集成化無源元件
發(fā)布時(shí)間:2011/8/24 14:22:01 訪問次數(shù):2452
無源元件集成化不僅可以解決電子產(chǎn)品微小型化遇到的無源元件瓶頸問題,而且可以提高組裝制造效率,降低無源元件安裝成本,提高整個(gè)電子系統(tǒng)性能價(jià)格比和可靠性,因而受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。經(jīng)過科技界和企業(yè)界不斷努力,近年來在無源元件集成化技術(shù)方面已經(jīng)有很大進(jìn)展,一部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化,還有一些技術(shù)正在探索中。
1.無源元件集成化勢(shì)在必行
(1)尺寸極限在電子產(chǎn)品輕、小、薄及多功能化的要求下,片式元件的封裝尺寸越來越小。隨著封裝尺寸的不斷縮小,對(duì)片式元件的生產(chǎn)制造和表面貼裝技術(shù)都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),安裝技術(shù)難度的增加使分立式片式元件的封裝尺寸接近了極限,若要進(jìn)一步提高組裝密度,必須要求無源元件向集成化發(fā)展。
(2)安裝成本隨著電子產(chǎn)品向多功能化發(fā)展,每個(gè)電子產(chǎn)品中包含的電子元器件數(shù)量不斷增加,以致將這么多的元器件安置在一起所花費(fèi)的組裝成本問題就凸顯出來。據(jù)統(tǒng)計(jì),無源元件尺寸減小導(dǎo)致安裝成本大幅度上升,解決的有效方法之一就是無源集成。
(3)高頻/高速要求雖然無引腳片式元件的寄生參量比較小,但由于電子產(chǎn)品向高頻相高速的發(fā)展勢(shì)頭非常強(qiáng)勁,一些電子產(chǎn)品的頻率已經(jīng)提高到幾GHz甚至幾十GHz的范圍,以致片式元件的端電極和焊點(diǎn)、焊盤、連線所帶來的寄生參量也成了不可忽視的問題,而無源集成是避開這些麻煩的途徑之一。
(4)高可靠要求在經(jīng)濟(jì)全球化的大環(huán)境下,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。追求電子產(chǎn)品的高可靠性成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要手段。無源集成如同當(dāng)年集成電路問世的優(yōu)勢(shì)一樣,可以減少焊點(diǎn),縮短連線,并能提高對(duì)潮濕、氧化、腐蝕、沖擊、振動(dòng)的抵抗能力。
(5)經(jīng)濟(jì)效益 片式元件發(fā)展到今天,已經(jīng)相當(dāng)成熟,F(xiàn)在片式元件的生產(chǎn)規(guī)模很大,競(jìng)爭(zhēng)非常殘酷,許多無源元件生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)處于微利潤(rùn)甚至零利潤(rùn)的被動(dòng)狀況。集成化無源元件的技術(shù)含量和產(chǎn)品附加值高,有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。
2.無源元件集成化技術(shù)概述
目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)和正在完善的無源元件集成化技術(shù)主要有以下幾種:
(1)封裝型集成化無源元件;
(2)低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù);
(3) PCB中嵌入無源元件技術(shù);
(4)薄膜無源元件集成技術(shù);
(5)硅片上無源元件集成技術(shù);
(6)多層有機(jī)(multi-layer organic,MLO)封裝技術(shù)。
其中封裝型無源元件是一種最早出現(xiàn)的無源元件集成化形式,也是最簡(jiǎn)單的集成化技木。這種技術(shù)把多達(dá)數(shù)十個(gè)由電容器、電阻器或電感器及其組合的無源元件陣列或網(wǎng)絡(luò)封裝到傳統(tǒng)的集成電路管殼中,形成外形與集成電路一樣,具有多個(gè)引腳的“集成電阻”、“集成LC”等,如圖4.3.17所示。
封裝型無源元件集成技術(shù)雖然還有許多實(shí)際應(yīng)用,但由于技術(shù)成熟且技術(shù)含量較低,已經(jīng)淡出無源元件集成高技術(shù)范圍了。
