前面的文章我们对硅电容做了比较详细的介绍,尤其的针对其特性进行了说明,硅电容在稳定性、可靠性、集成度、厚度、和半导体的适配性等方面和传统电容相比具有明显优势,这一篇文章重点介绍一下其劣势,这里我们通过和MLCC的对比进行说明,主要说明两个方面的劣势,就是在成本部分和耐压部分。
我们先来看看成本部分,这里,我们做一个大致的分析,将成本从不同的维度进行了拆解,包括了原材料的额成本,制造成本,测试成本,研发成本,良率、物流等,其中成本占比比较高的就是材料成本和制造成本,就材料而言,当前硅电容是采用的高纯度硅、氧化硅和金属化电极材料会比MLCC使用的陶瓷和贵金属总体更高,当然,就理论上来说,硅是地壳中含量最丰富的元素之一,提取和加工成本理论上有机会做的比陶瓷中的钛酸钡更低,MLCC中的贵金属电极成本也不低,就目前来看,硅电容尚且处于早期阶段,MLCC已经是成熟大规模应用了。就制造成本而言,硅电容工艺中需要沉积刻蚀等,设备技术门槛高,当然,就理论上看,硅电容的批量化、自动化与智能制造的想想空间是更大的,设备和其他半导体产品也可以共享,进而摊薄成本,长期来看,硅电容还是有机会实现更低制造成本的,而这毫无疑问需要有能够提供较大用量的市场来支撑硅电容实现规模化。而MLCC本身也存在工艺瓶颈,特别的工艺复杂度在MLCC层数非常高的时候会急剧增加,烧结工艺也是一个高能耗且面临良率瓶颈的部分,同时MLCC当前工艺已经相对成熟,进一步降本空间比较有限。
成本维度 | 硅电容 | MLCC |
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材料成本 | 硅电容使用高纯度单晶硅、氧化硅和金属化电极材料;对材料纯度和均匀性要求极高。 | MLCC使用陶瓷(如钛酸钡)和贵金属(如银、钯、金),但整体原材料价格较低。 |
制造成本 | 采用半导体工艺(如薄膜沉积、刻蚀等),需要高精密设备和严格控制的生产环境(如洁净室)。 | 使用多层陶瓷烧结工艺,生产过程相对成熟且设备要求低,效率高,批量化生产成本低。 |
封装与加工成本 | 倒装芯片、无引脚设计或封装,需采用先进的焊接和装配技术,复杂性更高。 | SMT封装成熟,工艺简单,装配成本较低;适合大规模自动化生产线。 |
测试成本 | 高可靠性要求需进行严格的电性能、温度、高频特性测试,测试时间和设备成本较高。 | 测试流程成熟,主要进行电性能筛选,测试时间和设备使用率更优化。 |
研发成本 | 涉及硅基工艺、薄膜技术和新型材料研究,前期研发投入大,摊销到单位成本较高。 | 技术相对成熟,研发集中于工艺改进和扩产,单位研发成本较低。 |
生产良率成本 | 半导体工艺良率较低,特别是高性能产品;缺陷率和返工率导致成本进一步增加。 | 陶瓷烧结工艺良率高,即使出现瑕疵,单位成本低,对整体影响小。 |
供应链与物流成本 | 依赖高端半导体材料和设备,供应链复杂,物流成本相对较高。 | 原材料和生产设备广泛可得,供应链成熟,物流成本低。 |
市场推广成本 | 应用领域高端化,面向特定市场(如射频模块、汽车电子),市场推广成本高。 | 主攻消费电子等大众市场,规模效应使得市场推广成本分摊较低。 |
分析了硅电容的成本问题之后,我们再来看看另外一个硅电容的问题,就是耐压特性,观察村田硅电容的BV特性我们可以看到,典型的值包括了11V、30V、50V、100V、150V等,而MLCC可以实现超过1000V的耐压。我们来分析一下两者在耐压部分的差异。
我们知道耐压值V耐压=n*Eb*d,其中Eb为击穿场强,对硅电容而言,这里一般为氧化硅,其击穿场强典型值为10MV/cm,d表示的是氧化层厚度,硅电容的这个数值通常在10nm到1um之前那,n为堆叠层数,因此,通过计算我们可以知道,耐压一般在数伏到上百伏,对MLCC而言,其击穿场强典型值为3-5MV/cm,和硅电容基本在一个数量级,其单层陶瓷厚度一般为1-20um,其层叠层数可能到几十上百层,因此其耐压可以从几伏到上千伏。可以看到,MLCC的耐压比硅电容更高,主要是因为其氧化层厚度以及层数比硅电容更高,如果和上一篇介绍厚度的文章对照我们就可以发现,恰恰是因为MLCC的厚度更厚(包括了更厚的单层厚度以及更加多的层数),才保证了其高耐压。
总结一下,这一篇文章我们针对硅电容和普通电容(以MLCC为例)对比过程中当前看到的成本和耐压两个瓶颈问题进行了分析,就成本而言,从当前的情况看,硅电容从材料成本、制造成本以及其他各方面的成本都高于MLCC,这也导致其总成本显著高于MLCC,从短期看这个趋势无疑是存在的,从长期看,如果硅电容能够实现更大规模化的量产,其成本是有可能显著下降的,而要完成这个过程的前期就是出现硅电容在市场上大规模的应用,至少有出现高附加值的应用能够让硅电容实现前期的产能爬坡和良率提升。就耐压而言,通过理论上的计算,我们可以看到目前硅电容的耐压由于其介质层的厚度以及层数的限制是会面临瓶颈的,这也就意味着从应用和产品本身属性来看,硅电容是不太适合应用于超高耐压的场合的,耐压和厚度本身也会有一些内在的矛盾性,在使用的时候我们需要根据具体的应用进行选择。