硅電容器崛起，可望取代MLCC部分應(yīng)用市場

傳統(tǒng)電容器因采用不同材料做為絕緣體而形成不同類型的電容器，例如電解電容（Electrolytic Capacitor）、鉭質(zhì)電容（Tantalum Capacitor），以及主流的多層陶瓷電容（MLCC）等。他們是電子系統(tǒng)中最常見的被動元件之一，受到高溫、頻率或直流偏壓等因素的影響，他們也成為故障率最高的元件之一。為了解決這個問題并滿足更廣泛惡劣環(huán)境應(yīng)用之需求，以硅材料做為絕緣體，且以半導(dǎo)體技術(shù)加以制造的硅電容器（Silicon Capacitor，Si-Cap）開始在市場上嶄露頭角。

單 MIM 或多 MIM＋3D 納米結(jié)構(gòu)＝更高靜電電容值

當(dāng)前硅電容器在結(jié)構(gòu)上多半采用三層式「金屬／絕緣體／金屬」（Metal-Insulator-Metal，MIM）形式，另外也有多 MIM 結(jié)構(gòu)的硅電容器，其每一個 MIM 結(jié)構(gòu)都負責(zé)蓄存一部分的靜電電容，多個 MIM 堆疊可以增加總靜電電容值。

在絕緣體部分，當(dāng)前硅電容器多半采用二氧化硅或氮化硅等絕緣硅介電質(zhì)材料，進而形成「金屬／絕緣層／半導(dǎo)體」（MIS）或金屬／氧化物／半導(dǎo)體」（MOS）等三層式結(jié)構(gòu)。兩者皆為當(dāng)前高密度電容器的主要絕緣材料，已然成為業(yè)界追求高穩(wěn)定性、高可用性及耐高溫等惡劣環(huán)境應(yīng)用的最佳選擇。

日廠村田制作所（Murata Manufacturing）旗下子公司 MIPS（Murata Integrated Passive Solutions，前身為法國硅被動元件廠商 IPDiA，2016 年村田收購，2017 年更名）的高密度硅電容器技術(shù)便是采用內(nèi)埋在非晶基板的單 MIM 或多 MIM 結(jié)構(gòu)。高密度硅電容器是采用半導(dǎo)體 MOS 制程開發(fā)，并使用 3D 納米結(jié)構(gòu)增加更高的電極表面積，進而獲得更高的靜電電容值。

3D 結(jié)構(gòu)提升電容值示意圖。（來源：Murata）

有助提升硅電容高容積率的 PICS 制程成主流

當(dāng)前硅電容器所采用的主流半導(dǎo)體技術(shù)莫過于深溝式（Deep Trench）技術(shù)，例如美商予力半導(dǎo)體（Empower Semiconductor）推出 E-Cap 品牌硅電容器便采用深溝技術(shù)。不過，愛普科技（AP Memory）新推 IPD 硅電容器產(chǎn)品線以自家擅長的 3D DRAM 堆疊技術(shù)開發(fā)。

隨著高度整合、高性能與微型化等需求的不斷增長，高密度超深溝硅電容器開始受到市場青睞，實現(xiàn)被動元件主流技術(shù)莫過于被動整合連接基板（PICS）制程技術(shù)，制程能結(jié)合多芯片模組（mcm）和芯片直接封裝（COB）等技術(shù)，開發(fā)出體積更小的超低功耗組件。制程技術(shù)不但能將許多基本功能整合到單一產(chǎn)品，降低制造成本，同時有助硅電容器容積效率持續(xù)提升。

PICS 技術(shù)高密度深溝電容器剖面圖。（來源：Murata）

無與倫比的「四高」優(yōu)勢：高穩(wěn)定度、高密度、耐高溫、高可用性

相對于傳統(tǒng)電容器，硅電容器具備許多顯著的優(yōu)勢，首先是高穩(wěn)定度，即使在高溫下依舊穩(wěn)定如常，目前最大耐受高溫可達 250°C，這使它成為適用航空、車用、軍用乃至石油勘探等惡劣環(huán)境應(yīng)用的最佳選擇。雖然元件仍有最大電容值的限制，但基本上不受電容老化的影響（MIPS 硅電容器使用壽命至少 10 年），即使面對會讓 MLCC 電容器大受影響的直流偏壓，可靠性和電容值都不會因此下降。

其次，高密度硅電容器有助于帶動高性能零組件的微型化發(fā)展，進而有效降低電子元件的功耗與成本。以 MIPS 新推的硅電容器而言，厚度僅 40μm，比起 MLCC 電容器薄得多。再者是極佳的漏電流（Leakage current）穩(wěn)定性表現(xiàn)，對于傳統(tǒng)電容器而言，高溫、應(yīng)力、充電電壓乃至介電質(zhì)厚度都會對漏電流造成影響。由于硅電容器具備良好的絕緣性能及絕緣電阻值，因而成為耦合、阻隔及時序電路的最佳選擇。

此外，由于高溫硅電容器具備更低失效率（FIT Rate），因此比起故障率極高的傳統(tǒng)電容器，能提供更佳的可靠度與可用性。就村田制造作所網(wǎng)站指出，當(dāng)前硅電容器可靠性可達 MLCC 電容器的 10 倍。

IPDiA 硅電容器。（來源：DigiKey）

愛普科技說法，傳統(tǒng)電容通常放在電路板上，隨著高效能 SoC 的功耗越高、電壓越低，電容器因此被迫移至接腳側(cè)（land side），以便更靠近 SoC。但傳統(tǒng) MLCC 電容器受限于體積與密度并無法滿足這樣的需求，這樣的重責(zé)大任便落到高密度、超薄的硅電容器身上。

尋求替代性介電質(zhì)材料，解決有限最大電容值與漏電荷問題

不可諱言的，硅電容器當(dāng)然也有一些值得改進的缺點，包括有限的最大電容值以及漏電荷問題。由于電容值會與二氧化硅介電質(zhì)材料面積成正比，而與二氧化硅介電質(zhì)的厚度成反比，因此電子元件制造商一直在縮減二氧化硅介電質(zhì)的厚度，來滿足小型化和高密度微電子元件的需求。但偏偏二氧化硅介電質(zhì)薄膜縮得越薄，漏電荷的狀況反而會更嚴重，如此一來，電容器便難以儲存電荷。目前針對這兩個主要問題的解決之道，除改進制程外，重點會放在尋找替代性介電質(zhì)。

拜硅電容器優(yōu)勢所賜，硅電容器完全相容支援 MIS / MOS 后端技術(shù)，所以能做為被動整合平臺的一部分。再者元件也適合以異質(zhì)整合的方式結(jié)合 CMOS、MEMS、多芯片模組或覆晶接合（flip-chip）等各種技術(shù)，應(yīng)用于系統(tǒng)級封裝（system in chip，SiP）或系統(tǒng)單芯片（system on chip，SoC）。元件且適用單顆芯片之表面黏著（SMD）電容器的開發(fā)。

射頻薄膜硅電容器架構(gòu)圖。（來源 ：AVX）

目前市場主要硅電容器供應(yīng)商大致包括 AVX、MACOM Technology Solutions、Microchip Technology、Murata Manufacturing、Skyworks Solutions、臺積電、TDK 及 Viking Tech 等公司。市調(diào)公司 Transparency Market Research 指出，2021 年全球硅電容市場規(guī)模約 15.8 億美元，預(yù)估 2022~2031 年年均復(fù)合成長率（CAGR）為 5.4%。相信不久的未來，硅電容器將會在網(wǎng)路、通訊、光通訊、醫(yī)療、車用及高可靠性用途等市場發(fā)光發(fā)熱。