電容是 5G 電信基礎設施的關鍵設計元件

第五代 (5G) 蜂巢式 RF 通訊協定於 2018 年開始推出後，在個人使用者、工業機器、雲端運算伺服器傳送和接收資料方面均達到承諾的數量級改進。5G 標準由第三代合作夥伴計畫 (3GPP) 制定，符合國際行動通訊 2020 (IMT-2020) 的要求，數據傳輸率須高達 10 Gbps，比之前的 4G 標準快 10 到 100 倍。此外，還要求每單位區域頻寬增加一千倍，與 4G LTE 協定相比，允許在該區域連接達 100 倍更多的裝置。並且堅持達到 99.999% 的網路可用性，以及同時降低網路基地台和連線裝置的能耗。

至 2025 年中，全球 5G 連線數已超過 22.5 億，其中北美已超過 1.82 億。網路架構師轉用僅支援 5G 頻率和協定的獨立 (SA) 設備，提供更快的上傳和下載速度，以及對先進的工業物聯網 (IIoT) 和機器對機器 (M2M) 通訊的支援，其網路延遲低至 1 ms。

興建 5G 基礎設施所需的新設備開發，推動對各類電子元件的需求，包括隨處可見的電容。在 5G 應用中，電容可濾除不必要的頻率並消除 RF 干擾、與電感配對以調諧天線、解耦電源軌以穩定電壓等級，以及平衡天線連接等功能。工程師在設計 5G 裝置和蜂巢式基地台時，選擇的電容必須滿足每個應用的效能、尺寸、成本要求。

5G 天線應用電容

5G 基礎架構的天線在較高的 RF 區域中支援三個頻段：2 GHz 以下的低頻段、2 GHz 至 6 GHz 的中頻段，以及 24 GHz 至 100 GHz 的高頻段。積層陶瓷電容 (MLCC) 與電感配對，形成可調諧至特定無線電頻率的天線振盪器。5G 基礎設施的電容必須能夠處理此協定的更高頻率 (圖 1)。

圖 1：MLCC 廣泛運用於整個 RF 通訊頻譜。工程師必須謹慎選擇電容，以管理 5G 基礎設施使用的更高 RF 電流。(圖片來源：KEMET Corporation)

KEMET 的 HiQ-CBR 系列 (圖 2) 屬於此類電容。此系列元件的電容值從 0.1 pF 到 100 pF，設計用於在 1 MHz 到 50 GHz 的頻率下長期運作，而不會過熱或失去電容式特性。由於 HiQ-CBR 電容使用 Class I 介電質，因此可以在 -55°C 至 +125°C 的溫度下工作，電容變化小於 ±30 ppm/°C。電容效能在 6.3 V 至 500 V 的直流電壓範圍內也很穩定，並且不會隨著時間而老化。

圖 2：HiQ-CBR 電容是專為支援 5G 基礎設施使用的更高頻率所設計的 MLCC。Class I 陶瓷介電值搭配卑金屬導體和採用霧面錫處理的端蓋，採用表面黏著 (SMD)。(圖片來源：KEMET Corporation)

HiQ-CBR 電容由幾層卑金屬電極 (圖 3) 組成 (如銅)，這些電極由陶瓷分隔並嵌入其中 (如 CaZrO₃，是 Class I 的 C0G 介電值)。金屬端蓋為電極提供電氣連接，以便將此表面黏著元件 (SMD) 焊接至印刷電路板 (PCB) 上。

圖 3：MLCC (如 HiQ-CBR 系列)具有嵌入陶瓷介電值中的多層內部電極，並在端蓋處有金屬連接。(圖片來源：KEMET Corporation)

HiQ-CBR 電容的材料和結構使其具有低損耗效能，這可以用品質因數 Q 來表示，Q 值是耗散因數 (DF) 的倒數。電容值為 30 pF 或更高的 HiQ-CBR 電容在 1 MHz ±100 kHz 和 1.0 ±0.2 V_RMS 下測試時，其 Q 值大於或等於 1,000。在此產品系列中，較低電容值的電容其 Q = 400 + 20C，其中 C 是電容值。

設計用於高頻 RF 應用電子產品的工程師也會尋求具有低等效串聯電阻 (ESR) 和低等效串聯電感 (ESL) 的電容，以有助於達到較高的自諧振頻率 (SRF)。自諧振頻率是電容諧振時導致其失去電容量並作為電感的頻率，因此自諧振頻率需要遠高於工作頻率。HiQ-CBR 電容的自諧振頻率範圍從 100 pF 電容的 600 MHz 到 0.1 pF 電容的 12,000 MHz。

HiQ-CBR 電容設計為可使用端蓋上的霧面錫飾面焊接到標準 PCB 上。提供常見的外殼尺寸，包括 0201 (0.2 in x 0.1 in)、0402 (0.4 in x 0.2 in)、0603 (0.6 in x 0.3 in)、0805 (0.8 in x 0.5 in)。經認證不含鉛並且符合 RoHS 指令。

HiQ-CBR 系列電容的效能特性和尺寸適用於 5G 蜂巢式基地台和電信網路，以及 RF 功率放大器 (PA)、無線區域網路 (LAN)、全球定位系統 (GPS) 網路、藍牙通訊。這些電容也可用於訊號處理作業，如直流阻斷、濾波、阻抗匹配、耦合、旁路。

