高速高密度PCB设计中电容器的选择
高速高密度pcb 设计中电容器的选择
电容器是电子电路中的基本元件之一，有重要而广泛的用途。按应用分类，大多数电容
器常分为四种类型：交流耦合，包括旁路（通交流隔直流）；去耦（滤除交流信号或滤除叠
加在直流信号上的高频信号或滤除电源、基准电源和信号电路中的低频成分）；有源或无源
rc 滤波或选频网络；模拟积分器或采样保持电路（捕获和存储电荷）。电容器的种类很多，
分类方法也较多，根据制造材料和工艺的不同，常用的有以下几类：npo 陶瓷电容器、聚苯
乙烯陶瓷电容器、聚丙稀电容器、聚四氟乙烯电容器、mos 电容器、聚碳酸酯电容器、聚酯
电容器、单片陶瓷电容器、云母电容器、铝电解电容器、钽电解电容器等。这些电容器各有
其特点，以满足不同的应用需要。
现在高速高密度已成为电子产品的重要发展趋势之一。与传统的pcb 设计相比，高速高
密度pcb 设计面临不少新挑战，对所使用的电容器提出很多新要求，很多传统的电容器已不
能用于高速高密度pcb。本文结合高速高密度pcb 的基本特点，分析了电容器在高频应用时
主要寄生参数及其影响，指出了需要纠正或放弃的一些传统认识或做法，总结了适用于高速
高密度pcb 的电容器的基本特点，介绍了适用于高速高密度pcb 的电容器的若干新进展。
1 电容器高频应用时寄生参数的影响
大量的理论研究和实践都表明，高速电路必须按高频电路来设计。对高速高密度pcb
中使用的电容器，基本要求是高频性能好和占用空间小。实际电容器都有寄生参数。对高速
高密度pcb 中使用的电容器，寄生参数的影响尤为重要，很多考虑都是从减小寄生参数的影
响出发的。
实际电容器的寄生参数较多，主要的寄生参数是等效串联电阻rs 和等效串联电感ls。
在分析电路时，为简便计，通常采用图1 所示的简化电容器等效模型。一般认为，rs 是由
电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻串联构成，ls 是由电容器的引脚电感与电
容器两个极板的等效电感串联构成。
电容器的等效阻抗为
以使电容器有尽可能小的阻抗和尽可能高的自谐振频率。
可见，在高速高密度pcb 设计中，选择和应用电容器时，需要纠正或放弃一些传统的认
识与做法。电容器的实际应用效果，不仅取决于其自身的性能，而且与应用设计和pcb 上的
具体情况密切相关，只有将这些因素综合加以考虑，所得出的结论才能准确地反映电容器在
电路中的作用。
对电容器较复杂的应用设计，作理论分析可能较困难。ultralcad design 公司提供专
门的计算机辅助分析软件，能很好地解决这一问题。
2 适用于高速高密度pcb 的电容器的基本特点
在高速高密度pcb 设计中，虽然不同的具体应用对电容器的具体要求不尽相同，但大多
要求电容器具有以下基本特点。
2.1 片式化
片式电容器的寄生电感几乎为零，总的电感可以减小到元件本身的电感，通常只是传统
电容器寄生电感的1/3~1/5，自谐振频率可达同样容量的带引线电容器的2 倍（也有资料说
可达10 倍）。所以，高速高密度pcb 中使用的电容器，几乎都选择片式电容器。
2.2 微型化
片式电容器的封装尺寸由1206、0805 向0603、0402、0201 等发展、主流已由0603 过渡到
0402。murata manufacturing 公司已经生产出 01005 的微型电容器［8］。微型化不仅满
足了高密度的需要，而且可以减小寄生参数和分布参数的影响。
2.3 高频化
许多现代电子产品的速度越来越高，计算机的时钟频率提高到几百兆赫乃至千兆赫，无绳电
话的频率从45mhz 提高到2400mhz，数字无线传输的频率达到2ghz以上。因而信号及其高次
谐波引起的噪声也相应地出现在更高的频率范围，相应地对电容器的高频性能提出越来越高
的要求。vishay intertechnology 公司的基于硅片的表面贴装rf 电容器的自谐振频率已达
13ghz[9]。微型化的片式微波单层瓷介电容器（slc）的自谐振频率已达50ghz[10]。
2.4 多功能化
将电容器与其它元件组合在一个封装内（很多已实现了片式化），不仅实现多功能，而且节
省pcb 面积、使用方便。murata manufacturing 公司在三端片式电容器（叠层型片式穿心
电容器，feedthrough filter capacitor）的基础上，又开发出含有电阻器的三端片式电容
器nfr 系列、含有电感器的三端片式电容器nfw 系列、含有两个磁珠的三端片式电容器nfl
系列等[8]。syfer technology 公司将两个y 电容器和一个x 电容器集成在一起，构成一个
叠层型片式x2y 电容器组件，可同时抑制共模和差模噪声，其封装尺寸为2012（0805）和3216
（1206），用于dc 电源滤波器[11]。avx 公司经过精心设计叠层型片式穿心滤波电容器内
部电路，将70％的寄生支路电感转移成输入/输出线上的串联电感，起到一个t 形低通滤波
