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Land-Grid-Array-Kondensatoren Designoptimierungen für Entkopplungskondensatoren

| Autor / Redakteur: Andy Ritter / Johann Wiesböck

Ein Beitrag mit Beispielen für die Entkopplung der Betriebsspannung von Mikroprozessoren in Silizium-Technologie und über die Vorzüge von Land-Grid-Array-Kondensatoren

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( Archiv: Vogel Business Media )

Ein Entkopplungskondensator stellt eine Spannungsquelle mit niedrigem Innenwiderstand dar. Er minimiert Betriebsspannungsschwankungen, die durch das schnelle Schalten digitaler Baugruppen verursacht werden. Dieser Beitrag beschreibt einige Beispiele für die Entkopplung der Betriebsspannung von Mikroprozessoren in Silizium-Technologie und erklärt die Vorzüge von Land-Grid-Array-Kondensatoren.

Bei Mikroprozessoren in Silizium-Technologie gibt es für die Entkopplung der Betriebsspannung typischerweise mehrere Stufen. Die erste bilden Ladekondensatoren mit hoher Kapazität in unmittelbarer Nähe des Schaltnetzteils. Danach folgen weitere Kondensatoren, die das Motherboard entkoppeln und Störspannungsemissionen unterdrücken. Unmittelbar an den Prozessoranschlüssen (oder im Prozessorgehäuse) befinden sich weitere Entkopplungskondensatoren.

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Die unterste Entkopplungsstufe bilden Kondensatoren auf dem Chip selbst. Dieses Netzwerk aus Entkopplungskondensatoren verhindert, dass Störimpulse aus dem Chip in andere Funktionsblöcke gelangen und umgekehrt. Je näher ein Entkopplungskondensator am Chip liegt, desto schneller muss er auf Spannungsschwankungen reagieren. Die Reaktionsgeschwindigkeit eines Kondensators lässt sich durch die Impedanz über der Frequenz beschreiben.

Um bei relativ niedrigen Frequenzen eine niedrige Impedanz zu erzielen, muss die Kapazität möglichst hoch (d.h. der kapazitive Blindwiderstand möglichst gering) sein. Um bei relativ hohen Frequenzen eine niedrige Impedanz zu erzielen, muss die (Parasitär-)Induktivität möglichst klein sein. Bei der Serienresonanzfrequenz wird die Impedanz im wesentlichen durch den ohmschen Serienwiderstand bestimmt. Hauptziel bei der Entwicklung von Entkopplungskondensatoren ist eine möglichst geringe Impedanz bei hohen Frequenzen. Daher wird versucht, die Parasitärinduktivität zu minimieren.

Die Serieninduktivität eines Kondensators resultiert aus der Interaktion zwischen Magnetfeldern. Sie werden durch den Stromfluss durch das Bauteil hervorgerufen, das in die Leiterplatte eingebaut ist. Zum Strompfad (Schleife) zählen nicht nur die internen Elektroden und die externen Anschlüsse des Multilayer-Kondensators, sondern auch die Stromversorgungsebenen, Durchkontaktierungen, Lötpads und Lotkegel auf der Leiterplatte (Bild 1).

Bei Frequenzen oberhalb der Serienresonanzfrequenz des Kondensators, setzt das Modell vereinfachend voraus, dass der Strompfad nicht durch den gesamten Multilayer-Stapel bestimmt wird, sondern nur durch die untersten internen Elektroden. Dieser Teilpfad setzt dem Strom den geringsten Widerstand entgegen.

