射頻/微波電路中的薄膜無源器件
發布時間:2010-10-26
中心議題:
就jiu在zai不bu久jiu之zhi前qian,大da多duo數shu微wei波bo電dian容rong器qi還hai都dou基ji於yu多duo層ceng陶tao瓷ci燒shao製zhi技ji術shu。在zai生sheng產chan過guo程cheng中zhong,多duo層ceng高gao導dao電dian性xing的de金jin屬shu合he金jin電dian極ji層ceng和he低di損sun耗hao的de陶tao瓷ci絕jue緣yuan層ceng交jiao錯cuo排pai列lie,從cong而er得de到dao所suo需xu要yao的de電dian容rong值zhi。然ran後hou,將jiang合he成cheng的de疊die層ceng進jin行xing高gao溫wen燒shao製zhi,將jiang其qi燒shao結jie成cheng單dan片pian結jie構gou。這zhe一yi工gong藝yi目mu前qian仍reng然ran很hen好hao地di滿man足zu大da容rong量liang射she頻pin電dian容rong器qi以yi及ji大da功gong率lv電dian容rong器qi的de需xu要yao。
不過,多duo層ceng陶tao瓷ci工gong藝yi可ke能neng會hui導dao致zhi不bu同tong批pi次ci產chan品pin以yi及ji同tong一yi批pi次ci不bu同tong產chan品pin之zhi間jian的de某mou些xie參can數shu出chu現xian差cha異yi,而er這zhe些xie參can數shu對dui射she頻pin設she計ji人ren員yuan來lai說shuo是shi十shi分fen重zhong要yao的de,如ruQ值、ESR,絕(jue)緣(yuan)電(dian)阻(zu)的(de)變(bian)化(hua)以(yi)及(ji)電(dian)容(rong)值(zhi)在(zai)整(zheng)個(ge)指(zhi)定(ding)的(de)容(rong)差(cha)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)變(bian)化(hua)。盡(jin)管(guan)在(zai)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)中(zhong),這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)變(bian)化(hua)並(bing)不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang),目(mu)前(qian)在(zai)薄(bo)膜(mo)元(yuan)件(jian)生(sheng)產(chan)領(ling)域(yu)的(de)技(ji)術(shu)突(tu)破(po)為(wei),設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)提(ti)供(gong)了(le)生(sheng)產(chan)高(gao)頻(pin)微(wei)波(bo)元(yuan)件(jian)的(de)一(yi)種(zhong)替(ti)代(dai)方(fang)案(an)。
生產半導體所使用的薄膜技術也可以同樣用於生產具有嚴格的電氣和物理特性的薄膜無源元件。線寬尺寸和絕緣層厚度可分別達到1μm和10nm以下。
嚴格的線寬尺寸帶來了嚴格的參數容差(電感值和電容值),此(ci)外(wai),其(qi)他(ta)幾(ji)項(xiang)電(dian)氣(qi)性(xing)能(neng)優(you)勢(shi)也(ye)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)進(jin)一(yi)步(bu)優(you)化(hua)。由(you)於(yu)采(cai)用(yong)了(le)高(gao)真(zhen)空(kong)電(dian)極(ji)沉(chen)積(ji)工(gong)藝(yi),不(bu)同(tong)批(pi)次(ci)產(chan)品(pin)之(zhi)間(jian)以(yi)及(ji)同(tong)一(yi)批(pi)次(ci)不(bu)同(tong)產(chan)品(pin)之(zhi)間(jian)的(de)ESR值極其穩定。而通過化學氣相沉積工藝(CVD)得到的超純淨、低K值的絕緣層使得Q值和ESR值都十分穩定。在很寬的頻率範圍內阻抗值具有穩定性和可預測性。平麵柵格陣列(LGA)封裝工藝使其能夠降低寄生參數。