器的作用，从而显著提高自谐振频率，加宽对噪声抑制的频宽，提高对噪声抑制的强度。该
公司还开发了一种新材料，用叠层技术解决了r-c 组合问题，避开了陶瓷膜－银电极－钌系
电阻膜共烧的复杂工艺，开发出一系列称之为z 产品的组件，如r-c 组件、r-c-r 低通滤波
器及其阵列等[12]。
3 适用于高速高密度pcb 的电容器的若干新进展
3.1 兼顾几方面性能
有些电容器的发展，追求几方面性能同时兼顾高速高密度pcb 的应用需要。
vishay intertechnology 公司推出了业界首款封装尺寸为0603 且基于硅片的表面贴装rf
电容器——hpc0603a[9]。该款电容器是基于vishay 专有半导体工艺开发的，其构造降低了
寄生电感。与传统rf 电容器相比，该款电容器的自谐振频率值高出2～3 倍。高性能、高精
度的hpc0603a 的容量范围在3.3～560pf，自谐振频率值高达13ghz。在该范围提供e12 值的
hpc0603a 在1mhz 至数ghz频率范围内均能稳定运行，寄生电感只有0.046nh。该款电容器的
q 因数达4157、容差为±1%或0.05pf，等效串联电阻也很小。hpc0603a 的面积为
1.60×0.80mm2，高度为0.56mm，并具有6v、10v、16v 及25v 的电压可供选择。hpc0603a 的
高电容范围和相对较小的封装提高了电路q 值、发送范围和可靠性。hpc 器件的独特结构减
少了由于pcb 上的互连线路缩短而引起的寄生现象，并通过缩短组件间的距离提高了电路性
能。这种创新设计使电容器的自谐振频率显著提高。
3.2 突出个别方面性能
有些电容器的发展，追求个别方面性能突出，以满某些高速高密度pcb 的特殊应用需要。
由于目前的集成元件技术无法做出容量较大的电容器，用现有的技术通过集成电路获得较大
的电容非常困难，所以无源元件供应商不断为分立元件开发更小的封装。murata
manufacturing 公司已开始生产封装尺寸仅为01005 的微型电容器[8]。
这种电容器小到肉眼几乎看不见，占用pcb 的面积和体积分别比0201 电容器缩小50%和70%。
该公司的01005 电容器代号为grm102，cog 系列的容量范围为2～15pf，x5r 系列的容量范
围为1000～10000pf。另据报导，samsung electro-mechanics 公司cog 系列01005 陶瓷电
容器的容量范围为１～10pf，xr5系列的容量范围为1000～4700pf。
3.3 改进传统电容器
利用相关的新材料、新工艺等改进一些传统的电容器，从根本上克服其主要缺点，充分发挥
其优点，以满足高速高密度pcb 的应用需要。
最具代表性的是铝电解电容器，以有机半导体材料如tcnq（1s/cm）和导电聚合物如聚吡咯
（120s/cm）等作为阴极材料研制出固体片式铝电解电容器。由于新型阴极材料具有比传统
电解液（10－2s/cm 以下）高得多的电导率，使新型铝电解电容器不仅实现了片式化，而且
克服了传统铝电解电容器温度特性和频率特性差的缺点，达到近乎理想电容器的阻抗频率特
性，使铝电解电容器的电性能和可靠性有了质的提高，大大拓宽了铝电解电容器的应用范围
[13]。
3.4 可封装在芯片内的电容器
研制能封装在大规模集成电路（lsi）内部的电容器，也是电容器技术的重要发展方向之一。
alps 电气公司正与north 公司联合，开发在lsi 封装的内部底板中封装高电容率薄膜电容
器(thin film capacitor)的技术。有关专家认为，工作频率在数ghz～10ghz 以上的高速逻
辑lsi 必须使用这种技术［14］。此次开发的技术就是指将过去封装在lsi 封装外部的去耦
电容器封装到内部。由此将会最大限度地缩短电容器与倒装芯片之间的距离。因封闭内部布
线的寄生电感减小了，故开关时即可迅速向倒装芯片供应电荷，结果使电源电压更加稳定。
预计这项技术会很快走向实用。
此类技术也给高速高密度pcb 设计，带来新的理念和条件，值得充分重视。
4 结束语
高速高密度pcb 设计技术不断发展，对所使用的电容器性能要求越来越高；随着电容器技术
的不断进步，新型电容器不断出现；针对高速高密度pcb 的电容器应用技术的研究不断深入。
这些都使得在高速高密度pcb 设计中，恰当选用电容器，不是一件简单的事。尽管电容器的
种类较多，但对某一具体应用，最合适的通常只有一两种。全面认识高速高密度pcb 的特点
和电容器的高频特性，及时了解相关的新器件和新技术，综合考虑具体应用需要、技术难度、
经济成本等因素，对恰当选用电容器是十分必要的。
本文的讨论对高速高密度pcb 设计中电容器的选择具有一定的指导作用。
作者简介：周胜海，男，1962 年12 月生，汉族，硕士，副教授，主要从事电子技术方向的
研究。
基于DSP的3G LTE应用设计
不恰当使用热敏电阻出现的危害
