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作者：Mark Murphy和Pat McGuinness 簡(jiǎn)介 集成無(wú)源器件在我們的行業(yè)中并不是什么新事物——它們由來(lái)已久且眾所周知。實(shí)際上，ADI公司過(guò)去曾為市場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)這類(lèi)元件。當芯片組將獨立的分立無(wú)源器件或者是集成無(wú)源網(wǎng)絡(luò )作為其一部分包含在內時(shí)，需要對走線(xiàn)寄生效應、器件兼容性和電路板組裝等考慮因素進(jìn)行仔細的設計管理。雖然集成無(wú)源器件繼續在業(yè)界占據重要地位，但只有當它們被集成到系統級封裝應用中時(shí)才能實(shí)現其最重要的價(jià)值。 幾年前，ADI開(kāi)始推出新的集成無(wú)源技術(shù)計劃(iPassives™)。ADI旨在通過(guò)這項計劃提供二極管、電阻、電感和電容等無(wú)源元件，從而能夠更廣泛地涵蓋信號鏈設計，同時(shí)克服現有采用無(wú)源元件方法的局限性和復雜性。ADI的客戶(hù)群對具有高效空間尺寸的更完整解決方案的需求，也推動(dòng)了這項計劃的發(fā)展。從設計人員的角度來(lái)看，iPassives可以被視為一種靈活的設計工具，能夠在極短的開(kāi)發(fā)周期內設計出具有同類(lèi)最佳性能和魯棒性的系統解決方案。ADI擁有許多信號調理IC，我們擁有的獨特硅制造工藝使這些IC能夠實(shí)現卓越的性能。ADI可以充分利用其現有產(chǎn)品的多樣性來(lái)生產(chǎn)具有卓越性能特征的即插即用系統，而無(wú)需開(kāi)發(fā)高度復雜的集成流程。在高度可定制的網(wǎng)絡(luò )中將集成無(wú)源技術(shù)與所有這些現有技術(shù)緊密結合，并利用系統級封裝技術(shù)進(jìn)行封裝，從而可創(chuàng )建完全經(jīng)過(guò)認證、測試和表征的μModule®器件。以前采用板級解決方案的系統現在可以簡(jiǎn)化為單個(gè)器件。從我們的客戶(hù)角度來(lái)看，他們現在可以獲得完整的解決方案，具有出色的開(kāi)箱即用性能，可縮短開(kāi)發(fā)周期并節約成本，而且所有這些都在非常緊湊的封裝內實(shí)現。 無(wú)源技術(shù) 現在，我們來(lái)簡(jiǎn)要回顧一下基礎知識，回想一下什么是無(wú)源元件。無(wú)源元件是無(wú)需電源供電的器件，它們的電流和電壓之間的關(guān)系相對簡(jiǎn)單。這些元件包括電阻、電容、電感、變壓器（即有效耦合電感）和二極管。有時(shí)電流-電壓之間的關(guān)系非常簡(jiǎn)單，就像電阻中電流隨電壓線(xiàn)性變化一樣。對于二極管來(lái)說(shuō)，電流和電壓之間也存在直接關(guān)系，只是這種關(guān)系是指數關(guān)系。在電感和電容中，該關(guān)系是電流對電壓的瞬態(tài)依賴(lài)性。表1所示為四種基本無(wú)源元件定義這些關(guān)系的公式： 表1.主要無(wú)源元件的基本公式 
無(wú)源器件既可以單獨使用，也可以串聯(lián)或并聯(lián)，是模擬信號處理（RLC用于放大、衰減、耦合、調諧和濾波）、數字信號處理（上拉電阻、下拉電阻和阻抗匹配電阻）、EMI抑制（LC噪聲抑制）和電源管理（R用于電流檢測和限制，LC用于能量累積）的重要組成部分。 分立元件的局限性 過(guò)去，無(wú)源元件是分立的，這意味著(zhù)它們是分別制造的，并且在電路中通過(guò)印刷電路板(PCB)上的導線(xiàn)或電源軌相連。隨著(zhù)時(shí)間的推移，它們沿著(zhù)三條路徑發(fā)展演變：更小的尺寸、更低的成本和更高的性能。這些發(fā)展現在已經(jīng)很成熟并經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，但是占位尺寸和高度尺寸意味著(zhù)分立無(wú)源元件總是限制了縮小整體解決方案的面積和體積的努力成效。