射頻/微波電路中的薄膜無(wú)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(guò)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)?，將其燒結(jié)成單片結(jié)構(gòu)。這一工藝目前仍然很好地滿(mǎn)足大容量射頻電容器以及大功率電容器的需要。

不過(guò)，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(lái)說(shuō)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(wú)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)而允許其他信號(hào)無(wú)衰減通過(guò)。它也常被稱(chēng)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(wú)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(méi)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(lèi)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(wú)法達(dá)到相同的Q值）。在表面貼裝過(guò)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(guò)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(lái)替代空氣芯電感（假定Q值能夠滿(mǎn)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(shuō)，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(jiàn)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(lái)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(kāi)發(fā)出許多其他元件，其中包括耦合器和諧波低通濾波器。