5G 이동통신 인프라를 위한 핵심 설계 요소인 커패시터

2018년에 공개되기 전부터 5세대(5G) 셀룰러 무선 주파수(RF) 통신 프로토콜은 개인 사용자, 산업용 기계, 클라우드 컴퓨팅 서버가 데이터를 전송하고 수신하는 방식에 훨씬 강력한 개선을 약속해 왔습니다. 국제 모바일 이동통신-2020(IMT-2020) 요구 사항에 따라 3세대 파트너십 프로젝트(3GPP)가 제정한 5G 표준은 이전 4G 표준보다 10배에서 100배 더 빠른 최대 10Gbps의 데이터 전송률을 요구합니다. 또한, 단위 면적당 대역폭을 1000배 향상시켜, 4G LTE 프로토콜에 비해 해당 면적에서 100배 더 많은 장치를 연결할 수 있도록 합니다. 동시에 네트워크 기지국 및 연결된 장치 모두에 대해 99.999%의 네트워크 가용성과 에너지 사용 감소를 요구합니다.

2025년 중반까지, 북미의 1억 8200만 건을 포함하여 전 세계적으로 22억 5천만 건 이상의 5G 연결이 이루어졌습니다. 네트워크 설계자는 5G 주파수와 프로토콜만 지원하는 독립형(SA) 장비로 전환하여 보다 빠른 업로드 및 다운로드 속도를 제공할 뿐만 아니라 1ms의 낮은 네트워크 지연 시간과 함께 고급 산업용 사물 인터넷(IIoT) 및 기계 간(M2M) 통신을 지원합니다.

5G 인프라를 구축하기 위한 새 장비의 개발로 유비쿼터스 커패시터를 비롯하여 모든 유형의 전자 부품에 대한 수요가 증가했습니다. 5G 응용 분야에서 커패시터는 원치 않는 주파수를 걸러내고, RF 간섭을 제거하며, 인덕터와 함께 안테나를 조정하고, 전력 레일을 감결합하여 전압 레벨을 안정화하고, 안테나 연결의 균형을 유지합니다. 5G 지원 장치 및 셀룰러 기지국을 설계하는 엔지니어는 각 응용 제품의 성능, 크기, 비용 요구 사항을 충족하는 커패시터를 선택해야 합니다.

5G 안테나 응용 분야용 커패시터

5G 인프라용 안테나는 고주파 RF 영역의 세 가지 주요 대역(2GHz 미만의 저대역, 2GHz ~ 6GHz의 중대역, 24GHz ~ 100GHz의 고대역)을 지원합니다. 다층 세라믹 커패시터(MLCC)는 인덕터와 함께 사용되어 특정 무선 주파수에 맞출 수 있는 안테나 발진기를 형성합니다. 5G 인프라용 커패시터는 프로토콜의 더 높은 주파수를 처리할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: MLCC는 RF 통신 스펙트럼에 걸쳐 사용됩니다. 엔지니어는 5G 인프라에 사용되는 더 높은 RF 전류를 관리하기 위해 커패시터를 신중하게 선택해야 합니다(이미지 출처: KEMET Corporation).

이러한 커패시터 라인은 KEMET의 HiQ-CBR 계열입니다(그림 2). 이 계열의 부품은 0.1pF ~ 100pF의 정전 용량 값을 가지며, 과열 또는 정전 용량 속성의 손실 없이 1MHz ~ 50GHz의 주파수에서 장기적으로 작동하도록 설계되었습니다. HiQ-CBR 커패시터는 Class I 유전체를 사용하므로 -55°C ~ +125°C의 온도에서 작동할 수 있으며 정전 용량 변화는 ±30ppm/°C 미만입니다. 커패시터 성능은 또한 6.3V ~ 500V의 DC 전압 범위에서 안정적이며 시간이 지나도 노화가 발생하지 않습니다.

그림 2: HiQ-CBR 커패시터는 5G 인프라에 사용되는 더 높은 주파수를 용이하게 하도록 설계된 MLCC입니다. Class I 세라믹 유전체는 표면 실장 장치(SMD)에서 비금속 컨덕터 및 무광 주석으로 마감된 엔드 캡과 함께 사용됩니다(이미지 출처: KEMET Corporation).

HiQ-CBR 커패시터는 여러 층의 비금속 전극(이 경우 구리)으로 구성되어 있으며(그림 3), 세라믹(이 경우 Class I, C0G 유전체인 CaZrO₃)에 의해 분리/내장되어 있습니다. 금속 엔드 캡은 전극에 대한 전기적 연결을 제공하고 이 표면 실장 장치(SMD)를 인쇄 회로 기판(PCB)에 손쉽게 납땜할 수 있도록 합니다.

그림 3: HiQ-CBR 계열의 커패시터와 같은 MLCC는 세라믹 유전체 내에 여러 내부 전극 층이 내장되어 있으며 엔드 캡에 금속 연결부가 있습니다(이미지 출처: KEMET Corporation).