為了減少干擾和訊號雜訊，設計人員可以添加類似 KEMET 的 Wi-Fi 頻段和 5G 適用的 FLEX SUPPRESSOR® 等產品。這種片狀或卷狀的聚合物金屬複合材料 (圖 4) 含有分散在整個柔性聚合物基體中的微米級磁粉，用於抑制電磁波或共振、改善磁通量匯聚、降低電子裝置在 5G 頻段 (3 GHz 至 40 GHz) 頻率下產生的雜訊。

圖 4：適用於 Wi-Fi 頻段和 5G 的 FLEX SUPPRESSOR® 是一種柔性聚合物，混合微米級的磁粉。使用者可以將薄片切割成合適的尺寸，以減少電磁諧振或促進磁通量匯聚。(圖片來源：KEMET Corporation)

超越振盪器的 5G 基礎設施電容

電容也用於許多其他 5G 基礎設施應用，如 DC/DC 轉換器、斷電保護、固態硬碟、路由器、交換器。以其高電容值聞名的聚合物電解電容和可以處理漣波電流的金屬化薄膜電容，在某些應用中比 MLCC 有更好的效能或更高的體積效率。

KEMET 的 T523 系列 (圖 5) 是一種聚合物電解電容。在這些電容中，鉭芯 (陽極) 由五氧化二鉭 (Ta₂O₅) 介電層包圍，然後被同樣含有鉭的導電聚合物電解質層包圍。此層與第三層的碳和第四層的銀結合，形成陰極。

圖 5：T523 聚合物電解電容具有鉭陽極和鉭聚合物電解質，後者構成一部分陰極。模製環氧樹脂外殼透過表面黏著技術 (SMT) 連至 PCB。(圖片來源：KEMET Corporation)

T523 系列電容的電容值範圍為 47 µF 至 1,000 µF，在額定電壓 6.3 V 至 35 V 內保持穩定。其 ESR 較低，為 30 mΩ 至 100 mΩ，有助於在額定頻率高達 1 MHz 時保持穩定。

KEMET 的 A798 系列聚合物鋁有機電容也採用聚合物電解質技術 (圖 6)。這些電容使用固體導電聚合物陰極與鋁陽極配對，以實作 470 µF 的電容值，此電容在 2 V 至 2.5 V 的工作電壓下保持穩定。這些電容的 ESR 範圍從 3 mΩ 到 9 mΩ，當電容在 100 kHz 左右的頻率達到峰值時，會出現最低 ESR 值。

圖 6：A798 系列聚合物電解電容採用鋁陽極和鋁聚合物陰極。此電容具有優異的溫度穩定性和高電容量。(圖片來源：KEMET Corporation)

與 MLCC 一樣，這兩種類型的電容額定工作溫度範圍為 -55°C 至 +125°C。然而，與 MLCC 不同的是，聚合物電容的使用壽命取決於工作溫度和濕度。T523 電容在額定電壓和 +85°C 下的額定使用壽命為 2,000 小時，而 A798 電容在採用延長使用壽命的配方後，在額定電壓和 +125°C 下的使用壽命超過 5,500 小時。這兩種電容在低於 +85°C 時的額定電壓下，預計使用壽命為 10 年以上。

這兩種聚合物電解質系列均適用表面黏著，尺寸相似且長 0.138 in 至 0.287 in、寬 0.110 in 至 0.236 in，高 0.043 in 至 0.110 in。這些聚合物電解電容的電容值比 MLCC 高出幾個數量級，有高體積效率。在適合使用的應用中，相較於 MLCC，聚合物電解電容可以在更小的佔用空間內提供相同或更高的電容。

DC/DC 轉換器中經常使用的另一種電容是金屬化薄膜脈衝電容 (圖 7)，以靜電方式而非電解方式運作。這些電容由多層非導電聚丙烯薄膜介電值組成；這些介電值的一面塗有金屬，另一面塗佈金屬塗層的聚酯，或層疊金屬箔片。

圖 7：金屬化薄膜電容通常採用通孔技術 (THT) 連至 PCB。具有低耗散因數，因此能夠管理高 dv/dt 應用和電源轉換中的漣波電流。(圖片來源：KEMET Corporation)

KEMET 的金屬化薄膜脈衝電容提供多種尺寸和特性，適合許多 5G 基礎設施應用。工程師可以由 40 pF 和 100 µF 之間的電容值以及 100 V 和 2,500 V 之間的直流電壓選擇產品 (圖 8)。此類電容的 ESR 範圍從 0.5 mΩ 到 6.366 Ω。

其佔用空間最小為 0.283" x 0.098"，最大為 1.634" x 1.181"。大多數金屬化薄膜脈衝電容以通孔連至 PCB，因此它們略高，厚度為 0.236" 至 1.776"。

圖 8：金屬化薄膜電容採用聚丙烯薄膜介電值，中間夾有金屬。這些電容通常以 THT 連至 PCB。(圖片來源：KEMET Corporation)

結論

5G 電信基礎設施的設計若要達到承諾的效益，須面對一些挑戰。所有類型的電容，從高頻率、低電容的 MLCC 到電容值大幾個數量級的聚合物電解電容，以及可耐受電壓和漣波電流變化的金屬化薄膜電容，都在現今和未來的 5G 基礎設施中佔有一席之地。