作者：Mark Murphy and Pat McGuinness

集成無(wú)源器件在我們的業(yè)務(wù)中并不是什么新鮮事——它們由來(lái)已久，并且廣為人知。事實(shí)上，ADI過(guò)去曾為市場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)此類元件。當(dāng)獨(dú)立的分立無(wú)源甚至集成無(wú)源網(wǎng)絡(luò)作為芯片組的一部分時(shí)，路由寄生效應(yīng)、器件兼容性和電路板組裝考慮因素將需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)管理。雖然集成無(wú)源器件在行業(yè)中繼續(xù)占有重要地位，但只有當(dāng)它們包含在封裝應(yīng)用中時(shí)，它們最重要的價(jià)值才能開(kāi)始實(shí)現(xiàn)。

ADI公司幾年前啟動(dòng)了一項(xiàng)新的集成無(wú)源技術(shù)計(jì)劃（iPassives?）。該計(jì)劃的目的是提供無(wú)源元件、二極管、電阻、電感和電容，使ADI能夠涵蓋更多的信號(hào)鏈，同時(shí)克服過(guò)去采用無(wú)源元件的現(xiàn)有方法的局限性和復(fù)雜性。ADI的客戶群對(duì)空間高效封裝的更完整解決方案的需求也推動(dòng)了這些發(fā)展。從設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，iPassives可以被視為一種靈活的設(shè)計(jì)工具，可以在極短的開(kāi)發(fā)周期內(nèi)設(shè)計(jì)出具有一流性能和魯棒性的系統(tǒng)解決方案。ADI擁有許多信號(hào)調(diào)理IC，其卓越的性能得益于我們可以使用的獨(dú)特硅制造工藝。無(wú)需開(kāi)發(fā)高度復(fù)雜的集成工藝，ADI可以利用其現(xiàn)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(tǒng)。集成的無(wú)源技術(shù)用于將這一切捆綁在高度可定制的網(wǎng)絡(luò)中，并通過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)進(jìn)行封裝，以創(chuàng)建完全合格、測(cè)試和表征的μModule器件。以前是板級(jí)解決方案的系統(tǒng)現(xiàn)在可以簡(jiǎn)化為單個(gè)器件。從我們的客戶的角度來(lái)看，他們現(xiàn)在可以獲得完整的解決方案，這些解決方案具有出色的開(kāi)箱即用性能、較短的開(kāi)發(fā)周期和成本節(jié)約 — 所有這些都在非常緊湊的封裝中。

無(wú)源技術(shù)

因此，讓我們簡(jiǎn)要地回到基礎(chǔ)知識(shí)，并提醒自己什么是無(wú)源元件。無(wú)源元件是無(wú)源器件，電流和電壓之間的關(guān)系相對(duì)簡(jiǎn)單。這些元件包括電阻器、電容器、電感器、變壓器（有效耦合的電感器）和二極管。有時(shí)，電流-電壓關(guān)系非常簡(jiǎn)單，例如在電阻器中，電流與電壓呈線性關(guān)系。對(duì)于二極管，電流和電壓之間存在直接關(guān)系，但這種關(guān)系是指數(shù)級(jí)的。在電感器和電容器中，這種關(guān)系具有電流和電壓瞬態(tài)依賴性。表 1 顯示了為四個(gè)基本無(wú)源元件定義這些關(guān)系的公式：

離散元件	方程	象征
電阻器			V = 電壓 I = 電流 t = 時(shí)間 R = 電阻（歐姆） C = 以法拉為單位的電容 L = 線圈電感，單位為亨利 我S= 二極管飽和電流 VT= 熱電壓 h = 二極管理想系數(shù)
電容器
感應(yīng)器
二極管

無(wú)源器件可以單獨(dú)使用，可以串聯(lián)或并聯(lián)連接，是模擬信號(hào)處理（RLC用于放大、衰減、耦合、調(diào)諧和濾波）、數(shù)字信號(hào)處理（上拉、下拉和阻抗匹配電阻）、EMI抑制（LC噪聲抑制）和電源管理（R用于電流檢測(cè)和限制，LC用于能量累積）中必不可少的組件。

分立元件的局限性

從歷史上看，無(wú)源元件一直是分立的，這意味著它們是單獨(dú)制造的，并使用印刷電路板（PCB）上的導(dǎo)電線或走線連接在電路中。隨著時(shí)間的推移，它們沿著三條路徑發(fā)展：更小的尺寸、更低的成本和更高的性能。這種演變現(xiàn)在已經(jīng)成熟和優(yōu)化，但尺寸和外形的大小意味著分立式無(wú)源元件總是限制了減少整體解決方案面積和體積的努力。無(wú)源器件通常占應(yīng)用中物料清單的80%以上，占據(jù)約60%的面積，占整體組件支出的20%左右。這些因素加在一起，產(chǎn)生了非常復(fù)雜的庫(kù)存控制和存儲(chǔ)挑戰(zhàn)。