無(wú)源器件通常在一個(gè)應用中占物料清單的80％以上，占線(xiàn)路板面積約60％，占整個(gè)元件支出約20％。這些因素綜合在一起帶來(lái)了非常復雜的庫存控制和存儲挑戰。 就其本質(zhì)而言，分立器件是單獨處理的元件。盡管可能有一些方法可以確保從某些工藝批次中選擇元件，但每個(gè)元件仍然具有高度的獨特性。然而，當需要非常匹配的元件時(shí)，這是一個(gè)顯著(zhù)的缺點(diǎn)。對于需要匹配的設備來(lái)說(shuō)，元件之間的獨特性和差異性會(huì )導致誤差，從而降低時(shí)間零點(diǎn)的電路性能。此外，在電路的工作溫度范圍內及使用壽命期間，這種性能下降總是越來(lái)越糟糕。 分立無(wú)源器件的另一個(gè)缺點(diǎn)是各個(gè)元件的組裝和布線(xiàn)非常耗時(shí)，并且還占用很大的空間。這些元件使用焊接工藝連接，一般是通過(guò)通孔或表貼封裝技術(shù)(SMT)組裝。通孔是一種比較老的組裝技術(shù)，它將帶引線(xiàn)的器件插入PCB的孔中，任何多余的引線(xiàn)長(cháng)度都將被折彎并切除，并通過(guò)波峰焊將器件的引線(xiàn)連接至PCB互連電源軌。表貼封裝幫助實(shí)現了更小的無(wú)源元件。在這種情況下，在PCB上蝕刻貼裝連接圖案，將焊錫膏覆蓋在圖案上，接著(zhù)使用貼片機來(lái)定位放置SMT元件。然后，PCB經(jīng)過(guò)回流焊工藝（其間焊錫膏液化并建立電氣連接），并在冷卻時(shí)，焊錫膏凝固并將SMT元件機械連接到PCB上。這兩種組裝技術(shù)的主要問(wèn)題是，焊接過(guò)程可能非常不可靠，在缺陷目標是每百萬(wàn)分之幾的行業(yè)中，這一點(diǎn)越來(lái)越令人擔憂(yōu)。在確保焊點(diǎn)可靠性方面有幾個(gè)因素非常重要：焊錫膏的實(shí)際成分（現在基本上都是無(wú)鉛的，因此可靠性降低）、回流焊工藝中的機械穩定性（機械振動(dòng)可使焊點(diǎn)干燥)、焊錫膏的純度（任何污染物都會(huì )對焊點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生負面影響)，以及回流焊工藝中的時(shí)間與溫度。焊錫膏加熱的速度如何、實(shí)際溫度和溫度的均勻性怎樣以及焊錫膏加熱的時(shí)間都非常關(guān)鍵。其中的任何變化都可能導致連接焊盤(pán)或通孔的損壞，或者也可能引起器件上的機械應力，隨著(zhù)時(shí)間的推移而導致故障。 在PCB上采用無(wú)源元件的另一個(gè)局限是，由于它們板上分布在各處，走線(xiàn)需要很長(cháng)。這可能會(huì )引入未計入的寄生參數，從而使性能和結果的可重復性受限。通常，PCB走線(xiàn)具有大約1 nH/mm自感的長(cháng)度和電容，取決于線(xiàn)寬和與附近走線(xiàn)的距離。PCB走線(xiàn)的容差導致了寄生參數的變異，所以不僅帶來(lái)寄生效應的破壞性，而且它們還是不可預測的。在PCB板上縮小容差會(huì )增加成本。 無(wú)源器件還提供了許多與外界的潛在接觸點(diǎn)，這些接觸點(diǎn)經(jīng)手動(dòng)處理或機器處理可能會(huì )引起ESD事件。同樣，這對整體可靠性和魯棒性會(huì )造成不利影響和風(fēng)險。 集成無(wú)源器件的優(yōu)勢 在深入探討集成無(wú)源器件相比分立無(wú)源器件的優(yōu)勢之前，我們首先概述一下集成無(wú)源器件的起源。集成電路現在包含了許多晶體管（實(shí)際上是數百萬(wàn)個(gè)），它們由精細的金屬互相連接在一起。針對模擬類(lèi)的應用，業(yè)界還開(kāi)發(fā)了特殊的工藝，如DAC和ADC中除了晶體管，還包含電阻和電容等無(wú)源元件。為了實(shí)現這些精密的模擬應用所需的性能，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出質(zhì)量非常高的無(wú)源元件。用來(lái)構建集成無(wú)源器件的正是這些高質(zhì)量的無(wú)源元件。