射頻/微波電路中的薄膜無源器件

摘 要：本文概述了薄膜無源器件在射頻（微波）中應(yīng)用的當(dāng)前狀況；介紹了薄膜電容元件和薄膜電感元件的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，應(yīng)用于無線電接收器；敘述其應(yīng)用的主要優(yōu)勢，能減少元件的使用數(shù)量，減小元件尺寸，具有裝配簡化、穩(wěn)定運(yùn)行和可靠性高的優(yōu)勢；總結(jié)了當(dāng)前薄膜無源器件的發(fā)展不足及未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：射頻/微波電路；薄膜電容元件；薄膜電感元件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.101

1 前言

多層燒制技術(shù)在相同或不同批次成品的某些參數(shù)發(fā)生細(xì)微變化[1]，對(duì)設(shè)計(jì)工作者來說準(zhǔn)確的參數(shù)極為重要，比如R值，它只能在一定容差內(nèi)進(jìn)行變化，不然可能會(huì)給設(shè)計(jì)師帶來一些不必要的差錯(cuò)，所以設(shè)計(jì)人員開發(fā)了一種高頻微波元件。此外，半導(dǎo)體薄膜技術(shù)生產(chǎn)應(yīng)用于薄膜無源元件，元件的厚度和寬度可低于10nm和1um[1]。

標(biāo)準(zhǔn)的尺寸規(guī)范使得容差參數(shù)更加嚴(yán)格，元件的整體性能也得到大幅度提高。通過電極沉積的高真空技術(shù)和氣相沉積的化學(xué)技術(shù)，使得無論相同還是不同批次的ESR值都相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)。它的可靠性跟預(yù)測性都能適用于較寬的頻率區(qū)間。

薄膜無源器件的上述優(yōu)點(diǎn)，很大程度可以減小器件尺寸，還能減少器件的使用數(shù)，節(jié)約大量的安裝花費(fèi)。

2 薄膜無源器件

陷波濾波器是其應(yīng)用的示范。該器件通過截獲一定譜段的信號(hào)而允許其它譜段信號(hào)無阻的通過，常應(yīng)用于天線功率的放大器。由于器件的單片設(shè)計(jì)使它只有1個(gè)諧振點(diǎn)響應(yīng)[1]。多段無線接收裝置有時(shí)產(chǎn)生一些諧波與差頻，我們的濾波器能用于其衰減。這近乎完美的參數(shù)特性，讓我們可以用它替代傳統(tǒng)的雙T元件。圖1，顯示了薄膜電容元件向前傳輸?shù)哪芰繐p耗特性曲線

工廠在選取元件時(shí)，通過元件的重復(fù)性測定得到如圖2所示，顯示元件具有良好的穩(wěn)定運(yùn)行性，其嚴(yán)格的質(zhì)量影響元件絕緣層K值大小。

3 薄膜無源器件的應(yīng)用

3.1 薄膜電容元件

容差的降低方式是通過單片上形成一個(gè)高精度且具有相似電氣特性的薄膜電阻。元件的輸出電壓與串聯(lián)電路中R1比R2的值成正相關(guān)，和薄膜器件的容差無相關(guān)性。根據(jù)容差±0.1%的薄膜元件，可以知道元件的輸出誤差不超過±0.1%，而不管每個(gè)單獨(dú)電阻的容差是多少——效果改善為分立解決方案的兩倍。單片元件能降低容差和溫度效應(yīng)，減小的輸出的誤差，均衡容差，如果是高精度的芯片元件，其溫度系數(shù)則為±25×10-6/℃。

傳統(tǒng)電阻元件的TCR為±5×10-6/℃。在單片上，薄膜元件用相同的方式沉積，與溫度的相應(yīng)基本相同。兩個(gè)元件的電阻比值決定電壓的輸出，從而元件的溫度系數(shù)與精度無相關(guān)性。通過合適的薄膜無源元件，在100℃條件下，溫度效應(yīng)所致的輸出的電壓差從±0.5%低至±0.05%，提升近十倍。

表1總結(jié)了兩種電阻元件的參數(shù)特性，使用分立電阻元件和薄膜電阻元件，總輸出的最大誤差分別為0.7%和0.15%，從而可知使用薄膜元件，其整體性能得到極大完善。通過深入研究，預(yù)測分壓器中TCR和電阻比值影響元件的輸出電壓。在單片襯底上的相似性保證了其整體的運(yùn)行性能更穩(wěn)定。

3.2 薄膜電感元件

因?yàn)樯a(chǎn)過程的線寬控制，薄膜電感明顯降低了元件的ESR和損耗，任何電感值都可很容易實(shí)現(xiàn)。不同產(chǎn)品存在較大的載流差異，而金屬穩(wěn)定化技術(shù)極大程度強(qiáng)化薄膜電感的載流能力，它常用于補(bǔ)償互聯(lián)網(wǎng)的接收頻率的損失。其優(yōu)點(diǎn)與薄膜電容元件一樣，能減少元件的使用數(shù)量，減小元件尺寸，具有裝配簡化和可靠性高的優(yōu)勢。

由于薄膜電感器只提供電感值較小，所以存在應(yīng)用范圍的限制。薄膜電感元件能為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)在極高頻率處運(yùn)行穩(wěn)定的方案。比如應(yīng)用于高達(dá)GHz數(shù)量級(jí)的在高頻率振蕩器。目前，因技術(shù)缺乏，使用線繞電感是無法實(shí)現(xiàn)高頻，只有選擇PCB蛇形走線或微型薄膜電感器來實(shí)現(xiàn)低電感值。

人們從薄膜電容和電感器的制造中，吸取經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在已開發(fā)出如波段耦合器等諸多元件。

4 結(jié)語

為符合低成本高速生產(chǎn)的目的，生產(chǎn)商需要根據(jù)薄膜的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師應(yīng)開發(fā)內(nèi)聯(lián)式的薄膜元件。成本降低的關(guān)鍵一步就是根據(jù)元件用途和TCR的不同，而采用不同精度的生產(chǎn)要求，即線寬控制。

厚膜電阻器很難滿足解調(diào)器降低噪聲的硬性要求，此外，薄膜和厚膜技術(shù)在激光修整上也存在較大差異。一旦燒制成功，在薄膜層的修整會(huì)產(chǎn)生大量微裂現(xiàn)象，導(dǎo)致電流路徑與電容的錯(cuò)誤，使其整體性能在高通量的信息面前功能不足。工廠生產(chǎn)過程會(huì)添加特殊不導(dǎo)電含微量鉛的玻璃來降低這種修復(fù)失誤。雖然這在ROHS的豁免標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目中，但鑒于其豁免屬性是否一直持續(xù)，所以業(yè)內(nèi)應(yīng)努力開發(fā)不含鉛的綠色薄膜元件的生產(chǎn)技術(shù)，畢竟環(huán)保是一件產(chǎn)品能否持久存在的關(guān)鍵要素。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ron Demcko.射頻/微波電路中的薄膜無源器件[J].今日電子，

2009（11）：28+30+32.

作者簡介：潘時(shí)輝（1986-），男，江蘇鹽城人，本科，助理工程師，從事微波射頻電路方面的研究。