Công nghệ vi sóng - Thiết bị thụ động màng mỏng trong bảng mạch RF/Microwave

Hầu hết các thiết bị thụ động màng mỏng trong bảng mạch RF/Microwave cũng dựa trên công nghệ nung gốm nhiều lớp, trong đó nhiều lớp điện cực hợp kim kim loại dẫn điện cao và lớp cách điện gốm tổn thất thấp được sắp xếp xen kẽ để có được giá trị điện dung mong muốn. Các lớp kết quả sau đó được nung ở nhiệt độ cao để tạo thành một cấu trúc nguyên khối. Quá trình này vẫn đáp ứng tốt nhu cầu của tụ điện dung lượng lớn và tụ điện công suất cao.

Tuy nhiên, quá trình gốm nhiều lớp có thể dẫn đến sự khác biệt giữa các lô và giữa các sản phẩm trong cùng một lô về các thông số nhất định quan trọng đối với các nhà thiết kế RF, chẳng hạn như giá trị Q, ESR, thay đổi điện trở cách điện và thay đổi giá trị điện dung trong một phạm vi dung sai cụ thể. Mặc dù trong nhiều ứng dụng, những thay đổi trong các thông số này không ảnh hưởng tiêu cực, những đột phá công nghệ hiện tại trong sản xuất các thành phần màng mỏng cung cấp cho các nhà thiết kế một giải pháp thay thế để sản xuất các thành phần tấm vi sóng tần số cao.

Công nghệ màng tương tự được sử dụng để sản xuất chất bán dẫn cũng có thể được sử dụng để sản xuất các yếu tố thụ động màng mỏng với các đặc tính điện và vật lý nghiêm ngặt. Chiều rộng dây dẫn và độ dày lớp cách điện có thể lên tới 1μm và 10nm tương ứng. Kích thước chiều rộng đường nghiêm ngặt dẫn đến dung sai tham số nghiêm ngặt (giá trị cảm ứng và giá trị điện dung) và một số lợi thế hiệu suất điện khác có thể được tối ưu hóa hơn nữa. Do quá trình lắng đọng điện cực chân không cao, giá trị ESR cực kỳ ổn định giữa các lô sản phẩm và giữa các sản phẩm khác nhau trong cùng một lô. Lớp cách nhiệt siêu tinh khiết và K thấp thu được thông qua quá trình lắng đọng hơi hóa học (CVD) làm cho các giá trị Q và ESR rất ổn định. Giá trị trở kháng ổn định và có thể dự đoán được trên dải tần số rộng hơn. Quy trình đóng gói mảng lưới phẳng (LGA) cho phép nó giảm các thông số ký sinh.

Những lợi thế hiệu suất này của các yếu tố phim có ảnh hưởng đến thiết kế. Thông thường, số lượng các thành phần cần thiết để đạt được một chức năng mạch cụ thể có thể giảm. Bằng cách giảm số lượng các thành phần được sử dụng, bạn không chỉ có thể giảm kích thước thiết kế mà còn tiết kiệm thời gian lắp ráp và chi phí và cải thiện độ tin cậy của sản phẩm. Ngoài ra, hiệu suất điện tổng thể của các sản phẩm sử dụng thành phần này sẽ được cải thiện do tính chất điện ổn định hơn và tổn thất thấp hơn.

Trong một ứng dụng điển hình, bộ lọc thu hẹp được sử dụng để làm suy giảm tần số chênh lệch ngẫu nhiên và sóng hài được tạo ra bởi các máy thu vô tuyến đa băng tần, dải rộng, phức tạp. Với bộ phim gần như hoàn hảo, sáu thành phần được sử dụng trong thiết kế Double T có thể được thay thế bằng một tụ điện màng chất lượng cao.

Tụ điện màng mỏng (hình 1) cũng có một lợi thế hiệu suất không được đề cập: nó chỉ đáp ứng một điểm cộng hưởng, vì thiết bị được đóng gói như một tụ gốm nhiều lớp (MLCC) được thiết kế bằng cách sử dụng một lớp cách điện duy nhất. Hình 2 cho thấy đường cong đặc tính tổn thất truyền chuyển tiếp S21 một phần của tụ điện màng này.