半导体空调制冷原理 半导体空调制冷量与流量关系
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高速高密度PCB设计中电容器的选择
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关于薄膜电容器的特性
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分类方法也较多，根据制造材料和工艺的不同，常用的有以下几类：npo 陶瓷电容器、聚苯
乙烯陶瓷电容器、聚丙稀电容器、聚四氟乙烯电容器、mos 电容器、聚碳酸酯电容器、聚酯
电容器、单片陶瓷电容器、云母电容器、铝电解电容器、钽电解电容器等。这些电容器各有
其特点，以满足不同的应用需要。
现在高速高密度已成为电子产品的重要发展趋势之一。与传统的pcb 设计相比，高速高
密度pcb 设计面临不少新挑战，对所使用的电容器提出很多新要求，很多传统的电容器已不
能用于高速高密度pcb。本文结合高速高密度pcb 的基本特点，分析了电容器在高频应用时
主要寄生参数及其影响，指出了需要纠正或放弃的一些传统认识或做法，总结了适用于高速
高密度pcb 的电容器的基本特点，介绍了适用于高速高密度pcb 的电容器的若干新进展。
1 电容器高频应用时寄生参数的影响
大量的理论研究和实践都表明，高速电路必须按高频电路来设计。对高速高密度pcb
中使用的电容器，基本要求是高频性能好和占用空间小。实际电容器都有寄生参数。对高速
高密度pcb 中使用的电容器，寄生参数的影响尤为重要，很多考虑都是从减小寄生参数的影
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实际电容器的寄生参数较多，主要的寄生参数是等效串联电阻rs 和等效串联电感ls。
在分析电路时，为简便计，通常采用图1 所示的简化电容器等效模型。一般认为，rs 是由
电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻串联构成，ls 是由电容器的引脚电感与电
容器两个极板的等效电感串联构成。
电容器的等效阻抗为
以使电容器有尽可能小的阻抗和尽可能高的自谐振频率。
可见，在高速高密度pcb 设计中，选择和应用电容器时，需要纠正或放弃一些传统的认
识与做法。电容器的实际应用效果，不仅取决于其自身的性能，而且与应用设计和pcb 上的
具体情况密切相关，只有将这些因素综合加以考虑，所得出的结论才能准确地反映电容器在
电路中的作用。
对电容器较复杂的应用设计，作理论分析可能较困难。ultralcad design 公司提供专
门的计算机辅助分析软件，能很好地解决这一问题。
2 适用于高速高密度pcb 的电容器的基本特点
在高速高密度pcb 设计中，虽然不同的具体应用对电容器的具体要求不尽相同，但大多
要求电容器具有以下基本特点。
2.1 片式化
片式电容器的寄生电感几乎为零，总的电感可以减小到元件本身的电感，通常只是传统
电容器寄生电感的1/3~1/5，自谐振频率可达同样容量的带引线电容器的2 倍（也有资料说
可达10 倍）。所以，高速高密度pcb 中使用的电容器，几乎都选择片式电容器。
2.2 微型化
片式电容器的封装尺寸由1206、0805 向0603、0402、0201 等发展、主流已由0603 过渡到
0402。murata manufacturing 公司已经生产出 01005 的微型电容器［8］。微型化不仅满
足了高密度的需要，而且可以减小寄生参数和分布参数的影响。
2.3 高频化
许多现代电子产品的速度越来越高，计算机的时钟频率提高到几百兆赫乃至千兆赫，无绳电
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叠层型片式x2y 电容器组件，可同时抑制共模和差模噪声，其封装尺寸为2012（0805）和3216
（1206），用于dc 电源滤波器[11]。avx 公司经过精心设计叠层型片式穿心滤波电容器内
部电路，将70％的寄生支路电感转移成输入/输出线上的串联电感，起到一个t 形低通滤波
器的作用，从而显著提高自谐振频率，加宽对噪声抑制的频宽，提高对噪声抑制的强度。该
公司还开发了一种新材料，用叠层技术解决了r-c 组合问题，避开了陶瓷膜－银电极－钌系
电阻膜共烧的复杂工艺，开发出一系列称之为z 产品的组件，如r-c 组件、r-c-r 低通滤波
器及其阵列等[12]。
3 适用于高速高密度pcb 的电容器的若干新进展
3.1 兼顾几方面性能
有些电容器的发展，追求几方面性能同时兼顾高速高密度pcb 的应用需要。
vishay intertechnology 公司推出了业界首款封装尺寸为0603 且基于硅片的表面贴装rf
电容器——hpc0603a[9]。该款电容器是基于vishay 专有半导体工艺开发的，其构造降低了
