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技术分享:使用微型模块SIP中的集成无源器件

简介

集成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。实际上,ADI公司过去曾为市场生产过这类元件。当芯片组将独立的分立无源器件或者是集成无源网络作为其一部分包含在内时,需要对走线寄生效应、器件兼容性和电路板组装等考虑因素进行仔细的设计管理。虽然集成无源器件继续在业界占据重要地位,但只有当它们被集成到系统级封装应用中时才能实现其最重要的价值。

几年前,ADI开始推出新的集成无源技术计划(iPassives)。ADI旨在通过这项计划提供二极管、电阻、电感和电容等无源元件,从而能够更广泛地涵盖信号链设计,同时克服现有采用无源元件方法的局限性和复杂性。ADI的客户群对具有高效空间尺寸的更完整解决方案的需求,也推动了这项计划的发展。从设计人员的角度来看,iPassives可以被视为一种灵活的设计工具,能够在极短的开发周期内设计出具有同类最佳性能和鲁棒性的系统解决方案。ADI拥有许多信号调理IC,我们拥有的独特硅制造工艺使这些IC能够实现卓越的性能。ADI可以充分利用其现有产品的多样性来生产具有卓越性能特征的即插即用系统,而无需开发高度复杂的集成流程。在高度可定制的网络中将集成无源技术与所有这些现有技术紧密结合,并利用系统级封装技术进行封装,从而可创建完全经过认证、测试和表征的μModule器件。以前采用板级解决方案的系统现在可以简化为单个器件。从我们的客户角度来看,他们现在可以获得完整的解决方案,具有出色的开箱即用性能,可缩短开发周期并节约成本,而且所有这些都在非常紧凑的封装内实现。

无源技术

现在,我们来简要回顾一下基础知识,回想一下什么是无源元件。无源元件是无需电源供电的器件,它们的电流和电压之间的关系相对简单。这些元件包括电阻、电容、电感、变压器(即有效耦合电感)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,电流和电压之间也存在直接关系,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1所示为四种基本无源元件定义这些关系的公式:

1.主要无源元件的基本公式

分立元件

公式

符号

电阻

使用微型模块SIP中的集成无源器件

使用微型模块SIP中的集成无源器件

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

使用微型模块SIP中的集成无源器件

使用微型模块SIP中的集成无源器件

电感

使用微型模块SIP中的集成无源器件

使用微型模块SIP中的集成无源器件

二极管

使用微型模块SIP中的集成无源器件

使用微型模块SIP中的集成无源器件

无源器件既可以单独使用,也可以串联或并联,是模拟信号处理(RLC用于放大、衰减、耦合、调谐和滤波)、数字信号处理(上拉电阻、下拉电阻和阻抗匹配电阻)、EMI抑制(LC噪声抑制)和电源管理(R用于电流检测和限制,LC用于能量累积)的重要组成部分。

分立元件的局限性

过去,无源元件是分立的,这意味着它们是分别制造的,并且在电路中通过印刷电路板(PCB)上的导线或电源轨相连。随着时间的推移,它们沿着三条路径发展演变:更小的尺寸、更低的成本和更高的性能。这些发展现在已经很成熟并经过了优化,但是占位尺寸和高度尺寸意味着分立无源元件总是限制了缩小整体解决方案的面积和体积的努力成效。无源器件通常在一个应用中占物料清单的80%以上,占线路板面积约60%,占整个元件支出约20%。这些因素综合在一起带来了非常复杂的库存控制和存储挑战。

就其本质而言,分立器件是单独处理的元件。尽管可能有一些方法可以确保从某些工艺批次中选择元件,但每个元件仍然具有高度的独特性。然而,当需要非常匹配的元件时,这是一个显著的缺点。对于需要匹配的设备来说,元件之间的独特性和差异性会导致误差,从而降低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,这种性能下降总是越来越糟糕。

分立无源器件的另一个缺点是各个元件的组装和布线非常耗时,并且还占用很大的空间。这些元件使用焊接工艺连接,一般是通过通孔或表贴封装技术(SMT)组装。通孔是一种比较老的组装技术,它将带引线的器件插入PCB的孔中,任何多余的引线长度都将被折弯并切除,并通过波峰焊将器件的引线连接至PCB互连电源轨。表贴封装帮助实现了更小的无源元件。在这种情况下,在PCB上蚀刻贴装连接图案,将焊锡膏覆盖在图案上,接着使用贴片机来定位放置SMT元件。然后,PCB经过回流焊工艺(其间焊锡膏液化并建立电气连接),并在冷却时,焊锡膏凝固并将SMT元件机械连接到PCB上。这两种组装技术的主要问题是,焊接过程可能非常不可靠,在缺陷目标是每百万分之几的行业中,这一点越来越令人担忧。在确保焊点可靠性方面有几个因素非常重要:焊锡膏的实际成分(现在基本上都是无铅的,因此可靠性降低)、回流焊工艺中的机械稳定性(机械振动可使焊点干燥)、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。焊锡膏加热的速度如何、实际温度和温度的均匀性怎样以及焊锡膏加热的时间都非常关键。其中的任何变化都可能导致连接焊盘或通孔的损坏,或者也可能引起器件上的机械应力,随着时间的推移而导致故障。

在PCB上采用无源元件的另一个局限是,由于它们板上分布在各处,走线需要很长。这可能会引入未计入的寄生参数,从而使性能和结果的可重复性受限。通常,PCB走线具有大约1 nH/mm自感的长度和电容,取决于线宽和与附近走线的距离。PCB走线的容差导致了寄生参数的变异,所以不仅带来寄生效应的破坏性,而且它们还是不可预测的。在PCB板上缩小容差会增加成本。

无源器件还提供了许多与外界的潜在接触点,这些接触点经手动处理或机器处理可能会引起ESD事件。同样,这对整体可靠性和鲁棒性会造成不利影响和风险。

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