集成技術(shù)(4)、(5)由于集成度和成本問題,只能用于部分領(lǐng)域(例如無線、高速電路),一般情況下無法取代分立式無源元件,技術(shù)(6)雖然預(yù)計(jì)有很好的應(yīng)用前景,不過目前技術(shù)尚未成熟。
3.嵌入式無源元件集成技術(shù)
對(duì)于微小型化高密度組裝產(chǎn)品而言,由于印制電路板表面面積非常“珍貴”,可以說是每平方毫米必爭(zhēng)。由于這種產(chǎn)品一般都采用多層印制電路板,因此把無源元件嵌入到多層板內(nèi)部的思路就是一種水到渠成的選擇。如圖4.3.18所示為一種在多層板中嵌入R/L/C元件的技術(shù)示意圖。多層板一般是陶瓷多層基板,而無源元件采用厚膜技術(shù)通過印制、燒結(jié)等工藝制造。
這種集成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)明顯:
①實(shí)現(xiàn)三維組裝,電路板的尺寸減小,重量減輕;
②有利于解決電磁兼容問題;
③降低組裝成本;
④提高電路傳輸效率,降低功率損失;
⑤有利于技術(shù)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。
其缺點(diǎn)同樣明顯:
①工藝復(fù)雜,技術(shù)門檻高;
②缺乏柔性化;
③檢測(cè)、返修困難;
④生產(chǎn)周期中產(chǎn)品制造總成本的不確定性。
4.低溫共燒陶瓷技術(shù)
1)什么是低溫共燒陶瓷技術(shù)
隨著便攜和移動(dòng)產(chǎn)品迅速發(fā)展,對(duì)器件微型化、高頻化與模塊化的要求越來越迫切,而電子元器件特別是大量使用的以電子陶瓷材料為基礎(chǔ)的各類無源元器件,成為實(shí)現(xiàn)整機(jī)微型化的主要瓶頸。因此,微型化(包括片式化)、模塊化和高頻化是目前元器件研究開發(fā)的一個(gè)重要目標(biāo),而低溫共燒陶瓷(I,ow Tempratcre Cofired Ceramic,LTCC)技術(shù)以及產(chǎn)品正是實(shí)現(xiàn)這種目標(biāo)的有力手段。
所謂低溫共燒陶瓷是一種實(shí)現(xiàn)功能陶瓷與內(nèi)電板在較低溫度下共同燒結(jié)的新技術(shù),涉及材料及制造工藝等一系列高新技術(shù)。
低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)內(nèi)容如下:
①所有電子元器件都離不開對(duì)外引線,任何功能材料都必須通過內(nèi)電極(導(dǎo)線)實(shí)現(xiàn)對(duì)外連接;
②銀(Ag)是各種電子元件中最理想的內(nèi)電極導(dǎo)電材料;
③Ag的熔點(diǎn)在961℃,為了防止銀向磁俞質(zhì)層內(nèi)擴(kuò)散,需要將功能陶瓷(例如鐵氧體)的燒結(jié)溫度降低到900℃以下,而一般功能陶瓷的燒結(jié)溫度遠(yuǎn)高于該溫度;
④實(shí)現(xiàn)功能陶瓷的低溫(低于900℃)內(nèi)電極(導(dǎo)線)與陶瓷共同燒結(jié),成為實(shí)現(xiàn)無源元件片式化/集成化電子元件的技術(shù)關(guān)鍵;
⑤已經(jīng)開發(fā)出可以實(shí)現(xiàn)低溫共燒的陶瓷材料(例如硅鋁氟氧化物基陶瓷)及實(shí)現(xiàn)低溫共燒的制造工藝。
2) LTCC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):
①陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻高Q特性,使用頻率可大于幾十GHz;
②使用電導(dǎo)率高的金屬材料作為導(dǎo)體材料,有利于提高電路系統(tǒng)的品質(zhì)因子;
③可以制作線寬小于50μm的細(xì)線結(jié)構(gòu)電路;
④可適應(yīng)大電流及耐高溫特性要求,并具備比普通PCB電路基板更優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性;
⑤具有較好的溫度特性,如較小的熱膨脹系數(shù)、較小的介電常數(shù)溫度系數(shù);
⑥可以制作層數(shù)很高的電路基板,并可將多個(gè)無源元件埋入其中,有利于提高電路的組裝密度;
⑦能集成的元件種類多、參量范圍大,除L/RlC外,還可以將敏感元件、EMI抑制元件、電路保護(hù)元件等集成在一起;
