KR19990029533A - 다중 소자 캐패시터 - Google Patents
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Abstract
다중소자 캐패시터(multielement capacitors)는 공통 케이스에 공통 단자를 갖는 하나 이상의 금속 캐패시터 및 하나 이상의 세라믹 캐패시터를 갖는다. 바람직한 금속 캐패시턴스 소자는 100㎑까지의 주파수에서 1㎌ 이상의 유효 직렬 캐패시턴스(effective series capacitance)를 갖는다. 개별 금속성 캐패시턴스 소자는 100㎑에서 100 밀리오옴 미만의 ESR 및 120㎐에서 약 6% 미만의 손실 인자(dissipation factor: DF)를 나타낸다. 상기 본 발명에서 사용하는 세라믹 캐패시턴스 소자는 약 100㎒까지의 주파수에서 약 0.1㎌ 이상의 등가 직렬 캐패시턴스를 갖는다. 상기 개별 세라믹 캐패시턴스 소자는 1㎒에서 20 밀리오옴 미만의 ESR 및 1㎑에서 10% 미만의 손실 인자를 갖는다.
Description
본 발명은 증가된 고주파 성능을 위하여 공통 단자를 갖는 공통 케이스 내에 하나 이상의 세라믹 캐패시턴스 소자 및 하나 이상의 탄탈륨 캐패시턴스 소자를 포함하는 캐패시터 조립체에 관한 것이다. 다중 캐패시턴스 소자는 단일 장착 공정과 관련된 저장고(savings)와 단독으로 조합된 어떤 유형의 캐패시턴스 소자보다 넓은 주파수 범위에 걸쳐 보다 낮은 고주파 임피던스 및 등가 직렬 저항치(equivalent series resistance: ESR)를 나타낸다.
보다 고속인 마이크로프로세서 칩의 개발과 이 칩에 전력을 공급하는데 사용되는 전력 변환 회로(일반적으로 스위치-모드 공급)의 소형화는 작은 푸트프린트(footprint), 낮은 ESR 캐패시터에 대한 수요 증가를 이끌어왔다. 이 캐패시터는 스위칭 주파수에서의 전압 출력 변동 및 전원의 고조파를 최소화할 필요가 있다. 상기 캐패시터는 또한 프로세서의 현재 요구사항이 변경함에 따라 수용 한계에서 전원 전압을 유지시키기 위하여 로컬 전력을 마이크로프로세서 칩에 제공하는데 사용된다.
상기 유형의 장치 전원은 100㎑ 이상의 스위칭 주파수에서 동작하는 전원이다. 캐패시터가 낮은 등가 직렬 인덕턴스(equivalent series inductance: ESL)뿐만 아니라, 상기 주파수에서 낮은 임피던스 및 등가 직렬 저항치(ESR)를 나타낸다는 것이 중요하다. 이러한 전원에 사용되는 캐패시터는 큰 저주파수 전하 축적을 가져야 하므로, 전원은 출력을 방해하지 않고 입력 전력의 순간적인 변화를 겪을 수 있다.
예전에는, 전자 업계 제조업자들은 전하 축적 및 수용가능한 고주파 임피던스/ESR 성능을 제공하기 위하여 다양한 연결 회로에 의해 병렬로 장착되고 연결된 금속 산화물 및 세라믹 캐패시터의 조합을 이용하였다. 불행하게도, 이러한 시스템의 칩을 장착하기 위한 유효 공간은 제조업자들이 훨씬 작고 보다 효율적인 시스템을 설계함에 따라 작아지고 있다. 제조업자들은 또한 이러한 회로를 조립하기 위한 장착 접속에 따른 비용을 부담해야 하고, 보드 제조업자들 간의 상호 접속 회로에 있어서의 편차는 최종 ESL의 차이로 인해 변경된다.
회로 보드 상에 최소량의 공간에 장착될 수 있으며 고주파에서 낮은 임피던스 및 ESR을 갖는 캐패시터 소자를 갖는 것이 유리할 수 있다.
또한, 병렬로 장착된 금속 산화물 및 세라믹 캐패시터에 대한 ESL의 변화를 감소시키기 위한 수단을 갖는 것이 유리할 수 있다.