就其本質(zhì)而言，分立器件是單獨(dú)處理的組件。雖然可能有辦法確保可以從某些工藝批次中選擇組件，但每個(gè)組件仍然具有高度的唯一性。然而，當(dāng)涉及到需要非常匹配的組件時(shí)，這是一個(gè)明顯的缺點(diǎn)。對(duì)于要匹配的器件，組件之間的唯一性和差異會(huì)導(dǎo)致誤差，從而降低零時(shí)間電路性能。此外，這種性能下降在電路的工作溫度和使用壽命內(nèi)總是會(huì)變得更糟。

分立式無(wú)源器件的另一個(gè)缺點(diǎn)是單個(gè)組件的組裝和布線需要時(shí)間，并且占用很大的空間。元件使用焊接工藝連接，通常是通孔或表面貼裝技術(shù) （SMT） 組件。通孔是較舊的組裝技術(shù)，其中引線部件插入PCB上的孔中，任何多余的引線長(zhǎng)度都被鉚接和切割，熔融的焊料波將器件的引線連接到PCB互連軌道。表面貼裝組件使開(kāi)發(fā)更小的無(wú)源元件成為可能;在這種情況下，在PCB上蝕刻著陸圖案，使用焊膏覆蓋圖案，然后使用拾取和放置機(jī)定位SMT元件。然后，PCB通過(guò)焊接回流工藝，其中焊料液化并建立電氣連接，冷卻時(shí)，焊料固化并將SMT元件機(jī)械地固定在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，并且在缺陷目標(biāo)為百萬(wàn)分之一的行業(yè)中，這正變得越來(lái)越令人擔(dān)憂。有幾個(gè)因素對(duì)于確保焊料可靠性很重要：焊料的實(shí)際成分（現(xiàn)在通常是無(wú)鉛的，因此可靠性較低）、焊料回流過(guò)程中的機(jī)械穩(wěn)定性（機(jī)械振動(dòng)會(huì)使焊點(diǎn)干燥）、焊料的純度（任何污染物都會(huì)對(duì)焊料可靠性產(chǎn)生不利影響）以及焊料回流過(guò)程中的時(shí)間和溫度。焊料的加熱速度、實(shí)際溫度和溫度均勻性以及焊料加熱多長(zhǎng)時(shí)間至關(guān)重要。此處的任何變化都可能導(dǎo)致著陸墊或通孔損壞，或者可能會(huì)在組件上引起機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致隨著時(shí)間的推移而失效。

在PCB上使用無(wú)源元件的另一個(gè)限制是，由于它們分散開(kāi)來(lái)，走線長(zhǎng)度需要很長(zhǎng)。這可能會(huì)引入無(wú)法解釋的寄生元件，從而限制結(jié)果的性能和可重復(fù)性。通常，PCB走線的長(zhǎng)度和電容約為1 nH/mm，具體取決于走線的寬度和與鄰居的距離。PCB走線容差會(huì)導(dǎo)致寄生效應(yīng)的變化，因此寄生效應(yīng)不僅具有破壞性，而且不可預(yù)測(cè)。PCB板上更嚴(yán)格的公差成本更高.

無(wú)源器件還存在許多與外界的潛在接觸點(diǎn)，即通過(guò)手動(dòng)或機(jī)器處理可能發(fā)生ESD事件的點(diǎn)。同樣，這會(huì)對(duì)整體可靠性和穩(wěn)健性產(chǎn)生影響和風(fēng)險(xiǎn)。

集成無(wú)源器件的優(yōu)勢(shì)

在深入研究集成無(wú)源器件相對(duì)于離散無(wú)源器件的優(yōu)勢(shì)之前，讓我們首先概述集成無(wú)源器件的起源。集成電路現(xiàn)在包含許多晶體管（實(shí)際上是數(shù)百萬(wàn)個(gè)），這些晶體管通過(guò)非常明確的金屬互連連接在一起。已經(jīng)為DAC和ADC等模擬類型應(yīng)用開(kāi)發(fā)了特殊工藝，這些應(yīng)用除了晶體管外還包含電阻器和電容器等無(wú)源元件組合。為了實(shí)現(xiàn)這些精密模擬應(yīng)用所需的性能，我們開(kāi)發(fā)了非常高質(zhì)量的無(wú)源元件。正是這些高質(zhì)量的無(wú)源元件用于構(gòu)建集成無(wú)源器件。正如集成電路包含許多晶體管一樣，集成無(wú)源器件可以包含許多高質(zhì)量的無(wú)源元件，封裝在非常小的區(qū)域內(nèi)。與集成電路一樣，集成無(wú)源器件是在同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的大面積基板（晶圓）上制造的。

