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使用微型模块SIP中的集成无源器件|m88体育编辑:m88体育_明升体育 发布时间:2020-09-15  浏览次数:32301

概述构建无源器件在我们的行业中并不是什么新事物——它们由来已久且众所周知。实质上,ADI公司过去曾为市场生产过这类元件。当芯片组将独立国家的并存无源器件或者是构建无源网络作为其一部分包括在内时,必须对走线宿主效应、器件兼容性和电路板装配等考虑到因素展开细心的设计管理。虽然构建无源器件之后在业界占有最重要地位,但只有当它们被构建到系统级PCB应用于中时才能构建其最重要的价值。

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几年前,ADI开始发售新的构建无源技术计划(iPassives?)。ADI目的通过这项计划获取二极管、电阻、电感和电容等无源元件,从而需要更加普遍地涵括信号链设计,同时解决现有使用无源元件方法的局限性和复杂性。

ADI的客户群对具备高效空间尺寸的更加原始解决方案的市场需求,也推展了这项计划的发展。从设计人员的角度来看,iPassives可以被视作一种灵活性的设计工具,需要在很短的开发周期内设计出有具备同类最佳性能和鲁棒性的系统解决方案。

ADI享有许多信号调理IC,我们享有的独有硅生产工艺使这些IC需要构建卓越的性能。ADI可以充分利用其现有产品的多样性来生产具备卓越性能特征的即插即用系统,而需要研发高度简单的构建流程。

在高度可自定义的网络中将构建无源技术与所有这些现有技术紧密结合,并利用系统级PCB技术展开PCB,从而可创立几乎经过证书、测试和密切相关的μModule?器件。以前使用板级解决方案的系统现在可以修改为单个器件。从我们的客户角度来看,他们现在可以取得原始的解决方案,具备出众的开箱即用性能,可延长开发周期并节约成本,而且所有这些都在十分灵活的PCB内构建。

无源技术现在,我们来详细总结一下基础知识,回忆起一下什么是无源元件。无源元件是需要电源供电的器件,它们的电流和电压之间的关系比较非常简单。这些元件还包括电阻、电容、电感、变压器(即有效地耦合电感)和二极管。

有时电流-电压之间的关系非常简单,就像电阻中电流随电压线性变化一样。对于二极管来说,电流和电压之间也不存在必要关系,只是这种关系是指数关系。在电感和电容中,该关系是电流对电压的瞬态依赖性。

表格1右图为四种基本无源元件定义这些关系的公式:表格1.主要无源元件的基本公式分立元件公式符号电阻V=电压I=电流t=时间R=电阻(欧姆)C=电容(法拉)L=线圈电感(亨利)IS=二极管饱和电流VT=热电压h=二极管理想因子电容电感二极管无源器件既可以分开用于,也可以串联或并联,是仿真信号处理(RLC用作缩放、波动、耦合、回声和滤波)、数字信号处理(上拉电阻、下拉电阻和阻抗匹配电阻)、EMI诱导(LC噪声诱导)和电源管理(R用作电流检测和容许,LC用作能量积累)的最重要组成部分。分立元件的局限性过去,无源元件是并存的,这意味著它们是分别生产的,并且在电路中通过印刷电路板(PCB)上的导线或电源轨连接。

随着时间的流逝,它们沿着三条路径发展演进:更加小的尺寸、更加较低的成本和更高的性能。这些发展现在早已很成熟期并经过了优化,但是标记尺寸和高度尺寸意味著并存无源元件总是容许了增大整体解决方案的面积和体积的希望效益。无源器件一般来说在一个应用于中占到物料表格的80%以上,占到线路板面积大约60%,占到整个元件开支大约20%。

这些因素综合在一起带给了非常复杂的库存掌控和存储挑战。就其本质而言,分立器件是分开处置的元件。

尽管有可能有一些方法可以保证从某些工艺出厂中自由选择元件,但每个元件依然具备高度的独特性。然而,当必须十分给定的元件时,这是一个明显的缺点。对于必须给定的设备来说,元件之间的独特性和差异性不会造成误差,从而减少时间零点的电路性能。

此外,在电路的工作温度范围内及使用寿命期间,这种性能上升总是更加差劲。并存无源器件的另一个缺点是各个元件的装配和布线十分耗时,并且还闲置相当大的空间。

这些元件用于焊工艺相连,一般是通过通孔或表贴PCB技术(SMT)装配。通孔是一种较为杨家的装配技术,它将带上引线的器件放入PCB的孔中,任何多余的引线长度都将被折弯并手术,并通过波峰焊将器件的引线相连至PCB点对点电源轨。表贴PCB协助构建了更加小的无源元件。在这种情况下,在PCB上转印贴装相连图案,将焊锡膏覆盖面积在图案上,接着用于贴片机来定位摆放SMT元件。

