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1、基于HFSS的埋入式电容特性分析摘要:建立了基于HFSS仿真软件的埋入式电容物理模型,分析了埋入式电容结构参数变化对电容特性产生的影响。结果表明埋置电容Q值随着频率的升高而呈现出下降趋势,埋入式电容的Q值随着电容极板面积的增加而减小;电容的谐振频率随着电容极板面积的增加而呈现下降趋势。 关键词:埋入式电容结构参数HFSS仿真电特性 :TP336:A:1007-9416(2011)04-0155-02 1、引言 通过将元件嵌入印制板中,可使印制板的面积比SMT设计缩小多达40％,埋入无源元件印制板的优势得以体现,埋入无源元件印制板又
2、称为平面无源元件板,这是由于印制板为平板结构,埋入无源元件要以平面(如厚膜、薄膜的平面)类型而埋入,因此,大量文献中又称为平面电阻技术或平面电容技术等,分别表示埋入平面电阻器和平面电容器[1]。把无源元件埋入到PCB中,可以有许多优点,如可提高PCB组装密度、提高PCB组装可靠性、改善PCB组装件电气性能以及降低成本等等。 通过埋入平面电容器,可以减少或消除磁偶合效应,提高传输信号完整和稳定性,可以保证有源元件负载电流稳定。在信号传输或有源元件端接上并联电容器到电源处(层),可协助其快速到达传输信号能量稳定状态[2]。但是埋入式电容器的电特
3、性问题一直是制约和影响埋置电容技术发展的重要因素之一。如何在PCB中埋入功能值更大的电容值及通过仿真分析确定埋入式电容设计时位置、大小及材料等工艺参数的设置使得埋入式电容器的电性能更加优越,对推动埋入式元件技术的进一步发展具有重要意义。本文以埋入式电容的电特性作为研究内容,通过AnsoftHFSS软件建立埋入式电容的物理模型,分析电容结构参数变化对埋入电容特性的影响,为埋入式电容的设计提供指导。 2、埋入式电容结构及等效电路参数 在埋入式电容制作技术中,一般都采用平板电容形式,这种电容在基板中埋置制作起来简单方便,可靠性高,损耗较小。
4、本文建立的埋入式电容HFSS仿真物理模型即为圆板平行电容,电容所埋入的印制电路板(PCB)为环氧层压玻璃纤维材料FR-4,尺寸取为67mm50mm(长宽),其介电常数为4.4。PCB铜箔层厚度为25um,埋入电容的介电常数为4,且其介质层厚度取0.05mm,上电极铜箔厚度0.03mm,下电极铜箔厚度为0.017mm。 为便于分析,在此简化了埋置电容结构,且该结构的等效电路图如图1所示[3]。由电容的等效电路图可知,电容C表示电容值,它的值取决于圆板的尺寸、介质层厚度及介电层材料的介电常数等,电容C1和C2表示端口的寄生电容,由电容的上电极和
5、下电极与上下基板之间的距离所决定,距离越大,端口的寄生电容越小,串联电阻R表示电容的损耗,对Q值(即电抗成分与损失成分的比值)产生影响,该值越高表示特性越好,L为端口电感[3]。 AnsoftHFSS仿真软件是采用有限元理论方法解决电磁场问题,进而求出S参数。而对于电容值来说,最关心的是求出电容的Q值和电容的有效值,它们均可由S参数推到来得出,其表达式分别为[3]: (1) (2) (3) 式中:为电容的输入阻抗,为输入端接特性阻抗,为电容端短路时输入端反射系数,为输入电抗,为有效电容值[4]。 3、基于HFSS仿真模型的埋入
6、电容特性分析 埋入式电容3D结构HFSS仿真模型如图2所示。对仿真模型图加载端口激励,并设置求解选项进行求解,其仿真结果如下: 2.1Q值变化情况 由上述公式2可以得出Q值即是输入X络的电抗值与回波损耗值之比,而对于埋置电容所组成的二端口X络,在建模时其一端的输入阻抗值为50,而电容另一端的负载阻抗值也为50,这样即满足二端口X络中,一端的输入阻抗值等于另一端的负载阻抗值的条件。因此,有Zin=Z11,此时Q的表达式即为: (4) 由HFSS可以直接输入变量Q的表达式4,得到Q值随电容电极面积的变化曲线如图3所示。图中曲线a、b和c
7、分别代表极板半径R=0.8mm、1.0mm和1.2mm时的Q值变化。 Q值的大小主要由R来决定,R又包括介质损耗和导体损耗。从图中可以看出随着频率的升高,所得的Q值是逐渐下降的,因此,可以推出在频率逐渐升高的同时,总的损耗也在逐渐增大。而随着电容极板面积的增大,电容的Q值也呈现出下降趋势。 2.2谐振频率的变化情况 实际的电容可以简单等效为L、R、C串联,电容有一个谐振点,在高频时(超过这个谐振点)会呈现感性,电容的容值和工艺不同则这个谐振点不同,在HFSS仿真分析时,所得到的S参数曲线发生跳变的频率点即为谐振频率点,一般分析选定频率范
8、围内第一个发生跳变的频率点。通过仿真得到电容不同极板面积下的参数变化曲线如图4、图5和图6所示。 谐振频率主要受到寄生电感和电容值的影响。图4中,S11曲线第一个
