Capacitores em pastilhas de silício para RF (TEL042)

Neste artigo de 2004 focalizamos uma então lançada linha de capacitores da Vishay para aplicações em circuitos de alta frequência. Antes de usar na prática as informações dadas, sugerimos consultar a empresa sobre a eventual existência de linhas de componentes mais recentes que substituam os tipos focalizados.

Nos últimos anos a tecnologia de fabricação de semicondutores passou por um forte desenvolvimento com o aparecimento de novos materiais, novos processos, redução de custos e aumento da confiabilidade. Por outro lado, o setor dos componentes passivos não teve o mesmo desenvolvimento, não se notando avanços em termos de inovações. Em especial, destacamos o campo dos capacitores que merecem especial atenção, principalmente quando os dispositivos modernos de setores como o das telecomunicações, estão operando com freqüências cada vez mais elevadas. Neste artigo, vamos abordar a tecnologia utilizada pela Vishay Interchnology, através de seu documento número 10132, para a fabricação de capacitores em pastilhas de silício especialmente indicados para aplicações em RF.

As pesquisas da Vishay no sentido de se obter um componente passivo, como um capacitor, capaz de atender às características exigidas pelo mercado de dispositivos de alta freqüência, com alto Q, levaram à utilização de materiais semicondutores como o silício em lugar dos processos tradicionais de fabricação de capacitores.

O resultado final foi um capacitor especialmente indicado para aplicações em RF com alta densidade de capacitância, baseado num processo de fabricação com semicondutores, empregando materiais que podem ser obtidos facilmente em qualquer parte do mundo.

A figura 1 mostra a estrutura em corte de um desses capacitores, o HPC0402.

Datasheet do HPC0402

Figura 1

Nesta configuração uma região de silício de alta condutividade forma a placa base do capacitor. Em seguida, um processo patenteado forma uma camada de dióxido de silício que vai ser o dielétrico do capacitor, o qual e extremamente fino (da ordem de 0,05 a 3 microns, dependendo da capacitância).

Essa camada é muito uniforme, com uma variação menor do 0,4% ao longo de um wafer para capacitâncias de 10 pF, e extremamente firme em termos de se manter ao longo do processo (menos de 1% de lote para lote).

Isso permite produzir capacitores de alta tolerância sem a necessidade de ajustes. Essa característica é muito importante, porque ao se ajustar a capacitância individualmente, também são alteradas as características de alta freqüência do capacitor. Assim, um capacitor de mesmo valor, com a mesma tolerância e com o mesmo modelo, do mesmo fabricante pode ter características diferentes em RF, quando passamos de lote para lote. Isso não ocorre com os capacitores de silício HPC, por exemplo.

O gráfico abaixo compara os capacitores do tipo HPC0402 da Vishay com capacitores de RF que empregam outras tecnologias.

Gráfico 1

Nesse gráfico:

HPC - Capacitor de silício Si/SiO2 integrados num processo semicondutor de filme fino, com SiO2 depositado em cerâmica.

LTCC - Capacitor multi-camada em chip.

Efeitos Mecânicos e de Configuração

Os terminais dos tipos comuns de capacitores usados em RF reduzem a sua resistência, mas em compensação eles agregam indutâncias. Eles também necessitam de mais espaço nas placas de circuito impresso. Um chip de tamanho 0402, por exemplo, exige de 25 a 45% a mais de comprimento do que o chip real para os padrões de montagem, dependendo das recomendações do fabricante. Além disso, existe uma tendência dos terminais levantarem nas extremidades durante o processo de soldagem, causando o efeito denominado "tombstoning", conforme mostrado na figura 2.

Figura 2

As grandezas indicadas nesta figura, que fazem com que um dos lados do capacitor se levante, desprendendo-se do ponto de soldagem são:

T1 - Tensão superficial da solda em estado líquido

T2 - Força de tração da pasta de solda

T3 - Peso do chip

M1 - Momento que puxa o chip para cima

O efeito "tombstoning" exige sistemas de teste fora da linha de produção e retrabalho para corrigir o problema. Se apenas 0,5% dos componentes montados apresentarem este problema, e existirem 10 componentes numa placa, aproximadamente 5% das placas necessitarão de retrabalho!

Algumas vezes, o chip não será completamente desligado da placa quando um dos seus terminais levantar. Mas, isso certamente pode significar um problema de conexão deficiente e mesmo de resistência mecânica, conforme mostra a figura 3.

Figura 3

Nas aplicações que envolvem altas freqüências, a indutância agregada ao circuito quando um dos lados do componente fica levemente levantado pode ter efeitos importantes, afetando a sua performance.

Na figura 4 mostramos as diferenças de performance que podem ocorrer. A curva A mostra a performance em alta freqüência do capacitor 0402 de 12 pF, +/-2% com terminais comuns e com uma extremidade intencionalmente levantada 15 mils de sua SRF (Self Ressonance Frequency - Freqüência de auto-ressonância) em 2,13 GHz.

Figura 4

A curva B mostra a performance em alta freqüência do mesmo chip depois do retrabalho para reduzir o comprimento da terminação soldada no mesmo ponto. A ação corretiva, aumento a SRF em 0,08 GHz (aproximadamente 4%).

A configuração de contacto em lado único do HPC0402 foi desenvolvida justamente para evitar esse efeito na placa, colocando os dois contactos na superfície de baixo do chip, conforme mostra a figura 5.

Figura 6

Nessa figura:

T1 - Peso do chip

T2 - Força de tração da pasta de solda

Em lugar da força tentar levantar o chip, todas as forças atuam no sentido de pressioná-lo contra a placa, eliminando assim o efeito "tombstone" e com isso assegurando o melhor desempenho em altas freqüências.

