射頻/微波電路中的薄膜無源器件

就在不久之前，大多數(shù)微波電容器還都基于多層陶瓷燒制技術(shù)。在生產(chǎn)過程中，多層高導(dǎo)電性的金屬合金電極層和低損耗的陶瓷絕緣層交錯(cuò)排列，從而得到所需要的電容值。然后，將合成的疊層進(jìn)行高溫?zé)疲瑢⑵錈Y(jié)成單片結(jié)構(gòu)。這一工藝目前仍然很好地滿足大容量射頻電容器以及大功率電容器的需要。

不過，多層陶瓷工藝可能會(huì)導(dǎo)致不同批次產(chǎn)品以及同一批次不同產(chǎn)品之間的某些參數(shù)出現(xiàn)差異，而這些參數(shù)對(duì)射頻設(shè)計(jì)人員來說是十分重要的，如Q值、ESR，絕緣電阻的變化以及電容值在整個(gè)指定的容差范圍內(nèi)的變化。盡管在許多應(yīng)用場(chǎng)合中，這些參數(shù)變化并不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，目前在薄膜元件生產(chǎn)領(lǐng)域的技術(shù)突破為，設(shè)計(jì)人員提供了生產(chǎn)高頻微波元件的一種替代方案。

生產(chǎn)半導(dǎo)體所使用的薄膜技術(shù)也可以同樣用于生產(chǎn)具有嚴(yán)格的電氣和物理特性的薄膜無源元件。線寬尺寸和絕緣層厚度可分別達(dá)到1μm和10nm以下。

嚴(yán)格的線寬尺寸帶來了嚴(yán)格的參數(shù)容差（電感值和電容值），此外，其他幾項(xiàng)電氣性能優(yōu)勢(shì)也可以得到進(jìn)一步優(yōu)化。由于采用了高真空電極沉積工藝，不同批次產(chǎn)品之間以及同一批次不同產(chǎn)品之間的ESR值極其穩(wěn)定。而通過化學(xué)氣相沉積工藝（CVD）得到的超純凈、低K值的絕緣層使得Q值和ESR值都十分穩(wěn)定。在很寬的頻率范圍內(nèi)阻抗值具有穩(wěn)定性和可預(yù)測(cè)性。平面柵格陣列（LGA）封裝工藝使其能夠降低寄生參數(shù)。

薄膜元件的這些性能優(yōu)勢(shì)會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。通常，對(duì)于實(shí)現(xiàn)某一特定電路功能，可以減少所需的元件數(shù)量。通過減少所用的元件數(shù)量，不但會(huì)減小設(shè)計(jì)尺寸，還會(huì)節(jié)省組裝時(shí)間和降低組裝費(fèi)用，同時(shí)提高產(chǎn)品的可靠性。此外，由于元件的電氣性能更加穩(wěn)定，損耗更低，應(yīng)用此元件的產(chǎn)品的整體電氣性能也會(huì)得到提升。

實(shí)例：帶阻濾波器
帶阻濾波器就是薄膜元件的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。帶阻濾波器的電路設(shè)計(jì)是阻止特定射頻頻譜的信號(hào)通過而允許其他信號(hào)無衰減通過。它也常被稱為陷波濾波器、帶止濾波器或頻帶抑制濾波器。帶阻濾波器常用于功率放大器和天線前面的匹配電路之間。

以一個(gè)典型應(yīng)用為例。復(fù)雜的、覆蓋范圍廣的多帶無線電接收器常會(huì)意外產(chǎn)生差頻和諧波，窄帶陷波濾波器就用于衰減這些差頻和諧波。由于薄膜近乎完美的特性，使用一個(gè)高品質(zhì)薄膜電容器就可以替換掉雙T形設(shè)計(jì)中所使用的6個(gè)元件。