正如集成電路中包含許多晶體管一樣，集成無(wú)源器件可以在一個(gè)非常小的封裝內包含許多高質(zhì)量的無(wú)源元件。與集成電路一樣，集成無(wú)源器件在大面積襯底（晶圓）上制造，同時(shí)生成多個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò )。 與分立無(wú)源元件相比，集成無(wú)源器件最引人注目的優(yōu)勢之一是可以實(shí)現精確匹配。在制造集成無(wú)源網(wǎng)絡(luò )時(shí)，網(wǎng)絡(luò )內的所有元件都是在相同條件下同時(shí)制造的，具有相同的材料，而且由于網(wǎng)絡(luò )緊湊，基本上是在同一位置。采用這種方式制造的無(wú)源元件比分立無(wú)源元件更可能具有出色的匹配。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，我們假設有一個(gè)應用需要兩個(gè)匹配的電阻。這些電阻在圓形襯底（如硅晶圓）上制造，如圖1所示。由于細微的工藝差異，如電阻薄膜的厚度、薄膜的化學(xué)性質(zhì)、接觸電阻等，因此在同一個(gè)批次內將存在一定的阻值差異，而在多個(gè)批次里差異值更大。在圖1所示的例子中，深綠色表示電阻在容差范圍的高位值端，黃色表示電阻在容差范圍的低位值端。對于標準的分立器件來(lái)說(shuō)，兩個(gè)電阻中的任意一個(gè)都可能來(lái)自不同的制造批次，如圖中用紅色表示的兩個(gè)單獨的電阻。這兩個(gè)分立電阻之間可觀(guān)察到的容差范圍可能是整個(gè)工藝的容差范圍，因此匹配較差。對于有特殊的訂購限制而言，有可能從同一個(gè)批次中選擇這兩個(gè)分立電阻，如圖中用藍色標出的兩個(gè)單獨的電阻。這兩個(gè)電阻之間可觀(guān)察到的容差只會(huì )是在同一個(gè)批次內的容差范圍。雖然這兩個(gè)電阻之間的匹配將優(yōu)于隨機分立器件的情況，但仍有可能出現某種程度的不匹配。最后，對于集成無(wú)源器件，兩個(gè)電阻來(lái)自同一個(gè)芯片，如圖1黑色所示。這兩個(gè)電阻之間唯一可觀(guān)察到的容差是在同一個(gè)管芯內的容差范圍。因此，這兩個(gè)電阻之間的匹配將非常出色。此外，使用交叉四邊形布局的其他技術(shù)和其他方法可以進(jìn)一步嚴格限制兩個(gè)電阻之間的擴散，使元件的匹配達到最佳值。集成無(wú)源元件之間的匹配不僅在時(shí)間零點(diǎn)比分立無(wú)源元件要好得多，而且由于其制造已經(jīng)很好地耦合，因此在整個(gè)溫度、機械應力和使用壽命范圍內都可保持更好的匹配記錄。
圖1.分立電阻與無(wú)源電阻的匹配比較。 集成無(wú)源器件中的各個(gè)元件緊密地放置在一起（實(shí)際上在微米范圍內），因此，互連寄生參數（如布線(xiàn)電阻和電感）可以保持在極低的水平。在PCB上，由于走線(xiàn)容差和元件放置容差，互連寄生參數可能會(huì )發(fā)生變化。由于制造工藝中采用微影工藝，因此使用集成無(wú)源器件的互連容差和元件放置容差都很小。在集成無(wú)源器件中，不僅寄生參數非常小，而且這些為數不多的參數還是可預測的，因此可靠性很高。 通過(guò)集成無(wú)源器件實(shí)現無(wú)源網(wǎng)絡(luò )的小型化，為電路板直接帶來(lái)小尺寸的優(yōu)勢。這直接使電路板成本降低，并允許在更小的占位空間上實(shí)現更多功能和更高性能。使用集成無(wú)源器件時(shí)，構建多通道系統變得更加實(shí)際可行。 集成無(wú)源器件的另一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢是其整個(gè)布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )周?chē)聂敯粜�。集成無(wú)源器件本質(zhì)上是在一個(gè)完整的單元里一起鍛造，用玻璃密封，然后進(jìn)一步由牢固的塑料封裝進(jìn)行保護，而不需要大量的焊接連接。在集成無(wú)源網(wǎng)絡(luò )中，不存在焊點(diǎn)干燥、腐蝕或元件錯位的問(wèn)題。 