極管來說是指二極管反向?qū)ǖ淖钚》聪螂妷?9擊穿電壓，breakdownvoltage電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的Highvoltagedielectricbreakdownwithinablockofplexiglas有機(jī)玻璃的電擊穿大氣的電擊穿20HighvoltagedielectricbreakdDielectricstrength，介電強(qiáng)度/絕緣強(qiáng)度Ofaninsulatingmaterial,themaximumelectric

fieldstrength

thatitcanwithstandintrinsicallywithoutbreakingdown,

i.e.,withoutexperiencing

failure

ofitsinsulatingproperties.Foragivenconfigurationofdielectricmaterialandelectrodes,theminimum

electricfield

thatproducesbreakdown.衡量絕緣性能的21Dielectricstrength，介電強(qiáng)度/絕緣強(qiáng)度O2222寄生電容問：你還有什么主意，從材料和結(jié)構(gòu)的角度來減小寄生電容？提示：用介電常數(shù)小的材料；結(jié)構(gòu)上如何減小介電常數(shù)？23寄生電容問：你還有什么主意，從材料和結(jié)構(gòu)的角度來減小寄生電容寄生電容最好的low-k是“沒有材料”，如何實(shí)現(xiàn)？IBM提出了用氣隙代替絕緣材料的Airgap技術(shù)。Airgap的方法是在硅片上涂上一層特殊的聚合材料，這種材料通過烘焙，能夠自然形成數(shù)萬億個(gè)大小均勻尺寸僅為20納米的細(xì)孔，提高了元件與導(dǎo)線間的絕緣性能。僅此一項(xiàng)措施，就能讓微芯片的運(yùn)行速度再次提高三分之一，并可以節(jié)能15%。問：缺陷？它的散熱效果和機(jī)械強(qiáng)度，不夠好Airgap技術(shù)：銅導(dǎo)線間加入氣孔，取代傳統(tǒng)的Low-k電介質(zhì)

24寄生電容最好的low-k是“沒有材料”，如何實(shí)現(xiàn)？Airga寄生電容問：導(dǎo)線密度增加，寄生電容增加？導(dǎo)線密度的增加，寄生電容的問題越來越嚴(yán)重，變成了限制速度的主要因素。（為什么寄生電容能夠限制速度？）導(dǎo)線間距變小寄生電容不僅帶來信號(hào)延遲，而且增加了功率消耗。為什么？在高電容結(jié)點(diǎn)上減小功率消耗和信號(hào)延遲的一個(gè)方法是限制這些結(jié)點(diǎn)上的電壓漂移。為什么？25寄生電容問：導(dǎo)線密度增加，寄生電容增加？25寄生電容然而，隨著最小特征尺度的減小和芯片尺寸的增加，布線電容變得比器件電容更加重要。（為什么）芯片變大使得導(dǎo)線總長(zhǎng)度增加，從而總布線電容也隨著芯片增大而增加。26寄生電容然而，隨著最小特征尺度的減小和芯片尺寸的增加，布線電寄生電容在封裝設(shè)計(jì)歷史上，隨著設(shè)備的減小，設(shè)計(jì)者會(huì)增加芯片上的電路密度，這就伴隨著布線要求的提高。27寄生電容在封裝設(shè)計(jì)歷史上，隨著設(shè)備的減小，設(shè)計(jì)者會(huì)增加芯片上電容下表所示為各種封裝組件的寄生電容焊線和封裝引腳的寄生電容典型值大約是1pF。倒裝芯片中焊錫凸塊的寄生電容與電感最低，這也是高頻組件需要使用倒裝芯片技術(shù)的原因。倒裝芯片中，在芯片上制作金屬凸塊，再利用凸塊做結(jié)合各種封裝組件的寄生電容28電容下表所示為各種封裝組件的寄生電容各種封裝組件的寄生電容2寄生電容倒裝芯片由于其提供芯片至外部線路間最短的路徑，有較小的寄生電容與電感，其所造成的感應(yīng)噪聲、信號(hào)串?dāng)_、信號(hào)傳輸延遲與波形失真等皆較少。通常能達(dá)到良好的電性表現(xiàn)，基本能滿足未來產(chǎn)品更高性能與更低成本的需求。目前，已有業(yè)者在研究無凸塊的倒裝芯片，無凸塊（不使用凸塊）倒裝芯片可更進(jìn)一步降低寄生電感與電容，降低噪聲。29寄生電容倒裝芯片由于其提供芯片至外部線路間最短的路徑，有較小寄生電容封裝組件的電容、電感值與其幾何設(shè)計(jì)、材質(zhì)、尺寸大小與使用頻率有關(guān)，上表所列的僅是一些參考數(shù)據(jù)。實(shí)際上，封裝中寄生電感、電容無所不在，包括導(dǎo)線間的互感電容、互感電感、結(jié)合線、被動(dòng)組件、貫穿孔、BGA的錫球以與倒裝芯片結(jié)合的焊錫凸塊等的寄生電容與電感等，而這些可用等效電路來描述，用仿真軟件來計(jì)算。集成電路專用模擬程序（SPICE）30寄生電容封裝組件的電容、電感值與其幾何設(shè)計(jì)、材質(zhì)、尺寸大小與寄生電容貫穿孔的等效模型31寄生電容貫穿孔的等效模型31寄生電容導(dǎo)線彎曲處的等效電路模擬32寄生電容導(dǎo)線彎曲處的等效電路模擬32寄生電容的影響時(shí)間延遲問：你理解的時(shí)間延遲？33寄生電容的影響時(shí)間延遲33時(shí)間延遲_選講電阻和電容、或電阻和電感，同時(shí)存在于同一個(gè)電路系統(tǒng)中時(shí)，會(huì)造成時(shí)間延遲。在電阻-電容電路中的時(shí)間延遲34時(shí)間延遲_選講電阻和電容、或電阻和電感，同時(shí)存在于同一個(gè)電路時(shí)間延遲右圖，明顯示出時(shí)間延遲問：緣由？在電阻-電容電路中，時(shí)間延遲實(shí)質(zhì)上是由電容的充放電所導(dǎo)致的。問：如何理解？35時(shí)間延遲35時(shí)間延遲純電阻電路問：開關(guān)閉合，電流變化？電路圖電流的時(shí)間反應(yīng)當(dāng)開關(guān)鈕閉合,電池的電動(dòng)勢(shì)會(huì)提升電流I

