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,duocengtaocigongyikenenghuidaozhibutongpicichanpinyijitongyipicibutongchanpinzhijiandemouxiecanshuchuxianchayi,erzhexiecanshuduishepinshejirenyuanlaishuoshishifenzhongyaode,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deESR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
帶dai阻zu濾lv波bo器qi就jiu是shi薄bo膜mo元yuan件jian的de一yi個ge實shi際ji應ying用yong。帶dai阻zu濾lv波bo器qi的de電dian路lu設she計ji是shi阻zu止zhi特te定ding射she頻pin頻pin譜pu的de信xin號hao通tong過guo而er允yun許xu其qi他ta信xin號hao無wu衰shuai減jian通tong過guo。它ta也ye常chang被bei稱cheng為wei陷xian波bo濾lv波bo器qi、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、覆fu蓋gai範fan圍wei廣guang的de多duo帶dai無wu線xian電dian接jie收shou器qi常chang會hui意yi外wai產chan生sheng差cha頻pin和he諧xie波bo,窄zhai帶dai陷xian波bo濾lv波bo器qi就jiu用yong於yu衰shuai減jian這zhe些xie差cha頻pin和he諧xie波bo。由you於yu薄bo膜mo近jin乎hu完wan美mei的de特te性xing,使shi用yong一yi個ge高gao品pin質zhi薄bo膜mo電dian容rong器qi就jiu可ke以yi替ti換huan掉diao雙shuangT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
womenbixurenshidaobomodianrongqiyongzuodaizulvboqishijuyoujuxianxingde。yinweibomodianrongqitongchangzhinengtigongxiaodianrongzhi,suoyitamenjuxianyupinlvxiangduijiaogaodedaizulvboqisheji。ruguoshejidaodipinsheji,bixucaiyongqitadelvboqifangfa,tongchangshishiyonggaoQ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、蒸zheng汽qi相xiang法fa和he波bo工gong藝yi也ye很hen方fang便bian對dui其qi進jin行xing處chu理li。此ci外wai,薄bo膜mo電dian感gan在zai這zhe些xie處chu理li過guo程cheng中zhong以yi及ji搬ban運yun和he強qiang震zhen動dong環huan境jing中zhong都dou能neng夠gou保bao持chi電dian感gan值zhi不bu變bian。盡jin管guan它ta們men不bu能neng像xiang空kong氣qi芯xin電dian感gan那na樣yang在zai電dian路lu中zhong進jin行xing調tiao諧xie,但dan是shi一yi旦dan確que定ding了le實shi現xian一yi定ding電dian路lu功gong能neng所suo需xu要yao的de準zhun確que電dian感gan值zhi,就jiu可ke以yi使shi用yong薄bo膜mo電dian感gan來lai替ti代dai空kong氣qi芯xin電dian感gan(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。
yejiushishuo,bomodianganqikeyiweishejirenyuanzaijigaopinlvchutigongyigehenhaodejiejuefangan。yigechangjiandeyingyongshilishipinlvgaodashujihedezhendangqi。zaigaopinchu,shiyongxianraodianganshibuxianshide,yinweimuqianshengchandianganzhirucizhixiaodexianraodiangandejishushangbujubei。
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,duocengtaocigongyikenenghuidaozhibutongpicichanpinyijitongyipicibutongchanpinzhijiandemouxiecanshuchuxianchayi,erzhexiecanshuduishepinshejirenyuanlaishuoshishifenzhongyaode,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deESR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
帶dai阻zu濾lv波bo器qi就jiu是shi薄bo膜mo元yuan件jian的de一yi個ge實shi際ji應ying用yong。帶dai阻zu濾lv波bo器qi的de電dian路lu設she計ji是shi阻zu止zhi特te定ding射she頻pin頻pin譜pu的de信xin號hao通tong過guo而er允yun許xu其qi他ta信xin號hao無wu衰shuai減jian通tong過guo。它ta也ye常chang被bei稱cheng為wei陷xian波bo濾lv波bo器qi、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、覆fu蓋gai範fan圍wei廣guang的de多duo帶dai無wu線xian電dian接jie收shou器qi常chang會hui意yi外wai產chan生sheng差cha頻pin和he諧xie波bo,窄zhai帶dai陷xian波bo濾lv波bo器qi就jiu用yong於yu衰shuai減jian這zhe些xie差cha頻pin和he諧xie波bo。由you於yu薄bo膜mo近jin乎hu完wan美mei的de特te性xing,使shi用yong一yi個ge高gao品pin質zhi薄bo膜mo電dian容rong器qi就jiu可ke以yi替ti換huan掉diao雙shuangT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
womenbixurenshidaobomodianrongqiyongzuodaizulvboqishijuyoujuxianxingde。yinweibomodianrongqitongchangzhinengtigongxiaodianrongzhi,suoyitamenjuxianyupinlvxiangduijiaogaodedaizulvboqisheji。ruguoshejidaodipinsheji,bixucaiyongqitadelvboqifangfa,tongchangshishiyonggaoQ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、蒸zheng汽qi相xiang法fa和he波bo工gong藝yi也ye很hen方fang便bian對dui其qi進jin行xing處chu理li。此ci外wai,薄bo膜mo電dian感gan在zai這zhe些xie處chu理li過guo程cheng中zhong以yi及ji搬ban運yun和he強qiang震zhen動dong環huan境jing中zhong都dou能neng夠gou保bao持chi電dian感gan值zhi不bu變bian。盡jin管guan它ta們men不bu能neng像xiang空kong氣qi芯xin電dian感gan那na樣yang在zai電dian路lu中zhong進jin行xing調tiao諧xie,但dan是shi一yi旦dan確que定ding了le實shi現xian一yi定ding電dian路lu功gong能neng所suo需xu要yao的de準zhun確que電dian感gan值zhi,就jiu可ke以yi使shi用yong薄bo膜mo電dian感gan來lai替ti代dai空kong氣qi芯xin電dian感gan(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。
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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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