然后,PCB经过回流焊工艺(其间焊锡膏液化并创建电气相连),并在加热时,焊锡膏凝结并将SMT元件机械相连到PCB上。这两种装配技术的主要问题是,焊过程有可能十分不可信,在缺失目标是每百万分之几的行业中,这一点更加令人担忧。

在保证焊点可靠性方面有几个因素十分最重要:焊锡膏的实际成分(现在基本上都是无铅的,因此可靠性减少)、回流焊工艺中的机械稳定性(机械振动可使焊点潮湿)、焊锡膏的纯度(任何污染物都会对焊点的可靠性产生负面影响),以及回流焊工艺中的时间与温度。焊锡膏冷却的速度如何、实际温度和温度的均匀分布性怎样以及焊锡膏冷却的时间都十分关键。其中的任何变化都有可能造成相连焊盘或通孔的损毁,或者也有可能引发器件上的机械形变,随着时间的流逝而造成故障。

在PCB上使用无源元件的另一个局限是,由于它们板上产于在各处,回头线必须很长。这可能会引进并未算入的宿主参数,从而使性能和结果的可重复性有限。一般来说,PCB走线具备约1nH/mm自感的长度和电容,各不相同线宽和与附近走线的距离。

PCB走线的容差造成了宿主参数的变异,所以不仅带给宿主效应的破坏性,而且它们还是不能预测的。在PCB板上增大容差不会减少成本。

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无源器件还获取了许多与外界的潜在接触点,这些接触点经手动处置或机器处置可能会引发ESD事件。某种程度,这对整体可靠性和鲁棒性不会导致有利影响和风险。构建无源器件的优势在深入探讨构建无源器件比起并存无源器件的优势之前,我们首先阐述一下构建无源器件的起源。

集成电路现在包括了许多晶体管(实质上是数百万个),它们由细致的金属相互相连在一起。针对仿真类的应用于,业界还研发了类似的工艺,如DAC和ADC中除了晶体管,还包括电阻和电容等无源元件。为了构建这些仪器的仿真应用于所需的性能,早已研发出有质量十分低的无源元件。用来建构构建无源器件的正是这些高质量的无源元件。

正如集成电路中包括许多晶体管一样,构建无源器件可以在一个十分小的PCB内包括许多高质量的无源元件。与集成电路一样,构建无源器件在大面积衬底(晶圆)上生产,同时分解多个无源网络。

与并存无源元件比起,构建无源器件最引人注目的优势之一是可以构建准确给定。在生产构建无源网络时,网络内的所有元件都是在完全相同条件下同时生产的,具备完全相同的材料,而且由于网络灵活,基本上是在同一方位。使用这种方式生产的无源元件比数而立无源元件更加有可能具备出众的给定。

为了解释这一点,我们假设有一个应用于必须两个给定的电阻。这些电阻在圆形衬底(如硅晶圆)上生产,如图1右图。由于微小的工艺差异,如电阻薄膜的厚度、薄膜的化学性质、认识电阻等,因此在同一个出厂内将不存在一定的阻值差异,而在多个出厂里差异值更大。

在图1右图的例子中,深绿色回应电阻在容差范围的高位值末端,黄色回应电阻在容差范围的低位值末端。对于标准的分立器件来说,两个电阻中的给定一个都有可能来自有所不同的生产出厂,如图中用红色回应的两个分开的电阻。这两个并存电阻之间可仔细观察到的容差范围有可能是整个工艺的容差范围,因此给定较好。对于有类似的采购容许而言,有可能从同一个出厂中自由选择这两个并存电阻,如图中用蓝色标示的两个分开的电阻。

这两个电阻之间可仔细观察到的容差只不会是在同一个出厂内的容差范围。虽然这两个电阻之间的给定将高于随机分立器件的情况,但仍有可能经常出现或许的不给定。最后,对于构建无源器件,两个电阻来自同一个芯片,如图1黑色右图。