Strategien zur Reduktion der Serieninduktivität

Es gibt zwei Strategien, die äquivalente Serieninduktivität eines Kondensators zu reduzieren: Die Fläche der von dem eingebauten Bauteil gebildeten Stromschleife so klein wie möglich zu machen oder durch mehrere parallele Schleifen die Netto-Induktivität des Bauteils zu verringern. In gewisser Weise sind beide Strategien miteinander verwandt; wenn man sich vorstellt, dass der Strom durch eine idealisierte Stromschleife mit gegebener Höhe und Breite (und damit Fläche) fließt. Diese Schleife hat außerdem eine dritte Dimension (Tiefe) senkrecht zur Stromflussrichtung. Um die Induktivität zu minimieren, muss die Fläche der Stromschleife minimiert und ihre Tiefe maximiert werden. D

iese Strategie führte zur Entwicklung des Reverse-Geometry-Kondensators (LICC), der im Vergleich zu herkömmlichen MLCCs gleicher Größe eine Stromschleife mit kleinerer Fläche und größerer Tiefe bildet. Dadurch verringert sich die Induktivität um den Faktor 3 bis 4 (Bild 2).

Die zweite Strategie wurde bei dem für AVX patentierten Interdigitated Capacitor (IDC) realisiert. Bild 3 zeigt den Aufbau eines IDCs im Vergleich zu einem herkömmlichen LICC. Beim IDC sind die längsseitigen Anschlüsse in Segmente entgegengesetzter Polarität unterteilt, die jeweils kleine, zueinander parallele Stromschleifen bilden. Die Induktivität eines IDCs mit acht Anschlüssen ist etwa um den Faktor 3 geringer als die eines LICCs gleicher Größe. Die Induktivität von IDCs lässt sich weiter verringern, indem die Anzahl der parallelen Anschlusskontakte erhöht wird. Das kann auf jeder der vier Seiten des Bauteils geschehen.

Da die Gehäusegröße in direktem Zusammenhang mit der Fläche der Stromschleife steht, lässt sich unabhängig vom Kondensatortyp– MLCC, LICC oder IDC – die Induktivität verringern, indem man eine Ausführung mit kleinerem Gehäuse wählt. Eine natürliche Folge der Weiterentwicklung vom MLCC zum IDC mit kleineren Gehäusen ist eine höhere Komplexität der Anschlusskonfiguration.

Neues Design für induktivitätsarme Entkopplungskondensatoren

Alle oben beschriebenen Kondensatorbauformen haben einige gemeinsame Merkmale: Die internen Elektroden sind horizontal angeordnet, d.h. im montierten Zustand parallel zur Leiterplatte; die externen Anschlüsse befinden sich auf den Seiten des Bauteils. Beim Land-Grid-Array-Design sind die internen Elektroden vertikal orientiert, und die externen Anschlüsse befinden sich auf der Unterseite des Kondensators (Bild 4).

Die Bezeichnung Land-Grid-Array-(LGA-)Kondensator soll andeuten, dass die Anschlüsse sich auf der Unterseite statt auf der Seite des Bauteils befinden. Der LGA-Kondensator nutzt die oben beschriebenen Strategien zur Reduktion der Parasitärinduktivität; zusätzlich ergibt die spezielle Elektrodenanordnung eine im Vergleich zu anderen Konstruktionen wesentlich kleinere Stromschleife. Dank der Stromkompensation innerhalb des Kondensators, die durch die neue Anschlussstruktur erreicht wird, kann ein relativ einfacher LGA-Kondensator mit nur zwei Anschlüssen eine ebenso geringe Parasitärinduktivität haben wie ein IDC gleicher Kapazität mit zahlreichen Anschlüssen. Dies ist insofern ein Schritt zurück im Evolutionspfad von LICC zu IDCs, als 2T-LGAs hinsichtlich der externen Anschlüsse einem MLCC oder LICC ähneln, dabei aber die geringe Parasitärinduktivität eines IDCs aufweisen.

Einer der wichtigsten Vorteile des LGA-Kondensators ist die Ausbildung einer exakt definierten Lücke zwischen den Anschlüssen entgegengesetzter Polarität auf der Unterseite des Bauteils, wodurch die effektive Breite der Stromschleife minimiert wird. Bei den aktuellen LGA-Kondensatoren hat diese Lücke eine Breite von 150 bis 200 ?m (Nennwert). Der Präzisionsanschluss entsteht in einem selbstjustierenden Prozess mit der Bezeichnung Fine Copper Termination (FCT). Dabei werden nach einem elektrochemischen Verfahren die externen, metallenen Anschlüsse auf vorgegebenen Flächen – die auf jeder der sechs Seiten des Bauteils liegen können – geformt (Bild 5). In diesem Prozess lassen sich problemlos asymmetrische, für möglichst geringe Induktivität optimierte Anschlüsse herstellen; die resultierenden Anschlüsse sind gut lötbar und eignen sich hervorragend als Testpunkte bei der Kondensatorproduktion.

