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]，對設(shè)計工作者來說準(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，不然可能會給設(shè)計師帶來一些不必要的差錯，所以設(shè)計人員開發(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而允許其它譜段信號無阻的通過，常應(yīng)用于天線功率的放大器。由于器件的單片設(shè)計使它只有1個諧振點(diǎn)響應(yīng)[1]。多段無線接收裝置有時產(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，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)計者提供一個在極高頻率處運(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，設(shè)計師應(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，在薄膜層的修整會產(chǎn)生大量微裂現(xiàn)象，導(dǎo)致電流路徑與電容的錯誤，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。