集成無(wú)源網(wǎng)絡(luò )密封性能出色帶來(lái)的另一個(gè)優(yōu)勢是，系統中暴露節點(diǎn)的數量大大減少。因此，系統因意外短路或靜電放電(ESD)事件損壞的可能性顯著(zhù)降低。 維護和控制任何電路板組裝的元件庫存都是一項非常復雜的任務(wù)。集成無(wú)源器件在一個(gè)器件內包含多個(gè)無(wú)源元件，大大減輕了客戶(hù)的物料清單負擔，從而降低擁有成本�？蛻�(hù)可以獲得經(jīng)過(guò)完全測試和充分驗證的集成無(wú)源網(wǎng)絡(luò )。這意味著(zhù)，最終線(xiàn)路板構建的產(chǎn)量得到提高，這不僅可以進(jìn)一步節省成本，還可以提高供應鏈的可預測性。 使用ADI的集成無(wú)源器件(iPassives) 如前所述，高質(zhì)量的無(wú)源器件一直是ADI多年來(lái)眾多產(chǎn)品所實(shí)現的電路性能的核心。在此期間，無(wú)源器件的范圍不斷擴大并且質(zhì)量不斷提高，集成無(wú)源器件產(chǎn)品組合現在包含大量元件。集成無(wú)源器件采用模塊化工藝，這意味著(zhù)只有在需要特定元件時(shí)才需要執行生產(chǎn)某種類(lèi)型無(wú)源器件所需的工藝步驟。iPassives網(wǎng)絡(luò )的構建基本上只需要必需的工藝復雜性，不多也不少。如圖2所示，有許多無(wú)源構建塊可供選擇，構建一個(gè)集成無(wú)源網(wǎng)絡(luò )就像將所需元件拼裝在一起一樣簡(jiǎn)單。
圖2.iPassives構建塊。 如本文前面所述，集成無(wú)源器件與分立無(wú)源器件相比具有許多優(yōu)勢。ADI將它們用于μModule器件中，進(jìn)一步加強了這些優(yōu)勢。這些模塊利用了各種集成電路的功能。這些電路通過(guò)量身定制的工藝進(jìn)行制造，所提供的增強性能是無(wú)法通過(guò)其他任何單一工藝實(shí)現的。ADI正在使用iPassives將這些集成電路連接在一起，由此在單個(gè)器件內構建完整的精密信號鏈。圖3中的兩個(gè)μModule器件示例包括數據轉換器、放大器和其他元件，通過(guò)采用集成無(wú)源器件構建的無(wú)源增益和濾波網(wǎng)絡(luò )將它們結合在一起。
圖3.使用iPassives的μModule產(chǎn)品示例。 ADI生產(chǎn)高度可定制的精密信號調理系統。采用來(lái)自大量經(jīng)現場(chǎng)驗證的IC產(chǎn)品組合的可重復使用的方法，并將其與iPassives的多功能性相結合，從而使開(kāi)發(fā)周期時(shí)間和成本都顯著(zhù)下降。這一決定為客戶(hù)提供了巨大的優(yōu)勢，使客戶(hù)可以自行利用最先進(jìn)的性能更快、更高效地進(jìn)入市場(chǎng)。 結論 乍一看，使用集成無(wú)源器件可能只會(huì )比其他更成熟的方法顯得略微有利。然而，實(shí)際優(yōu)勢更為顯著(zhù)，ADI采用iPassives不僅重新定義了可以實(shí)現的功能，還重新定義了速度、成本和設計尺寸，使之對客戶(hù)更為有利。 Mark Murphy [ mark.murphy@analog.com]是愛(ài)爾蘭利默里克精密轉換器部的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。他擁有梅里馬克學(xué)院電子工程學(xué)士學(xué)位和利默里克大學(xué)工商管理碩士學(xué)位。 Pat McGuinness [ pat.mcguinness@analog.com]是ADI公司的產(chǎn)品工程師，負責在封裝應用系統中使用集成無(wú)源器件。自1994年加入ADI以來(lái)，Pat一直致力于產(chǎn)品產(chǎn)量改進(jìn)活動(dòng)、電路設計、器件建模和新工藝開(kāi)發(fā)。在A(yíng)DI期間，他設計了精密轉換器、開(kāi)關(guān)、傳感器和無(wú)源網(wǎng)絡(luò )。Pat畢業(yè)于科克大學(xué)，獲得電氣與微電子工程學(xué)士學(xué)位。 |