薄bo膜mo元yuan件jian的de這zhe些xie性xing能neng優you勢shi會hui對dui設she計ji產chan生sheng影ying響xiang。通tong常chang,對dui於yu實shi現xian某mou一yi特te定ding電dian路lu功gong能neng,可ke以yi減jian少shao所suo需xu的de元yuan件jian數shu量liang。通tong過guo減jian少shao所suo用yong的de元yuan件jian數shu量liang,不bu但dan會hui減jian小xiao設she計ji尺chi寸cun,還hai會hui節jie省sheng組zu裝zhuang時shi間jian和he降jiang低di組zu裝zhuang費fei用yong,同tong時shi提ti高gao產chan品pin的de可ke靠kao性xing。此ci外wai,由you於yu元yuan件jian的de電dian氣qi性xing能neng更geng加jia穩wen定ding,損sun耗hao更geng低di,應ying用yong此ci元yuan件jian的de產chan品pin的de整zheng體ti電dian氣qi性xing能neng也ye會hui得de到dao提ti升sheng。
實例:帶阻濾波器
daizulvboqijiushibomoyuanjiandeyigeshijiyingyong。daizulvboqidedianlushejishizuzhitedingshepinpinpudexinhaotongguoeryunxuqitaxinhaowushuaijiantongguo。tayechangbeichengweixianbolvboqi、帶止濾波器或頻帶抑製濾波器。帶阻濾波器常用於功率放大器和天線前麵的匹配電路之間。
以一個典型應用為例。複雜的、fugaifanweiguangdeduodaiwuxiandianjieshouqichanghuiyiwaichanshengchapinhexiebo,zhaidaixianbolvboqijiuyongyushuaijianzhexiechapinhexiebo。youyubomojinhuwanmeidetexing,shiyongyigegaopinzhibomodianrongqijiukeyitihuandiaoshuangT形設計中所使用的6個元件。
薄膜電容器(如圖1所示)還具有一項前麵沒有提及的性能優勢:它的響應隻有1個諧振點,因為這種器件使用單絕緣層設計封裝成多層陶瓷電容器(MLCC)。圖2顯示了這種薄膜電容器的部分S21前向傳輸損耗特性曲線。

圖1薄膜電容器的結構[page]

圖2S21前向傳輸損耗特性曲線
製造廠商選用薄膜電容器元件,不但可以獲得單層電容器優越的電氣性能,還可以盡享MLCC類型元件應用的便利之處。圖3顯示了薄膜電容器性能的穩定性對電極和氧化層厚度的影響,以及其質量對絕緣層K值的影響。

圖3與MLCC相比,薄膜電容器的頻率響應具有優異的可重複性
我wo們men必bi須xu認ren識shi到dao薄bo膜mo電dian容rong器qi用yong作zuo帶dai阻zu濾lv波bo器qi是shi具ju有you局ju限xian性xing的de。因yin為wei薄bo膜mo電dian容rong器qi通tong常chang隻zhi能neng提ti供gong小xiao電dian容rong值zhi,所suo以yi它ta們men局ju限xian於yu頻pin率lv相xiang對dui較jiao高gao的de帶dai阻zu濾lv波bo器qi設she計ji。如ru果guo涉she及ji到dao低di頻pin設she計ji,必bi須xu采cai用yong其qi他ta的de濾lv波bo器qi方fang法fa,通tong常chang是shi使shi用yong高gaoQ值的多層射頻電容器。
薄膜電感
與空氣芯電感相比,薄膜電感具備許多實用的優點(盡管它們無法達到相同的Q值)。在表麵貼裝過程中,薄膜電感要比空氣芯電感更便於抓取和放置。應用目前裝配中通用的IR、zhengqixiangfahebogongyiyehenfangbianduiqijinxingchuli。ciwai,bomodianganzaizhexiechuliguochengzhongyijibanyunheqiangzhendonghuanjingzhongdounenggoubaochidianganzhibubian。jinguantamenbunengxiangkongqixindiangannayangzaidianluzhongjinxingtiaoxie,danshiyidanquedingleshixianyidingdianlugongnengsuoxuyaodezhunquedianganzhi,jiukeyishiyongbomodianganlaitidaikongqixindiangan(假定Q值能夠滿足需要)。