본 발명의 목적은 소형 조립체의 우수한 저주파수 전하 축적으로 고주파수에서 낮은 임피던스 및 ESR을 갖는 캐패시터 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 병렬로 장착된 금속 산화물 및 세라믹 캐패시터에 대한 ESL의 변화를 감소시키기 위한 수단을 제공하는 것이다.
본 발명의 설명으로부터 명백해질 본 발명의 상기 및 다른 목적에 따르면, 본 발명에 따른 캐패시터는 공통 케이스에 공통 단자를 갖는 하나 이상의 금속 산화물 캐패시턴스 소자 및 하나 이상의 세라믹 캐패시턴스 소자를 포함하는 다중소자 캐패시턴스 조립체(multielement capacitance assembly)를 포함한다.
본 발명에 따른 캐패시터는 단지 1㎒ 이상의 주파수에서 금속 산화물 캐패시터 소자보다 개선된 성능을 제공하며, 보드 연결의 수를 감소시키는 소형 형태를 제공하고, 일관성있는 ESL 특성을 갖는 캐패시터를 형성하기 위하여 캐패시터간 연결 거리를 최소화시킨다. 본 발명의 다중소자 캐패시터는 전원 출력 전압 변동을 최소화시켜 마이크로프로세서와 같은 종속 회로의 논리 에러률을 개선하므로, 전체 시스템의 안정도를 개선한다. 감소된 캐패시터 공간 및 균등한 캐패시터간 연결 설계는 또한 시스템의 과도 응답 시간을 개선하며, 전원 노이즈를 감소시키고, 보다 적은 수의 캐패시턴스 소자의 사용이 특정 온도 및 전압 변동 범위에 걸쳐 주어진 안정도를 제공할 수 있게 한다. 균등하게 제어되는 공정 조건하에서 금속 산화물 및 세라믹 캐패시턴스 소자의 조립체는 보드 조립 동안에 세라믹 캐패시턴스 소자에 대한 손상(예를 들어, 열 쇼크 흠집 및/또는 휘어진 흠집)을 감소시킴으로써 신뢰성을 증가시킨다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 소자 캐패시터의 한 구성을 도시한 도면.
도 2는 전형적인 종래의 탄탈륨 캐패시터 소자의 성능에 비교되는 본 발명의 다중 소자 캐패시터의 증가된 임피던스 및 ESR 성능을 도시한 그래프.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1, 2 : 금속 산화물 캐패시턴스 소자
3 : 세라믹 캐패시턴스 소자
4 : 도전성 접착제
5 : 음의 단자 리드프레임
6 : 양의 리드와이어
7 : 리드프레임
8 : 전기적으로 도전성인 재료
본 발명에 따른 다중 소자 캐패시터는 공통 케이스에 공통 리드를 갖는 하나 이상의 금속성 캐패시턴스 소자 및 하나 이상의 세라믹 캐패시턴스 소자로 만들어진다. 바람직한 조립체는 1-5 금속 산화물 캐패시턴스 소자 및 1-5 세라믹 캐패시턴스 소자를 포함한다. 특히 바람직한 조합은 세라믹 캐패시턴스 소자의 대향측 상에 탄탈륨 애노드 캐패시턴스 소자를 포함한다.
본 발명에 사용되는 바람직한 금속 캐패시턴스 소자는, 개별 소자가 100㎑에서 100 밀리오옴 미만의 ESR 및 120㎐에서 약 6% 미만의 손실 인자(dissipation factor: DF)를 나타내며, 100㎑까지의 주파수에서 1㎌ 이상의 유효 직렬 캐패시턴스를 갖는 다양한 금속성 캐패시턴스 소자들 중에서 선택된다. 이들 소자들의 등가 직렬 캐패시턴스는 절연 재료와 전극들 간의 내부 접속의 고저항에 기인해서 약 1㎒ 이상의 주파수에서 유용한 레벨 아래의 지점까지 감소된다. 바람직한 금속 산화물 캐패시턴스 소자는 업계에서 사용중인 탄탈륨 및 알루미늄 금속으로 만들어진 캐패시턴스 소자를 포함한다. 본 명세서에 일체화된 파이퍼의 미국 특허 제3,686,535호를 참조.
