电子元器件体积越小越好吗

简 介： 近期看到Robin Kearey的一篇博文 SMALLER IS SOMETIMES BETTER: WHY ELECTRONIC COMPONENTS ARE SO TINY[1] ，详细剖析了电子器件的微型化所带来的影响。

如果你还在想猖獗压缩电路体积的话，看看他的剖析大概会让你镇静下来。

”

关键词： 摩尔定律，表贴器件

  大概在电子领域中能够排在 欧姆定律[2] 之后，处于老二地位的就数 摩尔定律[3] 答：芯片中可以集成的晶体管每经由两年旁边就会增加一倍。
既然芯片的物理尺寸大体保持不变，那么就意味着单个晶体管随着韶光就要变得更小。
我们习气于看到新一代芯片中的特色尺寸稳定持续变得更小，但这种小究竟意味着什么呢？是否小就等同于好呢？

01 越小性能越好

  在过去的一个世纪中，电子技能得到了飞速发展。
在1920年，当是最好的中波收音机内包含有多个中真空管、很多体积硕大的电感、电容以及电阻，几十米长的电线作为吸收天线，用于供电的电池组的体积霸占了很大的空间。

  如今，可以收听十几个电台的收音机可以轻松装在你的口袋里，赞助的功能也极其丰富。
但尺寸的减小并不仅仅为了便于携带：而是实现我们期望高性能的关键成分。

▲ 图1.1 基于电子管的电路

  元器件尺寸的减小的最为明显的好处便是可以在同样体积内实现更多的功能，这对付数字电路尤其关键：更多的元器件，使得你可以在相同的韶光内做更多的事情。
比如一个64位的处理器，理论上可以在同样的时钟频率下完成8位处理器的八倍的信息处理，为实现这一点，它也同样须要八倍的电子元件：包括寄存器、累加器、总线宽度以及其他部件都会有八倍数量的提升。
以是你须要有一个八倍尺寸的芯片，或者组成电路的元器件的尺寸小八倍。

  对付存储器也是相同的：更小的电子元器件可以在相同的体积存储更多的信息。
现在的显示器的像素是由薄膜三极牵制作，以是减少期间的尺寸可以提高显示器的分辨率。
然而除此之外还有更加关键上风来自于更小的晶体管，那便是它们的性能也随着体积的减小而得更显著的提高。
这是为啥呢？

02 寄生元器件

  你制作一个三极管的同时还免费得到一些附加的器件。
在每个三极管引脚都会有电阻。
然后流过电流的通路都会有寄生电感。
任何两个相对的导体之间也会有寄生电容。
这些寄生元器件会花费更多的电能，减缓晶体管运行速率。
寄生电容对速率的影响最为主要：在晶体管开关状态过程中，都会引起寄生电容的充放电，这都须要韶光和花费电源电流。

▲ 图2.1 三极管电路中的寄生电容

  两个导体之间的寄生电容与它们的体积干系：小的尺寸意味着寄生电容更小。
更小的寄生电容则意味着更快的运行速率和更低的电能花费，以是更小的晶体管可以运行在更高的时钟频率，同时所花费的电能也越小。

  降落晶体管的尺寸不仅仅减少了寄生电容，一些怪异的量子征象也会呈现，这在大尺寸晶体管中并不明显。
常日小的晶体管可以运行更快，但除了三极管之外，还有其他器件影响电路的运行，当其他器件体积减小时，情形会变得若何？

03 并非总是更好

  一样平常情形下，一些无源器件，比如电阻、电容、电感等，它们并不会由于体积减小而变得更好，反而在某些方面情形变得更糟。
减少它们的体积很大缘故原由是为了在更小的空间内放进更多的器件，节省PCB空间。

  电阻的尺寸减小每每不会带来麻烦。
一块物质的电阻是由决定，个中是长度，是横截面积，是材料的电阻率。
你可以将电阻的长度和横截面积等比例减小，材料不变，就可以得到相同阻值的电阻。
唯一的坏处便是小尺寸的电阻花费同样的功率，比起大尺寸的电阻所引起的温度的升高更大。
下面表格给出了表面封装电阻的最大功耗随着它们的尺寸降落而减小。

【表3-1 不同尺寸的电阻所许可花费的最大功率】

Metric Imperial Power rating (W) 2012 0805 0.125 1608 0603 0.1 1005 0402 0.06 0603 0201 0.05 0402 01005 0.031 03015 009005 0.02

  现在最小封装的表贴电阻是03015（0.3mm0.15mm），许可最大功耗仅有20mW，它们只能运用在功耗非常低以及尺寸哀求非常苛刻的场合。
更小封装的电阻0201（0.2mm0.1mm）也已上市，但并没有量产，虽然已经涌如今供应商产品手册中，但别指望它们派上实际用场。
一些自动贴片机器人乃至都无法准确摆动这些眇小的电阻，以是现在它们仍属于井中玉轮。