Ersatzschaltungsmodell und elektrische Eigenschaften

AVX charakterisiert die HF-Eigenschaften seiner induktivitätsarmen Kondensatoren mittels vektorieller Netzwerkanalyse über den Frequenzbereich von 0,3 bis 9000 MHz; die Messungen erfolgen auf verlustarmen Testabschnitten, die für jede Kondensatorbauform speziell entwickelt werden. Die Messungen umfassen zwei Schritte: Charakterisierung eines kurzgeschlossenen Testabschnitts zur Bestimmung der HF-Eigenschaften des Substrats; Charakterisierung eines Testabschnitts mit eingelötetem Bauteil zur Bestimmung der Eigenschaften der Gesamtheit aus Kondensator und Testabschnitt. Anschließend wird aus den Messdaten mit Hilfe von Simulationssoftware ein Ersatzschaltungsmodell mit Termen für den Testabschnitt und den Kondensatoren abgeleitet.

Die Software ermöglicht es außerdem, anhand der kondensatorspezifischen Terme des Modells die S-Parameter und Impedanz des Kondensators zu berechnen. Zur Modellierung der S-Parameter der LGA- und IDC-Entkopplungskondensatoren über den gesamten Messbereich wird eine aus drei Zweigen bestehende C-(R-L)-Ersatzschaltung verwendet (Bild 6). Man beachte, dass sich die äquivalente Serieninduktivität und der äquivalente Serienwiderstand über einen weiten Frequenzbereich hinweg nicht durch einen einzigen Wert beschreiben lassen – das einfache C-R-L-Lehrbuchmodell ist hierfür zu ungenau. Um jedoch verschiedene Kondensatortypen leichter miteinander vergleichen zu können, lässt sich aus dem Drei-Zweige-Modell eine Konzentrierte-Elemente-Ersatzschaltung für ESL und ESR berechnen, indem man die drei Induktivitäts- und Widerstandsterme jeweils zu einem einzigen zusammenfasst.

Es wurden LGA-Kondensatoren in den Größen 0204-2T, 0306-2T, 0805-2T, 0508-2T und 1206-2T hergestellt und vermessen (Tabelle). Bei allen Gehäusegrößen war die Lücke zwischen den Anschlüssen auf der Unterseite 200 ?m breit (Nennwert) und die Auflageschicht etwa 125 ?m stark, sodass die Breite und Höhe der Stromschleife konstant war. Der die äquivalente Serieninduktivität maßgeblich bestimmende Faktor war daher bei diesem Kondensatorsortiment die Tiefe.

Mit anderen Worten: Mit zunehmendem Abstand zwischen den Anschlüssen auf der Unterseite müsste der ESL-Wert abnehmen. Bild 7 belegt die Gültigkeit dieses vereinfachten Ansatzes. Das Diagramm zeigt den annähernd linearen Zusammenhang zwischen dem Konzentrierte-Elemente-ESL und dem Kehrwert der Tiefe bei einem LGA-Kondensator mit zwei Anschlüssen. Anders als bei herkömmlichen Kondensatorbauformen wie MLCC, LICC oder IDC ist bei LGA-Kondensatoren die Serieninduktivität bei Typen mit größerem Gehäuse tendenziell kleiner. Das kommt daher, dass die Breite (Fläche) der Stromschleife nicht durch die externen Abmessungen des Bauteils bestimmt wird, sondern durch die Ausgestaltung der internen Elektrode. Für den Anwender bedeutet das, dass er für minimale Induktivität nicht auf maximale Kapazität verzichten muss.

AVX, Tel. +49(0)8131 90040

*Andy Ritter ist Senior Member Technical Staff bei AVX in Myrtle Beach, South Carolina, USA

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