如右圖所示,并沒有可量度的時(shí)間延遲36時(shí)間延遲純電阻電路電路圖電流的時(shí)間反應(yīng)當(dāng)開關(guān)鈕閉合電阻-電容電路問：電流變化？提示：由大到小，還是由小到大，還是不變化？當(dāng)開關(guān)鈕閉合,一大充電電流會(huì)因電池的電勢(shì)差而流動(dòng)。問：為什么會(huì)有一大充電電流？提示：電勢(shì)差/電壓差的角度當(dāng)電容器被部分充電后,電容器與電池間的電壓差減少與電流開始下降。最后當(dāng)電容器被充電至與電池的電壓相同時(shí),電流跌至零。電流的時(shí)間反應(yīng)電路圖37電阻-電容電路電流的時(shí)間反應(yīng)電路圖37電阻-電容電路電容器上的電壓變化（問：如何變化？）提示：由大到小，還是由小到大，還是不變化？問：曲線用什么樣的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述？38電阻-電容電路38時(shí)間延遲電容放電斷開電源，電容通過RD放電兩端電壓Vc逐漸降低，電流逐漸減小最后，降為零，放電完畢39時(shí)間延遲電容放電斷開電源，電容通過RD放電39時(shí)間延遲電容放電視頻：3_1350KV1000pF軸向高壓瓷介電容的放電效果40時(shí)間延遲電容放電40時(shí)間延遲問：如上所示的電阻-電容電路中，電容充放電速度或者說充放電時(shí)間與哪些因素有關(guān)？與電容自身大小有關(guān)與電阻大小有關(guān)(通過加熱電阻無窮大來理解)所以，除電容自身外，RC和RD的電阻值分別影響電容的充電和放電速度。41時(shí)間延遲問：如上所示的電阻-電容電路中，電容充放電速度或者說時(shí)間延遲問：如何描述時(shí)間延遲？RC電路中，電阻值R和電容值C的乘積被稱為時(shí)間常數(shù)τ，這個(gè)常數(shù)描述電容的充電和放電速度。電容器上的電壓變化42時(shí)間延遲問：如何描述時(shí)間延遲？電容器上的電壓變化42時(shí)間延遲充放電時(shí)間充電過程，電壓逐漸升高至穩(wěn)定，電流逐漸減小至零放電過程，電壓逐漸減小至零，電流逐漸減小至零記憶：先思考最終狀態(tài)，再分析整個(gè)過程Vc43時(shí)間延遲充放電時(shí)間Vc43時(shí)間延遲電容充電1 0.632122 0.864663 0.950214 0.981685 0.993266 0.997527 0.999098 0.999669 0.9998810 0.9999563.2%99.3%44時(shí)間延遲電容充電1 0.6321263.2%99.3%44時(shí)間延遲電容放電1 0.367882 0.135343 0.049794 0.018325 0.006746 0.002487 9.11882E-48 3.35463E-49 1.2341E-410 4.53999E-545時(shí)間延遲電容放電1 0.3678845時(shí)間延遲電阻-電感電路中的時(shí)間延遲可以類推。因此，從減小信號(hào)時(shí)間延遲的角度來講，要最小化寄生電容、寄生電感。46時(shí)間延遲電阻-電感電路中的時(shí)間延遲可以類推。46電阻-電感電路問：開關(guān)閉合后，電流的變化？提示：由大到小，還是由小到大，還是不變化？當(dāng)開關(guān)鈕閉合,電流由零開始提升。線圈的自感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),與電流的提升對(duì)抗。所以，電流要延遲一些時(shí)間才能達(dá)至穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)電流穩(wěn)定后,反電動(dòng)勢(shì)變成零電路圖電流的時(shí)間反應(yīng)47電阻-電感電路電路圖電流的時(shí)間反應(yīng)47電阻-電感電路電感器上的電壓變化提示：由大到小，還是由小到大，還是不變化？48電阻-電感電路48電阻-電感電路RL電路中，時(shí)間常數(shù)用49電阻-電感電路49電阻-電感電路計(jì)算電路的時(shí)間常數(shù)，電阻為4Ω，電感為0.2H解：50電阻-電感電路計(jì)算電路的時(shí)間常數(shù)，電阻為4Ω，電感為0.2H傳輸線原理__引子信號(hào)傳輸想象中，電傳輸足夠快，所以發(fā)射信號(hào)就能即刻接收到信號(hào)信號(hào)傳輸中確實(shí)存在，時(shí)間延遲電容、電感問：還有別的因素能影響信號(hào)的傳輸么？51傳輸線原理__引子信號(hào)傳輸51傳輸線理論光的傳播速度在真空中的速度：3.0×10^8m/s在水中的速度：2.25×10^8m/s在玻璃中的速度：2.0×10^8m/s問：為什么會(huì)有不同？52傳輸線理論52傳輸線理論問：電信號(hào)在介質(zhì)中的傳輸速度？電磁波在介質(zhì)中的傳輸速度由此，介電常數(shù)越大，傳輸?shù)脑铰?，這樣存在時(shí)間延遲53傳輸線理論問：電信號(hào)在介質(zhì)中的傳輸速度？53材料的介電常數(shù)帶來傳輸延遲1GHz下的ps/cm鋁9.4102.0空氣1.033.354材料的介電常數(shù)帶來傳輸延遲1GHz下的ps/cm鋁頻率影響信號(hào)傳輸?shù)皖l