⑧可以在層數(shù)很高的三維電路基板上,用多種方式鍵連lC和各種有源器件,實(shí)現(xiàn)無源/有源集成;
⑨可靠性高,耐高溫、高濕、沖振,可應(yīng)用于惡劣環(huán)境;
⑩非連續(xù)式的生產(chǎn)工藝,允許對(duì)生坯基板進(jìn)行檢查,從而提高成品率,降低生產(chǎn)成本。
3) LTCC技術(shù)過程簡(jiǎn)介
由于低溫共燒陶瓷技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn),使其成為最具發(fā)展前景的無源元件集成技術(shù)平臺(tái)。圖4.3.19所示為采用LTCC技術(shù)制造集成無源元件的過程示意圖。
4) LTCC應(yīng)用
LTCC技術(shù)由于自身具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),在軍事、航天、航空、電子、計(jì)算機(jī)、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域均獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。在電子制造領(lǐng)域應(yīng)用主要有:
①高精度片式元仵如高精度片式電感器、電阻器、片式微波電容器等,以及這些元件的陣列;
②無源集成功能器件如片式射頻無源集成組件,包括LC濾波器及其陣列、定向耦合器、功分器、功率合成器、天線、延遲線、衰減器、共模扼流圈及其陣列、EMI抑制器等;
③無源集成基板/封裝 如藍(lán)牙模塊基板、手機(jī)前端模塊基板、集中參數(shù)環(huán)行器基板等;
④功能模塊 如藍(lán)牙模塊、手機(jī)前端模塊、無線開關(guān)模塊、功放模塊等;
⑤燃料電池集成模塊基于LTCC的小型燃料電池,電源/有源/無源元件一體化的模塊等。
5)存在的問題
雖然LTCC技術(shù)已經(jīng)成為電子元件集成,特別是無源集成的主流技術(shù),但其自身還存在一定的不足,例如提高熱導(dǎo)率,減少燒結(jié)收縮率,解決LTCC材料與異質(zhì)材料的共燒匹配性,尋求具有更高電性能的低溫共燒陶瓷材料等,還需要進(jìn)一步研究和探索。 VIPER12A
無源元件集成化不僅可以解決電子產(chǎn)品微小型化遇到的無源元件瓶頸問題,而且可以提高組裝制造效率,降低無源元件安裝成本,提高整個(gè)電子系統(tǒng)性能價(jià)格比和可靠性,因而受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。經(jīng)過科技界和企業(yè)界不斷努力,近年來在無源元件集成化技術(shù)方面已經(jīng)有很大進(jìn)展,一部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化,還有一些技術(shù)正在探索中。
1.無源元件集成化勢(shì)在必行
(1)尺寸極限在電子產(chǎn)品輕、小、薄及多功能化的要求下,片式元件的封裝尺寸越來越小。隨著封裝尺寸的不斷縮小,對(duì)片式元件的生產(chǎn)制造和表面貼裝技術(shù)都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),安裝技術(shù)難度的增加使分立式片式元件的封裝尺寸接近了極限,若要進(jìn)一步提高組裝密度,必須要求無源元件向集成化發(fā)展。
(2)安裝成本隨著電子產(chǎn)品向多功能化發(fā)展,每個(gè)電子產(chǎn)品中包含的電子元器件數(shù)量不斷增加,以致將這么多的元器件安置在一起所花費(fèi)的組裝成本問題就凸顯出來。據(jù)統(tǒng)計(jì),無源元件尺寸減小導(dǎo)致安裝成本大幅度上升,解決的有效方法之一就是無源集成。
(3)高頻/高速要求雖然無引腳片式元件的寄生參量比較小,但由于電子產(chǎn)品向高頻相高速的發(fā)展勢(shì)頭非常強(qiáng)勁,一些電子產(chǎn)品的頻率已經(jīng)提高到幾GHz甚至幾十GHz的范圍,以致片式元件的端電極和焊點(diǎn)、焊盤、連線所帶來的寄生參量也成了不可忽視的問題,而無源集成是避開這些麻煩的途徑之一。
(4)高可靠要求在經(jīng)濟(jì)全球化的大環(huán)境下,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。追求電子產(chǎn)品的高可靠性成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要手段。無源集成如同當(dāng)年集成電路問世的優(yōu)勢(shì)一樣,可以減少焊點(diǎn),縮短連線,并能提高對(duì)潮濕、氧化、腐蝕、沖擊、振動(dòng)的抵抗能力。