與薄膜電容器的情況相仿,薄膜電感的ESR和損耗顯著降低,這得益於線寬控製以及絕緣層沉積的質量/精度。這使得成品尺寸可以減小到0402封裝,並可以實現幾乎任何所需的電感值,同時容差精度接近0.05nH。此外,穩定的金屬化工藝使得薄膜電感具備了較高的載流能力:不同產品之間載流能力存在差別,最高可達1000mA。
薄膜電感可用於寬帶放大器的頻率補償。以前使用的是電阻/電感組合。同薄膜電容器的情況一樣,使用薄膜電感器可以減少電路中使用的元件數量,從而減小成品尺寸、降低重量、簡化裝配、降低成本並提高可靠性。
如同薄膜電容器一樣,薄膜電感器隻能提供較小的電感值,所以應用上是存在限製的。
也ye就jiu是shi說shuo,薄bo膜mo電dian感gan器qi可ke以yi為wei設she計ji人ren員yuan在zai極ji高gao頻pin率lv處chu提ti供gong一yi個ge很hen好hao的de解jie決jue方fang案an。一yi個ge常chang見jian的de應ying用yong實shi例li是shi頻pin率lv高gao達da數shu吉ji赫he的de振zhen蕩dang器qi。在zai高gao頻pin處chu,使shi用yong線xian繞rao電dian感gan是shi不bu現xian實shi的de,因yin為wei目mu前qian生sheng產chan電dian感gan值zhi如ru此ci之zhi小xiao的de線xian繞rao電dian感gan的de技ji術shu尚shang不bu具ju備bei。
在這種應用場合,設計人員隻有兩種選擇:使用PCB電路板蛇形走線的線路設計來獲得低電感值的電感,或者選擇微型的表麵封裝薄膜電感器。
其他薄膜元件
應用從製造薄膜電容和薄膜電感中獲取的知識和工藝能力,人們已經開發出許多其他元件,其中包括耦合器和諧波低通濾波器。
- 薄膜無源器件的優勢
- 薄膜電容器在帶阻濾波器中的應用
- 薄膜電感在濾波中的應用
就jiu在zai不bu久jiu之zhi前qian,大da多duo數shu微wei波bo電dian容rong器qi還hai都dou基ji於yu多duo層ceng陶tao瓷ci燒shao製zhi技ji術shu。在zai生sheng產chan過guo程cheng中zhong,多duo層ceng高gao導dao電dian性xing的de金jin屬shu合he金jin電dian極ji層ceng和he低di損sun耗hao的de陶tao瓷ci絕jue緣yuan層ceng交jiao錯cuo排pai列lie,從cong而er得de到dao所suo需xu要yao的de電dian容rong值zhi。然ran後hou,將jiang合he成cheng的de疊die層ceng進jin行xing高gao溫wen燒shao製zhi,將jiang其qi燒shao結jie成cheng單dan片pian結jie構gou。這zhe一yi工gong藝yi目mu前qian仍reng然ran很hen好hao地di滿man足zu大da容rong量liang射she頻pin電dian容rong器qi以yi及ji大da功gong率lv電dian容rong器qi的de需xu要yao。
不過,多duo層ceng陶tao瓷ci工gong藝yi可ke能neng會hui導dao致zhi不bu同tong批pi次ci產chan品pin以yi及ji同tong一yi批pi次ci不bu同tong產chan品pin之zhi間jian的de某mou些xie參can數shu出chu現xian差cha異yi,而er這zhe些xie參can數shu對dui射she頻pin設she計ji人ren員yuan來lai說shuo是shi十shi分fen重zhong要yao的de,如ruQ值、ESR,絕(jue)緣(yuan)電(dian)阻(zu)的(de)變(bian)化(hua)以(yi)及(ji)電(dian)容(rong)值(zhi)在(zai)整(zheng)個(ge)指(zhi)定(ding)的(de)容(rong)差(cha)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)變(bian)化(hua)。