  电容的尺寸减少，电容容量也减小，两块平行电极之间的电容容量为：，个中是电容极板面积，是极板间间隔，是绝缘材料的介电常数。
你减小了电容尺寸，对应的面积也减小了，以是造成了电容容量降落。
如果你还想得到相同nF的电容，你只有将多个小电容堆叠一起来增加容量。
幸亏电容材料的改进和工艺的发展，使得极板间距变得更小，材料介电常数增加，这使得过去几十年间，电容的体积变得非常眇小了。

▲ 图3.1 电容构造以及电容的封装

  如今的电容封装可以小到0201， 只有0.25mm0.125mm大小，它们的容量可以达到100nF，耐压最大超过6.3V，这可以知足大多数电路中的哀求。
同样，眇小的体积哀求更加精密的自动贴片机器装置，这限定了小型电容的推广利用。

  对付电感，减小体积变得棘手。
一个线圈的电感为：。
个中是线圈匝数，是线圈的横截面积，是线圈长度，是磁性材料的导磁率。
如果你将尺寸都缩减到原来的一半，电感容量也会降落一半。
然而线圈的等效串联电阻保持不变：这是由于线圈的横截面积与长度都减小到原来的四分之一，以是电感量减半，电阻不变，电感的品质因数（Q）也减半。

  现在商用的最小分立电感器件的封装为01005，（0.4mm0.2mm），对应的电感为56nH，电阻是几个欧姆，早在2014年就宣告上市的0201封装的电感现在连毛都没有见到。

▲ 图3.2 肉眼险些无法分辨的0201封装的电容

  可以在某些石墨烯制作的线圈中不雅观察到动能电感(kinetic inductance)物理征象，这可以形成更加眇小的电感。
但如果想真正到商用化，这也只能将现有电感体积减小50%。
在高频电路中，比如GHz频率范围，几个nH的电感就可以利用了。

04 其它成分

  还有一个未被人把稳到的成分使得推动着几个世纪以来元器件小型化的进程，那便是电路事情频率的提升，对应着旗子暗记的波长的减小。
早期无线电广播利用中波调幅旗子暗记，频率大约1MHz，电磁波长为300米。
1960开始，调频广播开始盛行，它则利用100MHz，对应的波长为3米。
如今我们所利用的4G通讯，利用的1 ~ 2GHz的电磁波，波长之后20厘米。
高的频率对应可以传输更多的信息，器件提及降落使得本钱低落，可靠性以及功耗都得以改进。

  减小波长也可以缩小天线尺寸，这是由于天线尺寸正比于发送和吸收电磁波旗子暗记的波长。
现在的手机不再须要突出的天线得益于它所利用的GHz旗子暗记频段，此时天线只须要一个厘米大小。
以是现在一些可以吸收调频广播的手机仍旧须要用户佩戴耳机收听，它须要耳机的引线来作为广播天线来吸收电台的电磁旗子暗记，它的波终年夜约3米。

  连接天线的电路板，也由于尺寸变小而随意马虎生产。
这不仅由于晶体管的速率变快，同样是由于在小体积小旗子暗记连线的传输线效应减小，电路中如果引线的长度超过旗子暗记波长十分之一的时候，就须要考虑引线传输所带来的旗子暗记相位变革的影响。
在2.4GHz的电路中，一位置一个厘米长的电路引线就能够影响电路事情，这会使得你将分立器件焊接起来变得令人头痛，但在一个几个毫米见方内利用眇小封装器件构成的电路中就不会有太大的影响了。

05 未来是啥样？

  现在技能杂志中常常反复涌现的说法便是摩尔定理的失落效，或不断给出这些预测出错的缘故原由。
但事实上，半导体中的三巨子，英特尔、三星和台积电仍旧在努力将更多的器件压缩进方寸之中，并方案未来更多芯片改进工艺。
虽然比不上20年前改进步伐那么显著，但晶体管尺寸的降落一如既往。

  但对付其它分立器件我们彷佛到了它们的自然极限：尺寸的降落非但不能带了性能的提高，而且也超出了大多数运用处所的需求。

  彷佛对付分立器件来说，并没有什么摩尔定律，如果有的话，我更愿看到有谁能完成焊接这些标贴器件的寻衅。

▲ 图5.1 表贴器件焊接寻衅

参考资料

[1]

SMALLER IS SOMETIMES BETTER: WHY ELECTRONIC COMPONENTS ARE SO TINY: https://hackaday.com/2021/11/08/smaller-is-sometimes-better-why-electronic-components-are-so-tiny/

[2]

欧姆定律: https://byjus.com/physics/ohms-law/

[3]

摩尔定律: https://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law