(5)經(jīng)濟(jì)效益 片式元件發(fā)展到今天,已經(jīng)相當(dāng)成熟,F(xiàn)在片式元件的生產(chǎn)規(guī)模很大,競(jìng)爭(zhēng)非常殘酷,許多無源元件生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)處于微利潤(rùn)甚至零利潤(rùn)的被動(dòng)狀況。集成化無源元件的技術(shù)含量和產(chǎn)品附加值高,有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。
2.無源元件集成化技術(shù)概述
目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)和正在完善的無源元件集成化技術(shù)主要有以下幾種:
(1)封裝型集成化無源元件;
(2)低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù);
(3) PCB中嵌入無源元件技術(shù);
(4)薄膜無源元件集成技術(shù);
(5)硅片上無源元件集成技術(shù);
(6)多層有機(jī)(multi-layer organic,MLO)封裝技術(shù)。
其中封裝型無源元件是一種最早出現(xiàn)的無源元件集成化形式,也是最簡(jiǎn)單的集成化技木。這種技術(shù)把多達(dá)數(shù)十個(gè)由電容器、電阻器或電感器及其組合的無源元件陣列或網(wǎng)絡(luò)封裝到傳統(tǒng)的集成電路管殼中,形成外形與集成電路一樣,具有多個(gè)引腳的“集成電阻”、“集成LC”等,如圖4.3.17所示。
封裝型無源元件集成技術(shù)雖然還有許多實(shí)際應(yīng)用,但由于技術(shù)成熟且技術(shù)含量較低,已經(jīng)淡出無源元件集成高技術(shù)范圍了。
集成技術(shù)(4)、(5)由于集成度和成本問題,只能用于部分領(lǐng)域(例如無線、高速電路),一般情況下無法取代分立式無源元件,技術(shù)(6)雖然預(yù)計(jì)有很好的應(yīng)用前景,不過目前技術(shù)尚未成熟。
3.嵌入式無源元件集成技術(shù)
對(duì)于微小型化高密度組裝產(chǎn)品而言,由于印制電路板表面面積非!罢滟F”,可以說是每平方毫米必爭(zhēng)。由于這種產(chǎn)品一般都采用多層印制電路板,因此把無源元件嵌入到多層板內(nèi)部的思路就是一種水到渠成的選擇。如圖4.3.18所示為一種在多層板中嵌入R/L/C元件的技術(shù)示意圖。多層板一般是陶瓷多層基板,而無源元件采用厚膜技術(shù)通過印制、燒結(jié)等工藝制造。
這種集成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)明顯:
①實(shí)現(xiàn)三維組裝,電路板的尺寸減小,重量減輕;
②有利于解決電磁兼容問題;
③降低組裝成本;
④提高電路傳輸效率,降低功率損失;
⑤有利于技術(shù)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。
其缺點(diǎn)同樣明顯:
①工藝復(fù)雜,技術(shù)門檻高;
②缺乏柔性化;
③檢測(cè)、返修困難;
④生產(chǎn)周期中產(chǎn)品制造總成本的不確定性。
4.低溫共燒陶瓷技術(shù)
1)什么是低溫共燒陶瓷技術(shù)
隨著便攜和移動(dòng)產(chǎn)品迅速發(fā)展,對(duì)器件微型化、高頻化與模塊化的要求越來越迫切,而電子元器件特別是大量使用的以電子陶瓷材料為基礎(chǔ)的各類無源元器件,成為實(shí)現(xiàn)整機(jī)微型化的主要瓶頸。因此,微型化(包括片式化)、模塊化和高頻化是目前元器件研究開發(fā)的一個(gè)重要目標(biāo),而低溫共燒陶瓷(I,ow Tempratcre Cofired Ceramic,LTCC)技術(shù)以及產(chǎn)品正是實(shí)現(xiàn)這種目標(biāo)的有力手段。
所謂低溫共燒陶瓷是一種實(shí)現(xiàn)功能陶瓷與內(nèi)電板在較低溫度下共同燒結(jié)的新技術(shù),涉及材料及制造工藝等一系列高新技術(shù)。