盡(jin)管(guan)在(zai)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)中(zhong),這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)變(bian)化(hua)並(bing)不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang),目(mu)前(qian)在(zai)薄(bo)膜(mo)元(yuan)件(jian)生(sheng)產(chan)領(ling)域(yu)的(de)技(ji)術(shu)突(tu)破(po)為(wei),設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)提(ti)供(gong)了(le)生(sheng)產(chan)高(gao)頻(pin)微(wei)波(bo)元(yuan)件(jian)的(de)一(yi)種(zhong)替(ti)代(dai)方(fang)案(an)。
生產半導體所使用的薄膜技術也可以同樣用於生產具有嚴格的電氣和物理特性的薄膜無源元件。線寬尺寸和絕緣層厚度可分別達到1μm和10nm以下。
嚴格的線寬尺寸帶來了嚴格的參數容差(電感值和電容值),此(ci)外(wai),其(qi)他(ta)幾(ji)項(xiang)電(dian)氣(qi)性(xing)能(neng)優(you)勢(shi)也(ye)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)進(jin)一(yi)步(bu)優(you)化(hua)。由(you)於(yu)采(cai)用(yong)了(le)高(gao)真(zhen)空(kong)電(dian)極(ji)沉(chen)積(ji)工(gong)藝(yi),不(bu)同(tong)批(pi)次(ci)產(chan)品(pin)之(zhi)間(jian)以(yi)及(ji)同(tong)一(yi)批(pi)次(ci)不(bu)同(tong)產(chan)品(pin)之(zhi)間(jian)的(de)ESR值極其穩定。而通過化學氣相沉積工藝(CVD)得到的超純淨、低K值的絕緣層使得Q值和ESR值都十分穩定。在很寬的頻率範圍內阻抗值具有穩定性和可預測性。平麵柵格陣列(LGA)封裝工藝使其能夠降低寄生參數。
薄bo膜mo元yuan件jian的de這zhe些xie性xing能neng優you勢shi會hui對dui設she計ji產chan生sheng影ying響xiang。通tong常chang,對dui於yu實shi現xian某mou一yi特te定ding電dian路lu功gong能neng,可ke以yi減jian少shao所suo需xu的de元yuan件jian數shu量liang。通tong過guo減jian少shao所suo用yong的de元yuan件jian數shu量liang,不bu但dan會hui減jian小xiao設she計ji尺chi寸cun,還hai會hui節jie省sheng組zu裝zhuang時shi間jian和he降jiang低di組zu裝zhuang費fei用yong,同tong時shi提ti高gao產chan品pin的de可ke靠kao性xing。此ci外wai,由you於yu元yuan件jian的de電dian氣qi性xing能neng更geng加jia穩wen定ding,損sun耗hao更geng低di,應ying用yong此ci元yuan件jian的de產chan品pin的de整zheng體ti電dian氣qi性xing能neng也ye會hui得de到dao提ti升sheng。
實例:帶阻濾波器
daizulvboqijiushibomoyuanjiandeyigeshijiyingyong。daizulvboqidedianlushejishizuzhitedingshepinpinpudexinhaotongguoeryunxuqitaxinhaowushuaijiantongguo。tayechangbeichengweixianbolvboqi、帶止濾波器或頻帶抑製濾波器。帶阻濾波器常用於功率放大器和天線前麵的匹配電路之間。
以一個典型應用為例。複雜的、fugaifanweiguangdeduodaiwuxiandianjieshouqichanghuiyiwaichanshengchapinhexiebo,zhaidaixianbolvboqijiuyongyushuaijianzhexiechapinhexiebo。youyubomojinhuwanmeidetexing,shiyongyigegaopinzhibomodianrongqijiukeyitihuandiaoshuangT形設計中所使用的6個元件。