波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于導(dǎo)線長(zhǎng)高頻@波長(zhǎng)與導(dǎo)線相近@導(dǎo)線位置不同@其電壓、相位

可能不同55頻率影響信號(hào)傳輸?shù)皖l55開關(guān)噪聲開關(guān)噪聲，又稱δI噪聲源自電路開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)電感所產(chǎn)生的電壓若同時(shí)啟動(dòng)N個(gè)驅(qū)動(dòng)器，所產(chǎn)生的電壓噪聲ΔV為若傳輸線的阻抗為50Ω，驅(qū)動(dòng)器送出5V的信號(hào)，信號(hào)上升時(shí)間為2ns，電源線寄生電感是500pH，56開關(guān)噪聲開關(guān)噪聲，又稱δI噪聲56串音串音由于傳輸信號(hào)的導(dǎo)線間距太近，相互間的互感電感和互感電容的耦合作用而產(chǎn)生的噪聲，又稱耦合噪聲即由于導(dǎo)線的耦合作用，在原本沒有信號(hào)通過的導(dǎo)線上引發(fā)了信號(hào)而造成線路的誤動(dòng)作。A、C沒有信號(hào)，B有信號(hào)，但C離B太近，受到B的干擾而產(chǎn)生噪聲57串音串音57去耦電容電子封裝基片中，去耦電容的基本目的是，當(dāng)電流改變時(shí)，提供大量積累電荷，以保持電壓恒定。它們常常放到電子封裝基片的關(guān)鍵點(diǎn)上，以減小開關(guān)噪聲。去耦電容器的上述特定功能要求它們的寄生電感必須很小。遺憾的是，所有電容器都有一些寄生電感，這限制了它們快速分發(fā)電荷的能力58去耦電容電子封裝基片中，去耦電容的基本目的是，當(dāng)電流改變時(shí)，寄生電容小結(jié)A交變電場(chǎng)中的電容電容視為導(dǎo)體，有電流通過寄生電容存在的條