Tecnologia RF - Dispositivi passivi a film sottile nel circuito RF/microonde

La maggior parte dei dispositivi passivi a film sottile nel circuito RF / Microonde si basa anche sulla tecnica di cottura ceramica multistrato, in cui strati multipli di strati di elettrodi in lega metallica altamente conduttivi e strati isolanti ceramici a bassa perdita sono sfalsati per ottenere i valori di capacità richiesti. La laminazione risultante viene poi cotta ad alte temperature per formare una struttura monolitica. Questo processo soddisfa ancora molto bene le esigenze della grande capacità di condensatori e condensatori ad alta potenza.

Tuttavia, il processo ceramico multistrato può comportare differenze tra lotti e tra prodotti dello stesso lotto in alcuni parametri che sono importanti per il progettista RF, come i valori Q, ESR, cambiamenti nella resistenza di isolamento e cambiamenti nei valori di capacità in un intervallo di tolleranza specificato. Sebbene ci siano molte applicazioni in cui queste variazioni dei parametri non hanno un impatto negativo, le attuali innovazioni tecnologiche nel campo della produzione di elementi a film sottile stanno fornendo ai progettisti un'alternativa alla produzione di elementi a microonde ad alta frequenza.

La stessa tecnologia a film sottile utilizzata per produrre semiconduttori può essere utilizzata anche per produrre componenti passivi a film sottile con proprietà elettriche e fisiche rigorose. La larghezza del filo e lo spessore dello strato di isolamento possono essere fino a 1μm e 10nm rispettivamente. Le dimensioni rigorose della larghezza di linea portano a tolleranze rigorose dei parametri (valori di induttanza e valori di capacità) e molti altri vantaggi delle prestazioni elettriche possono essere ulteriormente ottimizzati. Grazie al processo di deposizione di elettrodi ad alto vuoto, i valori ESR sono estremamente stabili tra lotti di prodotto e tra prodotti diversi nello stesso lotto. Lo strato isolante ultra puro e basso K ottenuto dal processo di deposizione chimica del vapore (CVD) rende i valori Q ed ESR molto stabili. I valori di impedenza sono stabili e prevedibili su un'ampia gamma di frequenze. Il processo di confezionamento a griglia piatta (LGA) consente di ridurre i parametri parassitari.

Questi vantaggi prestazionali degli elementi a film sottile hanno un impatto sul design. Spesso, il numero di componenti necessari per raggiungere una particolare funzione di circuito può essere ridotto. Riducendo il numero di componenti utilizzati, non solo le dimensioni del progetto saranno ridotte, ma anche i tempi di montaggio e i costi saranno risparmiati e l'affidabilità del prodotto sarà migliorata. Inoltre, le prestazioni elettriche complessive dei prodotti che utilizzano questo componente saranno migliorate grazie alle sue prestazioni elettriche più stabili e alle perdite inferiori.

In un'applicazione tipica, i filtri a tacca a banda stretta sono utilizzati per attenuare le frequenze differenziali accidentali e le armoniche generate da ricevitori radio complessi, ad ampio raggio, multi-banda. Grazie alla natura quasi perfetta del film, è possibile sostituire i sei componenti utilizzati nel design a doppia T con un unico condensatore a pellicola di alta qualità.

Un condensatore a film sottile (mostrato nella Figura 1) ha anche un vantaggio prestazionale non menzionato: risponde ad un solo punto di risonanza perché il dispositivo è confezionato come condensatore ceramico multistrato (MLCC) utilizzando un unico strato isolante. La figura 2 mostra una curva caratteristica parziale della perdita di trasmissione in avanti S21 per questo condensatore a film.

FIG. 1 Struttura del condensatore di film

FIG. 2 Curva caratteristica della perdita di trasmissione in avanti di S21

Scegliendo i componenti del condensatore a film, il produttore di PCB può ottenere le prestazioni elettriche superiori dei condensatori monostrato e godere dei vantaggi dei componenti di tipo MLCC. La figura 3 mostra l'influenza della stabilità delle prestazioni del condensatore del film sullo spessore dell'elettrodo e dello strato di ossido e l'influenza della sua qualità sul valore K dello strato isolante.

FIG. 3 La risposta in frequenza del condensatore del film ha un'eccellente ripetibilità

Dobbiamo renderci conto che l'uso di condensatori a pellicola come filtri a banda-stop ha delle limitazioni. Poiché i condensatori a pellicola in genere forniscono solo valori di capacità piccoli, sono limitati a progetti di filtri a banda-stop relativamente ad alta frequenza. Se sono coinvolti progetti a bassa frequenza, deve essere utilizzato un metodo di filtro alternativo, solitamente utilizzando condensatori multistrato RF/microonde ad alto Q.

Induttanza cinematografica.

Gli induttori di film hanno molti vantaggi pratici rispetto agli induttori air-core (anche se non raggiungono lo stesso Q). Durante il montaggio superficiale, gli induttori del film sono più facili da afferrare e posizionare rispetto agli induttori air-core. È inoltre conveniente usare IR, metodo di fase del vapore e processo d'onda comunemente usato nell'assemblaggio. Inoltre, gli induttori a film possono mantenere i loro valori di induttanza durante questi processi, così come in ambienti di manipolazione e forti vibrazioni. Sebbene non possano essere sintonizzati nel circuito come possono essere gli induttori air-core, una volta determinati i valori esatti di induttanza necessari per implementare determinate funzioni del circuito, gli induttori a film sottile possono essere utilizzati al posto degli induttori air-core (supponendo che il valore Q sia sufficiente).

Come nel caso dei condensatori a film, l'ESR e la perdita dell'induttore a film sono significativamente ridotti grazie al controllo della larghezza della linea e alla qualità/precisione della deposizione dello strato isolante. Ciò consente di ridurre le dimensioni finite ai pacchetti 0402 e consente di raggiungere quasi qualsiasi valore di induttanza richiesto tollerando una precisione vicina a 0,05 nH. Inoltre, il processo di metallizzazione stabile consente all'induttore di film di avere un'elevata capacità di carico corrente: la capacità di carico corrente varia da prodotto a prodotto, fino a 1000mA.

Gli induttori a film sottile possono essere utilizzati per la compensazione della frequenza degli amplificatori a banda larga. In precedenza, è stata utilizzata una combinazione resistore/induttore. Come nel caso dei condensatori a film sottile, l'uso di induttori a film sottile può ridurre il numero di componenti utilizzati nel circuito, riducendo così le dimensioni finite, riducendo il peso, semplificando l'assemblaggio, riducendo i costi e migliorando l'affidabilità. Come i condensatori a film, gli induttori a film possono fornire solo piccoli valori di induttanza, quindi le loro applicazioni sono limitate.

Detto questo, gli induttori a film sottile possono fornire ai progettisti una buona soluzione a frequenze molto alte. Un esempio di applicazione comune sono gli oscillatori con frequenze fino a diversi gigahertz. Alle alte frequenze, è impraticabile utilizzare induttori a filo avvolto perché la tecnologia per produrre induttori a filo avvolto con valori di induttanza così piccoli non è disponibile. In questo tipo di applicazione, i progettisti hanno solo due opzioni: utilizzare un design di circuiti stampati PCB allineati a serpenti per ottenere un valore di induttanza basso, o scegliere un induttore di film incapsulato di superficie in miniatura.