薄膜電容器(如圖1所示)還具有一項前麵沒有提及的性能優勢:它的響應隻有1個諧振點,因為這種器件使用單絕緣層設計封裝成多層陶瓷電容器(MLCC)。圖2顯示了這種薄膜電容器的部分S21前向傳輸損耗特性曲線。

圖1薄膜電容器的結構[page]

圖2S21前向傳輸損耗特性曲線
製造廠商選用薄膜電容器元件,不但可以獲得單層電容器優越的電氣性能,還可以盡享MLCC類型元件應用的便利之處。圖3顯示了薄膜電容器性能的穩定性對電極和氧化層厚度的影響,以及其質量對絕緣層K值的影響。

圖3與MLCC相比,薄膜電容器的頻率響應具有優異的可重複性
我wo們men必bi須xu認ren識shi到dao薄bo膜mo電dian容rong器qi用yong作zuo帶dai阻zu濾lv波bo器qi是shi具ju有you局ju限xian性xing的de。因yin為wei薄bo膜mo電dian容rong器qi通tong常chang隻zhi能neng提ti供gong小xiao電dian容rong值zhi,所suo以yi它ta們men局ju限xian於yu頻pin率lv相xiang對dui較jiao高gao的de帶dai阻zu濾lv波bo器qi設she計ji。如ru果guo涉she及ji到dao低di頻pin設she計ji,必bi須xu采cai用yong其qi他ta的de濾lv波bo器qi方fang法fa,通tong常chang是shi使shi用yong高gaoQ值的多層射頻電容器。
薄膜電感
與空氣芯電感相比,薄膜電感具備許多實用的優點(盡管它們無法達到相同的Q值)。在表麵貼裝過程中,薄膜電感要比空氣芯電感更便於抓取和放置。應用目前裝配中通用的IR、zhengqixiangfahebogongyiyehenfangbianduiqijinxingchuli。ciwai,bomodianganzaizhexiechuliguochengzhongyijibanyunheqiangzhendonghuanjingzhongdounenggoubaochidianganzhibubian。jinguantamenbunengxiangkongqixindiangannayangzaidianluzhongjinxingtiaoxie,danshiyidanquedingleshixianyidingdianlugongnengsuoxuyaodezhunquedianganzhi,jiukeyishiyongbomodianganlaitidaikongqixindiangan(假定Q值能夠滿足需要)。
與薄膜電容器的情況相仿,薄膜電感的ESR和損耗顯著降低,這得益於線寬控製以及絕緣層沉積的質量/精度。這使得成品尺寸可以減小到0402封裝,並可以實現幾乎任何所需的電感值,同時容差精度接近0.05nH。此外,穩定的金屬化工藝使得薄膜電感具備了較高的載流能力:不同產品之間載流能力存在差別,最高可達1000mA。
薄膜電感可用於寬帶放大器的頻率補償。以前使用的是電阻/電感組合。同薄膜電容器的情況一樣,使用薄膜電感器可以減少電路中使用的元件數量,從而減小成品尺寸、降低重量、簡化裝配、降低成本並提高可靠性。
如同薄膜電容器一樣,薄膜電感器隻能提供較小的電感值,所以應用上是存在限製的。
也ye就jiu是shi說shuo,薄bo膜mo電dian感gan器qi可ke以yi為wei設she計ji人ren員yuan在zai極ji高gao頻pin率lv處chu提ti供gong一yi個ge很hen好hao的de解jie決jue方fang案an。一yi個ge常chang見jian的de應ying用yong實shi例li是shi頻pin率lv高gao達da數shu吉ji赫he的de振zhen蕩dang器qi。在zai高gao頻pin處chu,使shi用yong線xian繞rao電dian感gan是shi不bu現xian實shi的de,因yin為wei目mu前qian生sheng產chan電dian感gan值zhi如ru此ci之zhi小xiao的de線xian繞rao電dian感gan的de技ji術shu尚shang不bu具ju備bei。
在這種應用場合,設計人員隻有兩種選擇:使用PCB電路板蛇形走線的線路設計來獲得低電感值的電感,或者選擇微型的表麵封裝薄膜電感器。
其他薄膜元件
應用從製造薄膜電容和薄膜電感中獲取的知識和工藝能力,人們已經開發出許多其他元件,其中包括耦合器和諧波低通濾波器。
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