본 발명에서 사용하는 세라믹 캐패시턴스 소자는 약 100㎒까지의 주파수에서 약 0.1㎌ 이상의 등가 직렬 캐패시턴스를 갖는다. 개별 소자는 1㎒에서 20 밀리오옴 미만의 ESR 및 1㎑에서 10% 미만의 손실 인자를 갖는다. 이 소자는 일반적으로 약 100㎒까지의 주파수에서 그의 캐패시턴스를 보유한다. 이러한 캐패시턴스 소자는 전형적으로 하나 이상의 양 및 음의 전극을 갖는 하나 이상의 층을 이루는 세라믹 유전체 재료로 만들어진다. 본 발명에서 사용하는 세라믹 캐패시턴스 소자는 다양한 다른 구성을 갖는 다양한 조성물로 만들어질 수 있다. 본 명세서에 일체화된 세나다의 미국 특허 제5,561,587호, 새노의 미국 특허 제5,600,533호, 및 윌슨 등의 미국 특허 제5,599,757호를 참조. 본 발명에서 사용하기 위한 바람직한 세라믹 캐패시턴스 소자는 X7R 온도 특성(EIA 표준)을 갖는 유전체로 만들어진 다층 세라믹 캐패시턴스 소자이다.
캐패시턴스 소자는 음의 단자에 부착되기 이전에 연결될 수 있거나 또는 연결될 수 없다. 예를 들면, 이 소자는 도전성 재료와 전기적으로 연결된 다음 단자에 부착되며, 상호 연결없이 단자에 직접에 연결되거나, 또는 상호 연결부 자체가 단자를 형성하는 방식으로 상호 연결될 수 있다. 이들 연결들은 바람직하게 은, 구리, 또는 닉켈이 채워진 에폭시처럼 땜납 또는 금속이 채워진 접착제와 같이, 전기적으로 도전성인 재료로 만들어진다.
적절한 리드프레임의 양의 한단에 대한 양의 전극의 연결은 용량성 방전 용접으로 수행될 수 있다. 그 다음, 그 결과로 나타나는 장치는 전형적으로 금속, 몰드된 에폭시, 또는 다른 유사한 플라스틱 재료로 만들어진 적당한 케이스로 둘러쌓여진다.
본 발명의 다중소자 캐패시터는 캐패시턴스 소자가 가능한 다양한 구성으로 배치되는 공통 케이스 및 단자를 사용한다. 단자는 무전기 도금(electroless plating), 스퍼터 코팅, 및/또는 배기된 금속의 압축을 포함하는 다수의 방법으로 형성될 수 있다. 금속 산화물 캐패시턴스 소자(1, 2)가 세라믹 캐패시턴스 소자(3)의 대향측 상에 배치되는 가능한 하나의 구성이 도 1에 도시되어 있다. 도전성 접착제(4)는 음의 단자 리드프레임(5)으로의 전기적으로 도전성인 공통 연결을 제공한다. 양의 리드와이어(6)는 바람직하게 용접되거나, 또는 다른 경우에 양의 리드프레임(7)에 영구 부착된다. 세라믹 캐패시턴스 소자(3)는 전기적으로 도전성인 재료(8) 또는 네일헤드 리드(nailhead lead)(도시되지 않음)를 거치는 것과 같이, 다양한 방법에 의하여 리드프레임(7)에 직접 또는 간접적으로 부착될 수 있다. 그 다음, 전체 조립체는 금속, 수지, 또는 유사한 플라스틱으로 만들어진 적당한 공통 하우징(housing)(도시되지 않음) 내에 밀봉될 수 있다.
본 발명의 다중소자 캐패시터에 따른 다양한 장점들이 있다. 현저하게, 다중소자 캐패시터 조립체는
· 캐패시턴스 소자 양단의 전압 변동을 최소화시켜, 종속 마이크로프로세서 또는 다른 종속 회로의 과도-유발된 논리 에러률(transient-caused logic error rate)을 최소화시킨다.
· 세라믹 캐패시턴스 소자의 장착과 관련되는 세라믹 캐패시턴스 소자의 비용의 약 4.5배로 추정되는 추가 비용을 제거함으로써 생산 조립체의 전체 비용을 감소시킨다.
· 동일한 물질적인 케이스에 금속 및 세라믹 캐패시터를 물리적으로 집적시키고, 여분의 케이싱 두께에 대한 보드 연결들 간에 요구되는 공간을 제거함으로써 체적이 효율적으로 된다.