寄生电感。与传统rf 电容器相比，该款电容器的自谐振频率值高出2～3 倍。高性能、高精
度的hpc0603a 的容量范围在3.3～560pf，自谐振频率值高达13ghz。在该范围提供e12 值的
hpc0603a 在1mhz 至数ghz频率范围内均能稳定运行，寄生电感只有0.046nh。该款电容器的
q 因数达4157、容差为±1%或0.05pf，等效串联电阻也很小。hpc0603a 的面积为
1.60×0.80mm2，高度为0.56mm，并具有6v、10v、16v 及25v 的电压可供选择。hpc0603a 的
高电容范围和相对较小的封装提高了电路q 值、发送范围和可靠性。hpc 器件的独特结构减
少了由于pcb 上的互连线路缩短而引起的寄生现象，并通过缩短组件间的距离提高了电路性
能。这种创新设计使电容器的自谐振频率显著提高。
3.2 突出个别方面性能
有些电容器的发展，追求个别方面性能突出，以满某些高速高密度pcb 的特殊应用需要。
由于目前的集成元件技术无法做出容量较大的电容器，用现有的技术通过集成电路获得较大
的电容非常困难，所以无源元件供应商不断为分立元件开发更小的封装。murata
manufacturing 公司已开始生产封装尺寸仅为01005 的微型电容器[8]。
这种电容器小到肉眼几乎看不见，占用pcb 的面积和体积分别比0201 电容器缩小50%和70%。
该公司的01005 电容器代号为grm102，cog 系列的容量范围为2～15pf，x5r 系列的容量范
围为1000～10000pf。另据报导，samsung electro-mechanics 公司cog 系列01005 陶瓷电
容器的容量范围为１～10pf，xr5系列的容量范围为1000～4700pf。
3.3 改进传统电容器
利用相关的新材料、新工艺等改进一些传统的电容器，从根本上克服其主要缺点，充分发挥
其优点，以满足高速高密度pcb 的应用需要。
最具代表性的是铝电解电容器，以有机半导体材料如tcnq（1s/cm）和导电聚合物如聚吡咯
（120s/cm）等作为阴极材料研制出固体片式铝电解电容器。由于新型阴极材料具有比传统
电解液（10－2s/cm 以下）高得多的电导率，使新型铝电解电容器不仅实现了片式化，而且
克服了传统铝电解电容器温度特性和频率特性差的缺点，达到近乎理想电容器的阻抗频率特
性，使铝电解电容器的电性能和可靠性有了质的提高，大大拓宽了铝电解电容器的应用范围
[13]。
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研制能封装在大规模集成电路（lsi）内部的电容器，也是电容器技术的重要发展方向之一。
alps 电气公司正与north 公司联合，开发在lsi 封装的内部底板中封装高电容率薄膜电容
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辑lsi 必须使用这种技术［14］。此次开发的技术就是指将过去封装在lsi 封装外部的去耦
电容器封装到内部。由此将会最大限度地缩短电容器与倒装芯片之间的距离。因封闭内部布
线的寄生电感减小了，故开关时即可迅速向倒装芯片供应电荷，结果使电源电压更加稳定。
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4 结束语
高速高密度pcb 设计技术不断发展，对所使用的电容器性能要求越来越高；随着电容器技术
的不断进步，新型电容器不断出现；针对高速高密度pcb 的电容器应用技术的研究不断深入。
这些都使得在高速高密度pcb 设计中，恰当选用电容器，不是一件简单的事。尽管电容器的
种类较多，但对某一具体应用，最合适的通常只有一两种。全面认识高速高密度pcb 的特点
和电容器的高频特性，及时了解相关的新器件和新技术，综合考虑具体应用需要、技术难度、
经济成本等因素，对恰当选用电容器是十分必要的。
本文的讨论对高速高密度pcb 设计中电容器的选择具有一定的指导作用。
作者简介：周胜海，男，1962 年12 月生，汉族，硕士，副教授，主要从事电子技术方向的
研究。
基于DSP的3G LTE应用设计
不恰当使用热敏电阻出现的危害
半导体空调制冷原理 半导体空调制冷量与流量关系
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什么是IC基板及IC基板的分类
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低价液晶对激光电视的威胁不大 激光电视和液晶电视并非敌对的关系
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电动车修复技术——你知道电瓶内部脱落原因吗？
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