本研究由Yifan Ding、Faye Squires、Suho Lee、Albert E. Ruehli和Chulsoon Hwang等人完成，作者均来自密苏里科技大学电磁兼容实验室。论文发表于IEEE Transactions on Signal and Power Integrity，2025年第4卷，文章编号为46-54页，于2024年11月1日投稿，2025年1月26日修订，2025年3月6日接收，2025年3月13日在线发表，2025年4月1日出版。该研究由国家科学基金会项目IIP-1916535资助，通讯作者为Chulsoon Hwang。
本文属于类型a，即单一的原创性研究，研究主题为去耦电容器（decap）互连电感的综合测量与截面研究。
研究背景方面，电力分配网络（power distribution network，PDN）在现代电子系统中起着稳定供电的关键作用。去耦电容器广泛用于降低PDN的宽频阻抗、抑制噪声并稳定电源。然而，电容器厂商给出的等效串联电感（equivalent series inductance，ESL）仅在电容孤立状态下有效，实际安装到印刷电路板（printed circuit board，PCB）后，由于安装方式及其与走线、过孔和回流平面之间的耦合，实际电感与数据手册值存在明显差异。为准确评估电容安装后的电感，该研究引入了关键参数Labove，即顶部地平面以上的总等效电感，用于综合表征电容自身特性以及电容与PCB之间的耦合效应。此前虽有研究探讨了Labove，但多集中于少量样品，未充分考虑制造差异对电感的统计性影响。因此，本研究旨在通过大规模测量与截面分析，系统揭示去耦电容内部几何结构对Labove的影响。
研究流程包括四个主要步骤。首先，构建去耦电容库。研究对象为31种Murata公司生产的去耦电容，电容值范围为22 nF至22 μF，封装尺寸涵盖0402、0603、0805和1206四种，每种型号测试多达六个样品，以评估制造和测量容差。第二，设计专用测试板。测试板为四层PCB，铜厚1 oz/ft²，介质材料为FR-4，芯层厚0.2 mm，上下半固化片各厚0.203 mm，过孔直径0.15 mm。测试板顶层包含探针着陆焊盘和电容着陆焊盘，两者中心距为8.89 mm。为消除互连寄生电感，设计了两种结构：一种用于安装电容，另一种用于去嵌（de-embedding）。去嵌结构测量的电感记为Ldeembed，带电容结构测量的电感记为Lland，Labove由两者之差计算得到。第三，执行Labove的两端口测量。使用Keysight E5071C矢量网络分析仪，频率范围100 kHz至500 MHz，中频带宽设为1 kHz并进行16次平均以提高信噪比。探针采用PacketMicro SP-GR-201505微探针，间距0.5 mm，校准采用TCS70V2校准基板。阻抗由S21参数通过公式提取。第四，进行截面分析。电容在保持焊接于PCB焊盘的状态下进行截面切割，以直接对应内部几何结构与测量电感之间的关系。使用高分辨率显微镜观察介质层厚度、电极排列、PCB叠层和焊点。分析发现电容内部电极板相对于安装面可呈水平或垂直取向。第五，在CST Studio中建立仿真模型。PCB模型仅保留顶层安装结构、第一与第二层之间的介质以及第二层参考平面，去耦电容根据截面结果建模，内部多层电极采用实心导体块简化，并在电容与焊盘之间加入焊料层，激励端口设置在电源过孔的参考平面反焊盘处。
研究结果主要包括以下几个方面。第一，大规模测量揭示了不同去耦电容类型的Labove分布。在100 MHz频率下，31种电容的Labove值呈现出与封装尺寸总体相关但存在显著重叠的趋势，尤其是0603和0805电容之间的电感分布重叠明显。第二，将实测Labove与厂商提供的ESL进行了对比，同时与广泛使用的ESL+Labove_short方法进行了比较。Labove_short通过将电容替换为短接导体来仿真安装结构引入的电感。模拟得到的0402、0603、0805和1206对应的Labove_short分别为548.24 pH、599.5 pH、577.41 pH和706.93 pH。然而，比较发现该方法与实测Labove之间存在显著差异。原因在于短接导体本身会引入额外电感，且该方法忽略了电容安装后与PCB结构之间的耦合效应。这表明ESL+Labove_short方法无法准确预测实际安装后的总电感，必须采用完整的Labove回路模型来考虑特定安装条件下的耦合作用。第三，仿真与测量结果对比验证了模型的有效性。基于截面数据建立的模型仿真结果与实测数据高度相关，超过90%的数据差异小于10%。差异主要来源于PCB制造公差。第四，样品间变异性分析表明，同型号电容的Labove变异通常保持在10%以内，说明测量结果可靠。但相同封装尺寸下不同电容值的电容之间Labove差异更大，这主要归因于不同内部结构对回流路径的影响。第五，几何参数与Labove的关系分析发现，Labove与内部电极板平行于安装面的宽度呈负相关，与内电极板底部至回流平面的高度呈正相关。对每种封装尺寸，宽度和高度与Labove均呈近似线性关系。通过计算不同封装尺寸的平均宽度、高度、长度和Labove的比值，发现Labove比值与高度比值最为接近，表明高度是对Labove影响最大的几何参数，而宽度和长度也有一定贡献。这解释了为何0603与0805电容尽管宽度和长度不同，但由于高度相近，Labove值水平相近。第六，安装取向对Labove的影响分析表明，水平取向和垂直取向的电容器在宽度上无明显差异，但在0402和0603电容中，垂直取向时高度略大，导致Labove略高；而在0805电容中，两种取向的高度几乎相同，因此Labove相近。这说明安装取向造成的电感差异主要源于内电极板到外壳之间间隙的变化，而非此前文献所认为的内部电流路径差异。
本研究的结论指出，去耦电容的内部几何结构和安装结构对电感性能有显著影响。与传统认知不同，较大封装电容并不必然导致更高的回路电感。由于将过孔放置在焊盘外边缘的设计能够突出电容内部结构对Labove的影响，本研究揭示了内部结构对电流路径的直接作用。对31种去耦电容在四个封装尺寸下的测量和截面分析，为去耦电容选择与PCB设计提供了有价值的依据。尤其是0603与0805电容器之间重叠的电感范围以及高度参数的强影响，为实际工程中的电容选型提供了新的视角。同型号电容之间的制造变异通常不超过10%，但在不同电容值类型之间存在更大的电感波动。此外，安装取向的影响相对较小，主要体现为高度差异引起的轻微Labove变化。这些发现对发展基于物理的PEEC模型以及结合机器学习技术优化电容设计具有重要意义。
本研究的亮点包括：第一，对31种去耦电容、四个封装尺寸、每种六个样品进行了系统测量与截面分析，是目前该领域少见的大规模统计性研究。第二，揭示了ESL+Labove_short这一常用建模方法在预测实际安装电感时的根本缺陷，论证了完整Labove回路建模的必要性。第三，通过对内部电极宽度与高度的定量分析，明确了高度是影响Labove的最关键几何参数，并合理解释了不同封装尺寸之间电感重叠的现象。第四，通过截面定向分析，澄清了电容安装取向对电感影响的真实机制，修正了既有文献中的认识。第五，采用测量-截面-仿真三者结合的方法验证了简化实心导体块建模策略的准确性和可靠性，为未来去耦电容互连电感的快速准确建模提供了有效方法。