薄膜電容器（如圖1所示）還具有一項(xiàng)前面沒有提及的性能優(yōu)勢(shì)：它的響應(yīng)只有1個(gè)諧振點(diǎn)，因?yàn)檫@種器件使用單絕緣層設(shè)計(jì)封裝成多層陶瓷電容器（MLCC）。圖2顯示了這種薄膜電容器的部分S21前向傳輸損耗特性曲線。

圖1 薄膜電容器的結(jié)構(gòu)

圖2 S21前向傳輸損耗特性曲線

制造廠商選用薄膜電容器元件，不但可以獲得單層電容器優(yōu)越的電氣性能，還可以盡享MLCC類型元件應(yīng)用的便利之處。圖3顯示了薄膜電容器性能的穩(wěn)定性對(duì)電極和氧化層厚度的影響，以及其質(zhì)量對(duì)絕緣層K值的影響。

圖3 與MLCC相比，薄膜電容器的頻率響應(yīng)具有優(yōu)異的可重復(fù)性

我們必須認(rèn)識(shí)到薄膜電容器用作帶阻濾波器是具有局限性的。因?yàn)楸∧る娙萜魍ǔＶ荒芴峁┬‰娙葜?，所以它們局限于頻率相對(duì)較高的帶阻濾波器設(shè)計(jì)。如果涉及到低頻設(shè)計(jì)，必須采用其他的濾波器方法，通常是使用高Q值的多層射頻電容器。

薄膜電感
與空氣芯電感相比，薄膜電感具備許多實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)（盡管它們無法達(dá)到相同的Q值）。在表面貼裝過程中，薄膜電感要比空氣芯電感更便于抓取和放置。應(yīng)用目前裝配中通用的IR、蒸汽相法和波工藝也很方便對(duì)其進(jìn)行處理。此外，薄膜電感在這些處理過程中以及搬運(yùn)和強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境中都能夠保持電感值不變。盡管它們不能像空氣芯電感那樣在電路中進(jìn)行調(diào)諧，但是一旦確定了實(shí)現(xiàn)一定電路功能所需要的準(zhǔn)確電感值，就可以使用薄膜電感來替代空氣芯電感（假定Q值能夠滿足需要）。

與薄膜電容器的情況相仿，薄膜電感的ESR和損耗顯著降低，這得益于線寬控制以及絕緣層沉積的質(zhì)量/精度。這使得成品尺寸可以減小到0402封裝，并可以實(shí)現(xiàn)幾乎任何所需的電感值，同時(shí)容差精度接近0.05nH。此外，穩(wěn)定的金屬化工藝使得薄膜電感具備了較高的載流能力：不同產(chǎn)品之間載流能力存在差別，最高可達(dá)1000mA。

薄膜電感可用于寬帶放大器的頻率補(bǔ)償。以前使用的是電阻/電感組合。同薄膜電容器的情況一樣，使用薄膜電感器可以減少電路中使用的元件數(shù)量，從而減小成品尺寸、降低重量、簡(jiǎn)化裝配、降低成本并提高可靠性。

如同薄膜電容器一樣，薄膜電感器只能提供較小的電感值，所以應(yīng)用上是存在限制的。

也就是說，薄膜電感器可以為設(shè)計(jì)人員在極高頻率處提供一個(gè)很好的解決方案。一個(gè)常見的應(yīng)用實(shí)例是頻率高達(dá)數(shù)吉赫的振蕩器。在高頻處，使用線繞電感是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槟壳吧a(chǎn)電感值如此之小的線繞電感的技術(shù)尚不具備。

在這種應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)人員只有兩種選擇：使用PCB電路板蛇形走線的線路設(shè)計(jì)來獲得低電感值的電感，或者選擇微型的表面封裝薄膜電感器。

其他薄膜元件
應(yīng)用從制造薄膜電容和薄膜電感中獲取的知識(shí)和工藝能力，人們已經(jīng)開發(fā)出許多其他元件，其中包括耦合器和諧波低通濾波器。