HiQ-CBR 커패시터의 금속과 구조는 손실 인자(DF)의 반대인 품질 계수 Q로 표시되는 저손실 성능을 제공합니다. 30pF 이상의 정전 용량 값을 갖는 HiQ-CBR 커패시터는 1MHz ±100kHz 및 1.0 ±0.2V_RMS에서 테스트 시 1,000 이상의 Q를 제공합니다. 이 제품 라인의 저 정전 용량 커패시터의 경우 Q = 400 + 20C입니다(여기서 C는 정전 용량 값입니다).

고주파 RF 응용 분야를 위한 전자 부품을 설계하는 엔지니어는 또한 높은 자기 공진 주파수(SFR)를 구현하는, 낮은 등가 직렬 저항(ESR)과 낮은 등가 직렬 유도 용량(ESL)을 가진 커패시터를 찾습니다. SRF는 커패시터가 공진으로 인해 정전 용량을 잃고 인덕터처럼 동작하게 되는 주파수이므로 작동 주파수보다 훨씬 높아야 합니다. HiQ-CBR 커패시터는 600MHz(100pF 커패시터) ~ 12,000MHz(0.1pF 커패시터)의 SRF 범위를 가집니다.

HiQ-CBR 커패시터는 엔드 캡에 무광 주석 마감을 사용하여 표준 PCB에 납땜할 수 있도록 설계되었습니다. 이 커패시터는 0201(0.2" x 0.1"), 0402(0.4" x 0.2"), 0603(0.6" x 0.3"), 0805(0.8" x 0.5")를 비롯한 일반적인 케이스 크기로 제공되고 무연 인증을 받았으며 RoHS를 준수합니다.

HiQ-CBR 계열에서 제공되는 성능 특성과 폼 팩터를 가진 커패시터는 RF 전력 증폭기(PA), 무선 근거리 통신망(LANs), 글로벌 위치 지정 시스템(GPS) 네트워크, Bluetooth 통신과 함께 5G 셀룰러 기지국 및 이동통신 네트워크에서 효과적으로 작동합니다. 이러한 커패시터는 또한 DC 차단, 필터링, 임피던스 정합, 커플링, 바이패스와 같은 신호 처리 작동에서도 사용됩니다.

간섭 및 신호 잡음을 줄이기 위해 설계자는 Wi-Fi 대역 및 5G용 KEMET FLEX SUPPRESSOR®와 같은 제품을 추가할 수도 있습니다. 시트 또는 롤 형태의 이 고분자-금속 복합재(그림 4)는 유연한 고분자 베이스 전체에 걸쳐 미크론 크기의 자성 분말이 분산되어 있어 전자파나 공진을 억제하고, 자기 플럭스 수렴을 향상시키거나, 전자 장치가 3GHz ~ 40GHz에 이르는 5G 대역 주파수에서 발생시키는 잡음을 줄여줍니다.

그림 4: Wi-Fi 대역 및 5G용 FLEX SUPPRESSOR®는 미크론 크기의 자성 분말과 혼합된 연성 고분자입니다. 사용자는 전자기 공진을 줄이거나 자기 플럭스 수렴을 증가시키기 위해 시트를 크기에 맞게 절단하여 사용할 수 있습니다(이미지 출처: KEMET Corporation).

발진기를 넘어 5G 인프라를 위한 커패시터

커패시터는 또한 DC/DC 컨버터, 전력 손실 보호, 무접점 구동기, 라우터, 스위치와 같은 여러 다른 5G 인프라 응용 분야에 사용됩니다. 높은 정전 용량 값으로 알려진 고분자 전해 커패시터와 리플 전류를 처리할 수 있는 금속화 필름 커패시터는 특정 응용 분야에서 MLCC보다 뛰어난 성능 또는 우수한 체적 효율을 제공합니다.

고분자 전해 커패시터의 한 가지 유형으로 KEMET의 T523 계열을 들 수 있습니다(그림 5). 이러한 커패시터에서 탄탈룸 코어인 애노드는 먼저 오산화 탄탈룸(Ta₂O₅) 유전체층으로 둘러싸여 있고, 그 위에 마찬가지로 탄탈룸을 포함한 전도성 고분자 전해질층으로 감싸져 있습니다. 이 층은 세 번째 탄소층 및 네 번째 은층과 결합되어 캐소드를 형성합니다.

그림 5: T523 고분자 전해 커패시터는 탄탈룸 애노드와, 캐소드의 일부를 형성하는 탄탈룸-고분자 전해질로 구성되어 있습니다. 성형된 에폭시 케이스는 표면 실장 기술(SMT)을 통해 PCB에 부착됩니다(이미지 출처: KEMET Corporation).

