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ADI:运用微型模块SIP中的集成无源器材

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 简介集成无源器件在我们的行业中并不是什么新事物

文章转自ADI官网,版权归属原作者一切

简介

集成无源器材在咱们的职业中并不是什么新事物——它们由来已久且众所周知。实践上,ADI公司曩昔曾为商场出产过这类元件。当芯片组将独立的分立无源器材或许是集成无源网络作为其一部分包括在内时,需求对走线寄生效应、器材兼容性和电路板拼装等考虑要素进行细心的规划办理。尽管集成无源器材持续在业界占有重要方位,但只有当它们被集成到体系级封装运用中时才干完成其最重要的价值。

几年前,ADI开端推出新的集成无源技能方案 (iPassives™)。ADI旨在通过这项方案供给二极管、电阻、电感和电容等无源元件,然后能够更广泛地包括信号链规划,一起战胜现有选用无源元件办法的约束性和杂乱性。ADI的客户群对具有高效空间尺度的更完好解决方案的需求,也推动了这项方案的开展。从规划人员的视点来看,iPassives能够被视为一种灵敏的规划东西,能够在极短的开发周期内规划出具有同类最佳功能和鲁棒性的体系解决方案。ADI具有许多信号调度IC,咱们具有的共同硅制作工艺使这些IC能够完成杰出的功能。ADI能够充分运用其现有产品的多样性来出产具有杰出功能特征的即插即用体系,而无需开发高度杂乱的集成流程。在高度可定制的网络中将集成无源技能与一切这些现有技能紧密结合,并运用体系级封装技能进行封装,然后可创立彻底通过认证、测验和表征的Module®器材。曾经选用板级解决方案的体系现在能够简化为单个器材。从咱们的客户视点来看,他们现在能够获得完好的解决方案,具有超卓的开箱即用功能,可缩短开发周期并节省本钱,并且一切这些都在十分紧凑的封装内完成。

无源技能

现在,咱们来扼要回忆一下基础知识,回想一下什么是无源元件。无源元件是无需电源供电的器材,它们的电流和电压之间的联系相对简略。这些元件包括电阻、电容、电感、变压器(即有用耦合电感)和二极管。有时电流-电压之间的联系十分简略,就像电阻中电流随电压线性改变相同。关于二极管来说,电流和电压之间也存在直接联系,仅仅这种联系是指数联系。在电感和电容中,该联系是电流对电压的瞬态依赖性。表1所示为四种根本无源元件界说这些联系的公式:

表1. 首要无源元件的根本公式
分立元件公式符号
电阻Equation 1Symbol 1

V = 电压

I = 电流

t = 时刻

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 = 二极办抱负因子

电容Equation 2Symbol 2
电感Equation 3Symbol 3
二极管Equation 4Symbol 4

无源器材既能够独自运用,也能够串联或并联,是模仿信号处理(RLC用于扩大、衰减、耦合、调和谐滤波)、数字信号处理(上拉电阻、下拉电阻和阻抗匹配电阻)、EMI按捺(LC噪声按捺)和电源办理(R用于电流检测和约束,LC用于能量累积)的重要组成部分。

分立元件的约束性

曩昔,无源元件是分立的,这意味着它们是别离制作的,并且在电路中通过印刷电路板 (PCB) 上的导线或电源轨相连。跟着时刻的推移,它们沿着三条途径开展演化:更小的尺度、更低的本钱和更高的功能。这些开展现在现已很老练并通过了优化,可是占位尺度和高度尺度意味着分立无源元件总是约束了缩小全体解决方案的面积和体积的尽力成效。无源器材一般在一个运用中占物料清单的80%以上,占线路板面积约60%,占整个元件开销约20%。这些要素归纳在一起带来了十分杂乱的库存操控和存储应战。

就其实质而言,分立器材是独自处理的元件。尽管或许有一些办法能够保证从某些工艺批次中挑选元件,但每个元件依然具有高度的共同性。但是,当需求十分匹配的元件时,这是一个明显的缺点。关于需求匹配的设备来说,元件之间的共同性和差异性会导致差错,然后下降时刻零点的电路功能。此外,在电路的工作温度规模内及运用寿命期间,这种功能下降总是越来越糟糕。