这两个电阻之间唯一可仔细观察到的容差是在同一个管芯内的容差范围。因此,这两个电阻之间的给定将十分出众。

此外,用于交叉四边形布局的其他技术和其他方法可以更进一步严苛容许两个电阻之间的蔓延,使元件的给定超过最佳值。构建无源元件之间的给定不仅在时间零点比数而立无源元件要好得多,而且由于其生产早已很好地耦合,因此在整个温度、机械形变和使用寿命范围内都可维持更佳的给定记录。图1.并存电阻与无源电阻的给定较为。

构建无源器件中的各个元件密切地摆放在一起(实质上在微米范围内),因此,点对点宿主参数(如布线电阻和电感)可以维持在极低的水平。在PCB上,由于走线容差和元件摆放容差,点对点宿主参数可能会发生变化。

由于生产工艺中使用微影工艺,因此用于构建无源器件的点对点容差和元件摆放容差都较小。在构建无源器件中,不仅宿主参数十分小,而且这些为数不多的参数还是可预测的,因此可靠性很高。

通过构建无源器件构建无源网络的小型化,为电路板必要带给小尺寸的优势。这必要使电路板成本减少,并容许在更加小的标记空间上构建更加多功能和更加高性能。用于构建无源器件时,建构多通道系统显得更为实际不切实际。构建无源器件的另一个明显优势是其整个布线网络周围的鲁棒性。

构建无源器件本质上是在一个原始的单元里一起切削,用玻璃密封,然后更进一步由稳固的塑料PCB展开维护,而不必须大量的焊相连。在构建无源网络中,不不存在焊点潮湿、生锈或元件错位的问题。构建无源网络密封性能出众带给的另一个优势是,系统中曝露节点的数量大大减少。

因此,系统因车祸短路或静电静电(ESD)事件损毁的可能性明显减少。确保和掌控任何电路板装配的元件库存都是一项非常复杂的任务。

构建无源器件在一个器件内包括多个无源元件,大大减低了客户的物料表格开销,从而减少享有成本。客户可以取得经过几乎测试和充份检验的构建无源网络。

这意味著,最后线路板建构的产量获得提升,这不仅可以更进一步节省成本,还可以提升供应链的可预测性。用于ADI的构建无源器件(iPassives)如前所述,高质量的无源器件仍然是ADI多年来众多产品所构建的电路性能的核心。在此期间,无源器件的范围不断扩大并且质量大大提升,构建无源器件产品组合现在包括大量元件。

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构建无源器件使用模块化工艺,这意味著只有在必须特定元件时才必须继续执行生产某种类型无源器件所需的工艺步骤。iPassives网络的建构基本上只必须必须的工艺复杂性,不多也不少。如图2右图,有许多无源建构块可供选择,建构一个构建无源网络就像将所须要元件组装在一起一样非常简单。

图2.iPassives建构块。如本文前面所述,构建无源器件与并存无源器件比起具备许多优势。

ADI将它们用作μModule器件中,更进一步强化了这些优势。这些模块利用了各种集成电路的功能。

这些电路通过量身自定义的工艺展开生产,所获取的强化性能是无法通过其他任何单一工艺构建的。ADI正在用于iPassives将这些集成电路相连在一起,由此在单个器件内建构原始的仪器信号链。

图3中的两个μModule器件示例还包括数据转换器、放大器和其他元件,通过使用构建无源器件建构的无源增益和滤波网络将它们融合在一起。图3.用于iPassives的μModule产品示例。ADI生产高度可自定义的仪器信号调理系统。

使用来自大量经现场检验的IC产品组合的可重复使用的方法,并将其与iPassives的多功能性结合,从而使开发周期时间和成本都明显上升。这一要求为客户获取了极大的优势,使客户可以自行利用最先进设备的性能更加慢、更加高效地转入市场。结论乍一看,用于构建无源器件有可能只不会比其他更加成熟期的方法变得稍微不利。

然而,实际优势更加明显,ADI使用iPassives不仅新的定义了可以构建的功能,还新的定义了速度、成本和设计尺寸,使之对客户更加不利。MarkMurphy[mark.murphy@analog.com]是爱尔兰利默里克仪器转换器部的产品营销工程师。

他享有梅里马克学院电子工程学士学位和利默里克大学工商管理硕士学位。MarkMurphyPatMcGuinness[pat.mcguinness@analog.com]是ADI公司的产品工程师,负责管理在PCB应用于系统中用于构建无源器件。自1994年重新加入ADI以来,Pat仍然致力于产品产量改良活动、电路设计、器件建模和新工艺研发。在ADI期间,他设计了仪器转换器、电源、传感器和无源网络。

Pat毕业于科克大学,取得电气与微电子工程学士学位。。

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