T523 계열 커패시터는 47µF ~ 1,000µF 범위의 정전 용량 값을 가지며 이는 6.3V ~ 35V의 정격 전압 범위에 걸쳐 안정적으로 유지됩니다. ESR은 30mΩ ~ 100mΩ으로 낮아 최대 1MHz의 정격 주파수까지의 안정성에 기여합니다.

고분자 전해 기술은 KEMET의 A798 계열 고분자 알루미늄 유기 커패시터에도 사용됩니다(그림 6). 이 커패시터는 알루미늄 애노드와 결합된 고체 전도성 고분자 캐소드를 사용하여 470µF의 정전 용량을 달성합니다. 이러한 정전 용량은 2V ~ 2.5V의 작동 전압에 걸쳐 안정적으로 유지됩니다. 이러한 커패시터의 ESR은 3mΩ ~ 9mΩ이며, 약 100kHz의 주파수에서 정전 용량이 피크일 때 최저 ESR 값을 나타냅니다.

그림 6: A798 계열 고분자 전해 커패시터는 알루미늄 애노드와 알루미늄 고분자 캐소드로 구성되어 있습니다. 그 결과로, 커패시터는 뛰어난 온도 안정성과 높은 정전 용량을 제공합니다(이미지 출처: KEMET Corporation).

MLCC와 같이 이 두 커패시터 유형 모두는 -55°C ~ +125°C에서 작동하도록 정격화되어 있습니다. 그러나 MLCC와 달리 고분자 기반 커패시터는 작동 온도 및 습도에 따라 유한한 작동 수명을 가집니다. T523 커패시터는 정격 전압 및 +85°C에서 2,000시간 정격을 제공하고, A798 커패시터는 수명 연장을 위해 정식화된 경우 정격 전압 및 +125°C에서 5,500시간 이상 지속됩니다. 두 유형의 커패시터 모두 +85°C 미만의 온도에서 정격 전압을 기준으로 10시간 이상을 견딜 수 있습니다.

두 고분자 전해 라인 모두 SMT와 작동하며 0.138" ~ 0.287" 길이, 0.110" ~ 0.236" 너비, 0.043" ~ 0.110" 높이의 유사한 크기로 제공됩니다. MLCC보다 몇 자릿수 이상 높은 정전 용량을 제공할 수 있는 이 고분자 전해 커패시터는 높은 체적 효율을 갖습니다. 이를 사용하는 응용 분야에서, 고분자 전해 커패시터는 MLCC보다 작은 실장 면적에서 동등하거나 더 높은 정전 용량을 공급할 수 있습니다.

DC/DC 컨버터에 자주 사용되는 또 다른 유형의 커패시터는 전기 분해 방식이 아니라 정전 방식으로 작동하는 금속화 필름 펄스 커패시터(그림 7)입니다. 이 커패시터는 한쪽 면이 금속으로 코팅되어 있거나 금속 코팅된 폴리에스테르로 산재되어 있거나 금속 호일로 적층된 비전도성 폴리프로필렌 필름 유전체 층으로 구성됩니다.

그림 7: 금속화 필름 커패시터는 일반적으로 스루홀 기술(THT)을 통해 PCB에 부착됩니다. 낮은 손실 인자를 통해 전력 변환에서 고 dv/dt 응용 제품과 리플 전류를 관리할 수 있습니다(이미지 출처: KEMET Corporation).

KEMET의 금속화 필름 펄스 커패시터는 여러 5G 인프라 응용 제품에 맞도록 다양한 크기와 속성으로 제공됩니다. 엔지니어는 40pF과 100µF 사이의 정전 용량과 100V와 2,500V 사이의 DC 전압을 기준으로 제품을 선택할 수 있습니다(그림 8). 이 유형의 커패시터의 ESR은 0.5mΩ ~ 6.366Ω 범위입니다.

해당 실장 면적은 최소 0.283" x 0.098" 또는 최대 1.634" x 1.181" 크기입니다. 대부분의 금속화 필름 펄스 커패시터는 구멍을 통해 PCB에 부착되므로 0.236" ~ 1.776"의 약간 더 높은 높이를 가집니다.

그림 8: 금속화 필름 커패시터는 폴리프로필렌 필름 유전체에 금속층이 적층되어 있습니다. 이 커패시터는 일반적으로 THT를 통해 PCB에 부착됩니다(이미지 출처: KEMET Corporation).

결론

5G 이동통신 인프라의 설계는 약속된 이점만큼의 과제를 제시합니다. 고주파를 위한 저 정전 용량을 제공하는 MLCC부터 훨씬 강력한 정전 용량을 가진 고분자 전해 커패시터, 전압 및 리플 전류의 변화에 견딜 수 있는 금속화 필름 커패시터에 이르는 모든 유형의 커패시터는 오늘과 미래의 5G 인프라에서 중요한 역할을 맡고 있습니다.