Além disso, essa configuração exige menos espaço para o componente na placa. Observe que é possível deixar uma distância menor entre os componentes. Evidentemente, trilhas mais curtas resultam em menores indutâncias e resistências no circuito melhorando sua performance.

Outro fator importante a ser considerado é que uma superfície mais plana e mais uniforme desses componentes, quando comparada aos capacitores cerâmicos do tipo LTCC, 0402 e 0201 faz com que menos componentes caiam e menos componentes saiam de posição no processo de montagem, o que significa que os equipamentos de fabricação podem ser mais rápidos com menores perdas e, portanto menos retrabalho.

Aplicações Típicas

a) A uniformidade do processo Afeta a Performance em RF e o Casamento de Impedâncias

Um dos problemas mais graves no desenvolvimento de telefones celulares é a dificuldade em se casar a impedância de saída do amplificador de potência com a impedância da antena. Tipicamente, o desenvolvedor é capaz de calcular e prever os valores das capacitâncias a serem usadas com uma precisão de apenas 50 a 70%.

Os valores exatos devem então ser determinados no laboratório. Além disso, os capacitores individualmente são caracterizados na freqüência do circuito, com capacitores testados em 1 MHz. Por exemplo, um circuito que exige um capacitor de 13 pF em 2,7 GHz, usa um capacitor que no teste em 1 MHz apresenta 8,2 pF, mas que terá 13 pF em 2,7 GHz.

O capacitor é então escolhido para se ajustar a uma característica capacitância-freqüência que se espalha pela faixa de operação do telefone celular. O desenvolvedor coloca o capacitor caracterizado no circuito e seleciona os valores de capacitância que resultam no melhor desempenho.

Apesar disso, o fabricante utiliza um processo de fabricação com uma tolerância de 9-15%, dependendo da tecnologia, devendo ajustar o produto final para ter tolerâncias tipicamente entre 1 e 5% que são usadas no produto final, para casar a impedância de saída do amplificador com a impedância da antena.

Quando os capacitores são ajustados, sua área de placa mudam e com isso modificam-se também as suas características de alta freqüência que deixam de ser as originais das especificações. Além disso, a espessura do dielétrico muda de lote para lote, o que também causam uma performance não informe em termos de freqüência.

Essas variações não só exigem que o desenvolvedor selecione os valores que funcionem no laboratório como também virtualmente levem os telefones produzidos numa linha de produção a operarem todos de formas diferentes daqueles desenvolvidos no laboratório.

Um capacitor com uma estabilidade capacitância x freqüência maior e sem passar pelo processo de ajustem certamente reduziria, ou mesmo eliminaria totalmente, esse problema.

A figura 6 mostra a variação de freqüência de uma amostra de capacitor LTCC, filme fino SiO2 e do tipo de silício integrado HPC0402.

Figura 6

Neste caso, o usuário deve começar usando capacitores LTCC e de filme fino de 8,2 pF para conseguir um capacitor de 13 pF em 2,7 GHz. Devido a maior estabilidade capacitância x freqüência, o usuário deve usar um capacitor HPC0402 de 12 pF para a mesma aplicação.

Nota-se que o resultado final é que tanto o capacitor LTCC como o de Filme Fino caem numa faixa de 10% em 2,7 GHz enquanto que os capacitores de silício integrado têm um desvio de apenas 1%. Normalmente, os desenvolvedores partem de um capacitor com tolerância de 1 % para poder ter uma envelope de tolerância de 10% na freqüência de operação.

Alargando a tolerância inicial, o envelope também é alargado. A substituição por capacitores HPC, estreita o envelope em 2,7 GHz possibilitando ao desenvolvedor escolher três novas opções de projeto:

1. Estreitar a tolerância do circuito na freqüência de operação.

2. Estender a freqüência de trabalho atingindo freqüências mais elevadas sem expansão do envelope de capacitâncias.

3. Partir de capacitores muito mais econômicos com 5% ou mesmo 10% de tolerância. Usando capacitores de 5% de tolerância em lugar de 1%, o custo cai em 50%.

b) Baixo Perfil, Relação Alta Capacitância/Tamanho, Smart Cards sem Contactos

Um Smart Card sem contacto típico é composto de um ASIC ou microprocessador, um capacitor e uma antena montados num cartão plástico flexível. Quando disparado por um sinal externo de interrogação, o smart card transmite os dados que ele tem armazenados.

Como o cartão é flexível, e o capacitor é muito fino (menos de 0,3 mm), esse capacitor deve ser mantido na menor área possível da placa, para evitar quebra. Assim, um capacitor do tamanho 0402 são os indicados para maior confiabilidade do sistema. No entanto, os desenvolvedores tendem a aumentar o número de voltas das antenas de modo a evitar a necessidade de um capacitor de sintonia.

Por outro lado, o número de voltas deve ser diminuído para aumentar a faixa de operação do cartão. De modo a se conseguir a freqüência de ressonância, um valor de capacitância de 100 pF a 180 pF deve ser selecionado.

Ocorre, entretanto, que para esses valores de capacitâncias, os tamanhos dos capacitores são 0805 ou 0603 o que reduz a confiabilidade do projeto devido a grande possibilidade de sofrerem danos quando o cartão é vergado.

Os capacitores HPC, entretanto podem alcançar capacitâncias de 180 pF no tamanho 0402 o que permite a fabricação de smart cards com grande confiabilidade e maior faixa de operação.

Conclusão

Damos a seguir uma tabela de comparação entre os diversos tipos de capacitores para RF:

Em suma, os capacitores em chip de silício consistem numa excelente opção para o desenvolvedor de projetos de RF, e em especial, a série HPC da Vishay oferece soluções que devem ser analisadas. Mais informações em www.vishay.com.