更小、更耐用！硅电容器后势可期，可望取代MLCC 部分应用市场

来源：technews(台) 作者：Evan

传统电容器因采用不同材料作为绝缘体而形成不同类型的电容器，例如电解电容（Electrolytic Capacitor）、钽质电容（Tantalum Capacitor），以及主流的多层陶瓷电容（MLCC）等。他们是电子系统中最常见的被动元件之一，受到高温、频率或直流偏压等因素的影响，他们也成为故障率最高的元件之一。为了解决这个问题并满足更广泛恶劣环境应用之需求，以硅材料作为绝缘体，且以半导体技术加以制造的硅电容器（Silicon Capacitor，Si-Cap）开始在市场上崭露头角。

单 MIM 或多 MIM+3D 纳米结构=更高静电电容值

当前硅电容器在结构上多半采用三层式「金属/绝缘体/金属」（Metal-Insulator-Metal，MIM）形式，另外也有多 MIM 结构的硅电容器，其每一个 MIM 结构都负责蓄存一部分的静电电容，多个 MIM 堆叠可以增加总静电电容值。

在绝缘体部分，当前硅电容器多半采用二氧化硅（Silicon Dioxide，SiO2）或氮化硅（silicon nitride，Si₃N₄）等绝缘硅介电质（Silicon dielectrics）材料，进而形成「金属/绝缘层/半导体」（Metal-Insulator-Semiconductor，MIS）或金属/氧化物/半导体」 （Meta-Oxide-Semiconductor，MOS）等三层式结构。两者皆为当前高密度电容器的主要绝缘材料，已然成为业界追求高稳定性、高可用性及耐高温等恶劣环境应用的最佳选择。

日厂村田制作所（Murata Manufacturing）旗下子公司MIPS（Murata Integrated Passive Solutions，前身为法国硅被动元件厂商IPDiA，2016年村田收购，2017年更名）的高密度硅电容器技术便是采用内埋在非晶基板的单MIM或多MIM结构。高密度硅电容器是采用半导体MOS制程开发，并使用3D奈米结构增加更高的电极表面积，进而获得更高的静电电容值。

▲ 3D 结构提升电容值示意图。（Source：Murata）

有助提升矽电容高容积率的 PICS 制程成主流

当前硅电容器所采用的主流半导体技术莫过于深沟式（Deep Trench）技术，例如美商予力半导体（Empower Semiconductor）推出E-Cap品牌硅电容器便采用深沟技术。不过，爱普科技（AP Memory）新推IPD硅电容器产品线以自家擅长的3D DRAM堆叠技术开发。

随着高度整合、高性能与微型化等需求的不断增长，高密度超深沟硅电容器开始受到市场青睐，实现被动元件主流技术莫过于被动整合连接基板（Passive integration connective substrate，PICS）制程技术，制程能结合多芯片模组（multi-chip module，mcm）和芯片直接封装（Chip onBoard， COB）等技术，开发出体积更小的超低功耗组件。制程技术不但能将许多基本功能整合到单一产品，降低制造成本，同时有助硅电容器容积效率持续提升。

▲ PICS 技术高密度深沟电容器剖面图。（Source：Murata）

无与伦比的四高优势：高稳定度、高密度、耐高温、高可用性

相对于传统电容器，硅电容器具备许多显著的优势，首先是高稳定度，即使在高温下依旧稳定如常，目前最大耐受高温可达250°C，这使它成为适用航空、车用、军用乃至石油勘探等恶劣环境应用的最佳选择。虽然组件仍有最大电容值的限制，但基本上不受电容老化的影响（MIPS硅电容器使用寿命至少10年），即使面对会让MLCC电容器大受影响的直流偏压，可靠性和电容值都不会因此下降。

其次，高密度硅电容器有助于带动高性能零组件的微型化发展，进而有效降低电子元件的功耗与成本。以MIPS新推的硅电容器而言，厚度仅40μm，比起MLCC电容器薄得多。再者是极佳的漏电流（Leakage current）稳定性表现，对于传统电容器而言，高温、应力、充电电压乃至介电质厚度都会对漏电流造成影响。由于硅电容器具备良好的绝缘性能及绝缘电阻值，因而成为耦合、阻隔及时序电路的最佳选择。

此外，由于高温硅电容器具备更低失效率（FIT Rate），因此比起故障率极高的传统电容器，能提供更佳的可靠度与可用性。就村田制造作所网站指出，当前硅电容器可靠性可达MLCC电容器的10倍。

爱普科技说法，传统电容通常放在电路板上，随着高效能 SoC 的功耗愈高、电压愈低，电容器因此被迫移至引脚侧（land side），以便更靠近 SoC。但传统MLCC电容器受限于体积与密度并无法满足这样的需求，这样的重责大任便落到高密度、超薄的硅电容器身上。

寻求替代性介电质材料，解决有限最大电容值与漏电荷问题

不可讳言的，硅电容器当然也有一些值得改进的缺点，包括有限的最大电容值以及漏电荷问题。由于电容值会与二氧化硅介电质材料面积成正比，而与二氧化硅介电质的厚度成反比，因此电子元件制造商一直在缩减二氧化硅介电质的厚度，来满足小型化和高密度微电子元件的需求。但偏偏二氧化硅介电质薄膜缩得愈薄，漏电荷的状况反而会更严重，如此一来，电容器便难以储存电荷。目前针对这两个主要问题的解决之道，除改进制程外，重点会放在寻找替代性介电质。

拜硅电容器优势所赐，硅电容器完全兼容支持MIS / MOS后端技术，所以能做为被动整合平台的一部分。再者元件也适合以异质集成的方式结合CMOS、MEMS、多芯片模组或覆晶接合（flip-chip）等各种技术，应用于系统级封装（system in chip，SiP）或系统单芯片（system on chip，SoC）。组件且适用单颗芯片的表面黏着（SMD）电容器的开发。

▲ 射频薄膜硅电容器架构图。（Source ：AVX）

目前市场主要硅电容器供应商大致包括AVX、MACOM Technology Solutions、Microchip Technology、Murata Manufacturing、Skyworks Solutions、台积电、TDK及Viking Tech等公司。市调公司Transparency Market Research指出，2021年全球硅电容市场规模约15.8亿美元，预估2022~2031年年均复合成长率（CAGR）为5.4%。相信不久的未来，硅电容器将会在网络、通讯、光通讯、医疗、车用及高可靠性用途等市场发光发热。