Hình 1 Cấu trúc tụ điện màng

Hình 2 Đường cong đặc tính tổn thất truyền về phía trước cho S21

Bằng cách chọn các thành phần tụ điện màng mỏng, các nhà sản xuất PCB có thể đạt được hiệu suất điện vượt trội của tụ điện một lớp và tận hưởng những lợi thế của các thành phần loại MLCC. Hình 3 cho thấy ảnh hưởng của sự ổn định của hiệu suất tụ điện màng trên độ dày của điện cực và lớp oxit, cũng như ảnh hưởng của khối lượng của nó trên giá trị K của lớp cách điện.

Hình 3 Phản ứng tần số của tụ điện màng mỏng có độ lặp lại tuyệt vời

Chúng ta phải nhận ra rằng có những hạn chế trong việc sử dụng tụ điện màng mỏng làm bộ lọc băng trở. Bởi vì tụ điện màng thường chỉ cung cấp các giá trị tụ điện nhỏ, chúng bị giới hạn trong thiết kế bộ lọc băng trở ở tần số tương đối cao. Nếu có liên quan đến thiết kế tần số thấp, thì phải sử dụng phương pháp lọc thay thế, thường là tụ điện bảng mạch RF/vi sóng đa lớp Q cao.

Màng cảm ứng.

Cuộn cảm màng mỏng có nhiều lợi thế thực tế so với cuộn cảm rỗng (mặc dù chúng không thể đạt được cùng một Q). Cuộn cảm màng mỏng dễ cầm và đặt hơn cuộn cảm rỗng trong quá trình lắp đặt bề mặt. Phổ hồng ngoại, pha khí và sóng thường được sử dụng trong lắp ráp cũng thuận tiện. Ngoài ra, các cuộn cảm màng mỏng có thể duy trì giá trị cảm ứng của chúng trong các quá trình này cũng như trong môi trường xử lý và rung động mạnh. Mặc dù chúng không thể được điều chỉnh trong mạch như một cuộn cảm rỗng, một khi giá trị cảm ứng chính xác cần thiết để thực hiện một số chức năng mạch nhất định được xác định, cuộn cảm màng mỏng có thể được sử dụng thay cho cuộn cảm rỗng (giả sử giá trị Q là đủ).

Như trường hợp với tụ điện màng, ESR và tổn thất của cuộn cảm màng giảm đáng kể do kiểm soát chiều rộng đường và chất lượng/độ chính xác của lớp cách điện lắng đọng. Điều này cho phép kích thước thành phẩm được giảm xuống gói 0402 và cho phép đạt được gần như bất kỳ giá trị cảm ứng mong muốn nào trong khi cho phép độ chính xác gần 0,05nH. Ngoài ra, quá trình kim loại hóa ổn định cho phép cuộn cảm màng có khả năng chịu tải cao: khả năng chịu tải thay đổi tùy theo sản phẩm và lên đến 1000mA.

Cuộn cảm màng mỏng có thể được sử dụng để bù tần số cho bộ khuếch đại băng thông rộng. Trước đây, kết hợp điện trở/cuộn cảm được sử dụng. Như trong trường hợp của tụ điện màng mỏng, việc sử dụng cuộn cảm màng mỏng có thể làm giảm số lượng thành phần được sử dụng trong mạch, do đó giảm kích thước thành phẩm, giảm trọng lượng, đơn giản hóa việc lắp ráp, giảm chi phí và tăng độ tin cậy. Giống như tụ điện màng mỏng, cuộn cảm màng mỏng chỉ có thể cung cấp giá trị cảm ứng nhỏ hơn, do đó ứng dụng của chúng bị hạn chế.

Điều đó nói rằng, cuộn cảm phim có thể cung cấp một giải pháp tốt cho các nhà thiết kế ở tần số rất cao. Một ví dụ phổ biến của các ứng dụng là dao động với tần số lên đến vài gigahertz. Ở tần số cao, việc sử dụng cuộn cảm cuộn dây là không thực tế, vì công nghệ sản xuất cuộn cảm cuộn dây với giá trị cuộn dây nhỏ như vậy không có sẵn. Trong loại ứng dụng này, các nhà thiết kế chỉ có hai lựa chọn: sử dụng thiết kế bảng mạch serpentine PCB để có được giá trị cảm ứng thấp hoặc chọn cuộn cảm màng bọc bề mặt thu nhỏ.