低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)內(nèi)容如下:
①所有電子元器件都離不開對(duì)外引線,任何功能材料都必須通過內(nèi)電極(導(dǎo)線)實(shí)現(xiàn)對(duì)外連接;
②銀(Ag)是各種電子元件中最理想的內(nèi)電極導(dǎo)電材料;
③Ag的熔點(diǎn)在961℃,為了防止銀向磁俞質(zhì)層內(nèi)擴(kuò)散,需要將功能陶瓷(例如鐵氧體)的燒結(jié)溫度降低到900℃以下,而一般功能陶瓷的燒結(jié)溫度遠(yuǎn)高于該溫度;
④實(shí)現(xiàn)功能陶瓷的低溫(低于900℃)內(nèi)電極(導(dǎo)線)與陶瓷共同燒結(jié),成為實(shí)現(xiàn)無源元件片式化/集成化電子元件的技術(shù)關(guān)鍵;
⑤已經(jīng)開發(fā)出可以實(shí)現(xiàn)低溫共燒的陶瓷材料(例如硅鋁氟氧化物基陶瓷)及實(shí)現(xiàn)低溫共燒的制造工藝。
2) LTCC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):
①陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻高Q特性,使用頻率可大于幾十GHz;
②使用電導(dǎo)率高的金屬材料作為導(dǎo)體材料,有利于提高電路系統(tǒng)的品質(zhì)因子;
③可以制作線寬小于50μm的細(xì)線結(jié)構(gòu)電路;
④可適應(yīng)大電流及耐高溫特性要求,并具備比普通PCB電路基板更優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性;
⑤具有較好的溫度特性,如較小的熱膨脹系數(shù)、較小的介電常數(shù)溫度系數(shù);
⑥可以制作層數(shù)很高的電路基板,并可將多個(gè)無源元件埋入其中,有利于提高電路的組裝密度;
⑦能集成的元件種類多、參量范圍大,除L/RlC外,還可以將敏感元件、EMI抑制元件、電路保護(hù)元件等集成在一起;
⑧可以在層數(shù)很高的三維電路基板上,用多種方式鍵連lC和各種有源器件,實(shí)現(xiàn)無源/有源集成;
⑨可靠性高,耐高溫、高濕、沖振,可應(yīng)用于惡劣環(huán)境;
⑩非連續(xù)式的生產(chǎn)工藝,允許對(duì)生坯基板進(jìn)行檢查,從而提高成品率,降低生產(chǎn)成本。
3) LTCC技術(shù)過程簡(jiǎn)介
由于低溫共燒陶瓷技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn),使其成為最具發(fā)展前景的無源元件集成技術(shù)平臺(tái)。圖4.3.19所示為采用LTCC技術(shù)制造集成無源元件的過程示意圖。
4) LTCC應(yīng)用
LTCC技術(shù)由于自身具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),在軍事、航天、航空、電子、計(jì)算機(jī)、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域均獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。在電子制造領(lǐng)域應(yīng)用主要有:
①高精度片式元仵如高精度片式電感器、電阻器、片式微波電容器等,以及這些元件的陣列;
②無源集成功能器件如片式射頻無源集成組件,包括LC濾波器及其陣列、定向耦合器、功分器、功率合成器、天線、延遲線、衰減器、共模扼流圈及其陣列、EMI抑制器等;
③無源集成基板/封裝 如藍(lán)牙模塊基板、手機(jī)前端模塊基板、集中參數(shù)環(huán)行器基板等;
④功能模塊 如藍(lán)牙模塊、手機(jī)前端模塊、無線開關(guān)模塊、功放模塊等;
⑤燃料電池集成模塊基于LTCC的小型燃料電池,電源/有源/無源元件一體化的模塊等。
5)存在的問題
雖然LTCC技術(shù)已經(jīng)成為電子元件集成,特別是無源集成的主流技術(shù),但其自身還存在一定的不足,例如提高熱導(dǎo)率,減少燒結(jié)收縮率,解決LTCC材料與異質(zhì)材料的共燒匹配性,尋求具有更高電性能的低溫共燒陶瓷材料等,還需要進(jìn)一步研究和探索。 VIPER12A
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