分立无源器材的另一个缺点是各个元件的拼装和布线十分耗时,并且还占用很大的空间。这些元件运用焊接工艺衔接,一般是通过通孔或表贴封装技能(SMT)拼装。通孔是一种比较老的拼装技能,它将带引线的器材刺进PCB的孔中,任何剩余的引线长度都将被折弯并切除,并通过波峰焊将器材的引线衔接至PCB互连电源轨。表贴封装协助完成了更小的无源元件。在这种状况下,在PCB上蚀刻贴装衔接图画,将焊锡膏掩盖在图画上,接着运用贴片机来定位放置SMT元件。然后,PCB通过回流焊工艺(其间焊锡膏液化并树立电气衔接),并在冷却时,焊锡膏凝结并将SMT元件机械衔接到PCB上。这两种拼装技能的首要问题是,焊接进程或许十分不行靠,在缺点方针是每百万分之几的职业中,这一点越来越令人担忧。在保证焊点可靠性方面有几个要素十分重要:焊锡膏的实践成分(现在根本上都是无铅的,因而可靠性下降)、回流焊工艺中的机械稳定性(机械振动可使焊点枯燥)、焊锡膏的纯度(任何污染物都会对焊点的可靠性发生负面影响),以及回流焊工艺中的时刻与温度。焊锡膏加热的速度怎么、实践温度和温度的均匀性怎样以及焊锡膏加热的时刻都十分要害。其间的任何改变都或许导致衔接焊盘或通孔的损坏,或许也或许引起器材上的机械应力,跟着时刻的推移而导致毛病。

在PCB上选用无源元件的另一个约束是,因为它们板上散布在遍地,走线需求很长。这或许会引进未计入的寄生参数,然后使功能和成果的可重复性受限。一般,PCB走线具有大约1 nH/mm自感的长度和电容,取决于线宽和与邻近走线的间隔。PCB走线的容差导致了寄生参数的变异,所以不只带来寄生效应的破坏性,并且它们仍是不行猜测的。在PCB板上缩小容差会添加本钱。

无源器材还供给了许多与外界的潜在触摸点,这些触摸点经手动处理或机器处理或许会引起ESD事情。相同,这对全体可靠性和鲁棒性会形成晦气影响和危险。

集成无源器材的优势

在深入探讨集成无源器材比较分立无源器材的优势之前,咱们首要概述一下集成无源器材的来源。集成电路现在包括了许多晶体管(实践上是数百万个),它们由精细的金属相互衔接在一起。针对模仿类的运用,业界还开发了特别的工艺,如DAC和ADC中除了晶体管,还包括电阻和电容等无源元件。为了完成这些精细的模仿运用所需的功能,现已开宣布质量十分高的无源元件。用来构建集成无源器材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相同,集成无源器材能够在一个十分小的封装内包括许多高质量的无源元件。与集成电路相同,集成无源器材在大面积衬底(晶圆)上制作,一起生成多个无源网络。

与分立无源元件比较,集成无源器材最有目共睹的优势之一是能够完成准确匹配。在制作集成无源网络时,网络内的一切元件都是在相同条件下一起制作的,具有相同的资料,并且因为网络紧凑,根本上是在同一方位。选用这种办法制作的无源元件比分立无源元件更或许具有超卓的匹配。为了阐明这一点,咱们假设有一个运用需求两个匹配的电阻。这些电阻在圆形衬底(如硅晶圆)上制作,如图1所示。因为纤细的工艺差异,如电阻薄膜的厚度、薄膜的化学性质、触摸电阻等,因而在同一个批次内将存在必定的阻值差异,而在多个批次里差异值更大。在图1所示的比如中,深绿色表明电阻在容差规模的高位值端,黄色表明电阻在容差规模的低位值端。关于规范的分立器材来说,两个电阻中的恣意一个都或许来自不同的制作批次,如图顶用赤色表明的两个独自的电阻。这两个分立电阻之间可观察到的容差规模或许是整个工艺的容差规模,因而匹配较差。关于有特别的订货约束而言,有或许从同一个批次中挑选这两个分立电阻,如图顶用蓝色标出的两个独自的电阻。这两个电阻之间可观察到的容差只会是在同一个批次内的容差规模。尽管这两个电阻之间的匹配将优于随机分立器材的状况,但仍有或许呈现某种程度的不匹配。最终,关于集成无源器材,两个电阻来自同一个芯片,如图1黑色所示。这两个电阻之间仅有可观察到的容差是在同一个管芯内的容差规模。因而,这两个电阻之间的匹配将十分超卓。此外,运用穿插四边形布局的其他技能和其他办法能够进一步严厉约束两个电阻之间的分散,使元件的匹配到达最佳值。集成无源元件之间的匹配不只在时刻零点比分立无源元件要好得多,并且因为其制作现已很好地耦合,因而在整个温度、机械应力和运用寿命规模内都可坚持更好的匹配记载。

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