· 회로 보드 상의 캐패시터 상호 연결부의 인덕턴스의 불규칙성 및 차이를 제거함으로써 최종 시스템의 성능을 향상시킨다.
· 필드 땜납시 흔히 접하게 되는 열적 응력으로 인한 세라믹 캐패시터 손상의 위험을 감소시킨다.
본 발명의 다중소자 캐패시터는 컴퓨터 전원, 범용 스위치-모드 전원, 및 주전원에서 떨어져 있는 보드 레벨에서 로컬 전하 축적 및 고주파 바이패스 인가를 포함하는 다양한 생산품 및 시스템에 사용될 수 있다. 이러한 적용들은 동작 제어 및 통신 시스템에서 논리 및 컴퓨터 시스템까지의 적용 범위를 포함한다. 이러한 적용에 대한 위치 선정 및 연결은 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다.
실시예
두개의 탄탈륨 캐패시턴스 소자 및 세라믹 캐패시턴스 소자를 갖는 다중소자 캐패시터 조립체는 도 1에 도시된 바와 같이 중앙에 위치된 세라믹 소자의 양측 상에 탄탈륨 소자가 구성된다. 은이 채워진 에폭시는 각각의 소자를 음의 단자에 고정시키는데 사용된다. 조립체는 세라믹 캐패시턴스 소자를 포함하지 않는 두개의 탄탈륨 캐패시터의 특성에 대해 다양한 주파수에서 ESR 및 임피던스에 대하여 평가된다. 그 결과의 그래프는 도 2에 도시되어 있다.
그래프를 살펴보면, 2 내지 10㎒ 간에서 최적의 향상을 가지면서 1㎒ 이상에서만 성능이 크게 향상되는 것을 볼 수 있다. 회로 해석에 의하면, 100㎒ 이상까지는 계속해서 향상될 것이라는 것을 나타낸다. 상세하게는, 두개의 탄탈륨 소자를 갖는 케이싱에 세라믹 소자를 부가하는 것은 10㎒에서 거의 크기 순서에 의해 조합의 임피던스를 개선시키고, 세라믹 캐패시터 소자없이 두개의 탄탈륨 캐패시터 소자의 임피던스와 비교하여 볼 때 그 주파수에서 3-4 인자 만큼 ESR를 개선시킨다.
본 발명에 제시된 실시예 및 도면이 본 발명의 이해를 용이하게 하도록 의도된 것이지, 첨부된 청구범위에 대한 제약으로서의 역할을 하도록 의도된 것이 아니라는 것을 알 것이다.
Claims (11)
- 공통 케이스에 공통 단자를 갖는 하나 이상의 금속성 캐패시턴스 소자 및 하나 이상의 세라믹 캐패시턴스 소자를 포함하는 다중소자 캐패시터 조립체(multielement capacitor assembly).
- 제1항에 있어서,하나 이상의 탄탈륨 캐패시턴스 소자를 포함하는 다중소자 캐패시터 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 세라믹 캐패시턴스 소자의 대향측 상에 배치되는 탄탈륨 캐패시턴스 소자를 포함하는 다중소자 캐패시터 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 캐패시턴스 소자의 음극은 도전성 재료와 전기적으로 연결되는 다중소자 캐패시터 조립체.
- 제4항에 있어서,상기 도전성 재료는 은이 채워진 에폭시(silver-filled epoxy)를 포함하는 다중소자 캐패시터 조립체.
- 제4항에 있어서,상기 도전성 재료는 땜납(solder)을 포함하는 다중소자 캐패시터 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 하나 이상의 금속성 캐패시턴스 소자만의 등가 직렬 저항치(equivelent series resistance) 미만인 3㎒에서의 등가 직렬 저항치를 나타내는 다중소자 캐패시터 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 하나 이상의 금속성 캐패시턴스 소자만의 임피던스 미만인 3㎒에서의 임피던스를 나타내는 다중소자 캐패시터 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 캐패시턴스 소자는 상호간에 그리고 공통 단자에 연결되는 다중소자 캐패시터 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 캐패시턴스 소자는 공통 단자에 연결되고, 다른 경우에 전기적으로 상호 연결되지 않는 다중소자 캐패시터 조립체.
- 제1항에 있어서,공통 단자는 상기 캐패시턴스 소자를 전기적으로 상호 연결하는 다중소자 캐패시터 조립체.
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