與分立無(wú)源器件相比，集成無(wú)源器件最引人注目的優(yōu)勢(shì)之一是可以實(shí)現(xiàn)精確匹配。當(dāng)制造集成無(wú)源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的所有組件都是在相同的條件下同時(shí)制造的，使用相同的材料集，并且由于網(wǎng)絡(luò)緊湊性，基本上在同一位置制造。以這種方式制造的無(wú)源元件比分立式無(wú)源替代品有更好的匹配機(jī)會(huì)。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，假設(shè)我們有一個(gè)需要兩個(gè)匹配電阻的應(yīng)用。這些電阻器在硅晶圓等圓形襯底上制造，如圖1所示。由于電阻膜厚度、薄膜化學(xué)性質(zhì)、接觸電阻等輕微的工藝變化，一個(gè)批次內(nèi)會(huì)有一定程度的電阻變化，多個(gè)批次之間甚至?xí)懈嗟淖兓Ｔ趫D1的示例中，深綠色表示電阻位于容差范圍的高端，黃色表示電阻位于容差范圍的低側(cè)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)分立器件，兩個(gè)電阻器中的每一個(gè)都可能來(lái)自不同的制造批次，如紅色所示的兩個(gè)獨(dú)立電阻器所示。在兩個(gè)分立電阻之間可以觀察到過(guò)程的全容差范圍，因此匹配不是很好。由于有特殊的訂購(gòu)限制，可以從同一批次中選擇兩個(gè)分立電阻器，如藍(lán)色所示的兩個(gè)獨(dú)立電阻器所示。在兩個(gè)電阻之間可以觀察到一個(gè)批次內(nèi)的容差范圍。雖然這些電阻之間的匹配將優(yōu)于隨機(jī)分立情況，但仍存在一定程度的不匹配。最后，對(duì)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中黑色的電阻所示。一個(gè)芯片內(nèi)的容差范圍是兩個(gè)電阻之間唯一可觀察到的范圍。因此，兩個(gè)電阻之間的匹配將非常出色。可以使用交叉四邊形布局和其他方法的其他技術(shù)來(lái)進(jìn)一步收緊兩個(gè)電阻器之間的分布，最終形成極其匹配的組件。集成無(wú)源元件之間的匹配不僅比零時(shí)間的分立無(wú)源元件好得多，而且由于它們的制造已經(jīng)很好地耦合，因此在溫度、機(jī)械應(yīng)力和使用壽命方面也能更好地跟蹤。

圖1.分立電阻與無(wú)源電阻的匹配。

集成無(wú)源器件中的各個(gè)元件緊密地放置在一起（實(shí)際上是微米級(jí)），因此，走線電阻和電感等互連寄生效應(yīng)保持在絕對(duì)最小值。在PCB上，互連寄生效應(yīng)由于走線公差和元件放置容差而變化。使用集成無(wú)源器件，由于制造過(guò)程中采用光刻工藝，互連公差和元件放置公差非常嚴(yán)格。在集成無(wú)源器件上，不僅寄生效應(yīng)非常小，而且寄生效應(yīng)極少數(shù)非常可預(yù)測(cè)，因此可以可靠地解釋。

通過(guò)集成無(wú)源器件實(shí)現(xiàn)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的小型化具有使電路板更小的直接好處。這直接導(dǎo)致降低電路板成本，并允許將越來(lái)越多的功能和性能封裝到更小的尺寸中。當(dāng)使用集成無(wú)源器件時(shí)，構(gòu)建具有高通道數(shù)的系統(tǒng)變得更加實(shí)用。

集成無(wú)源器件的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是其周圍完整布線網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。集成的無(wú)源器件基本上是一個(gè)完整的單元鍛造在一起，用玻璃密封，然后用堅(jiān)固的塑料封裝劑進(jìn)一步保護(hù)，而不是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、腐蝕或元件錯(cuò)位的問(wèn)題。集成無(wú)源網(wǎng)絡(luò)密封良好的另一個(gè)好處是，系統(tǒng)中暴露的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大大減少。因此，系統(tǒng)因意外短路或靜電放電（ESD）事件而損壞的可能性大大降低。

維護(hù)和控制任何電路板組件的組件庫(kù)存是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù).在一個(gè)器件中具有多個(gè)無(wú)源元件的集成無(wú)源器件極大地減輕了客戶的物料清單負(fù)擔(dān)，從而降低了擁有成本。客戶將獲得經(jīng)過(guò)全面測(cè)試并證明良好的集成無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。這意味著最終的電路板構(gòu)建良率得到提高，這不僅可以進(jìn)一步節(jié)省成本，還可以提高供應(yīng)鏈的可預(yù)測(cè)性。

ADI使用集成無(wú)源器件（i無(wú)源器件）

如前所述，多年來(lái)，高質(zhì)量無(wú)源器件一直是ADI許多產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)電路性能的核心。在此期間，無(wú)源器件的范圍和質(zhì)量不斷增長(zhǎng)，集成的無(wú)源器件產(chǎn)品組合現(xiàn)在包含大量組件。集成的無(wú)源器件工藝是模塊化的，這意味著生產(chǎn)某種類型的無(wú)源器件所需的處理步驟只需要在需要該特定組件時(shí)才需要執(zhí)行。一個(gè) iPassives 網(wǎng)絡(luò)基本上可以只用所需的處理復(fù)雜性來(lái)構(gòu)建——不多也不少。如圖2所示，有許多無(wú)源構(gòu)建模塊可供選擇，構(gòu)建集成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)可以像將所需的組件拼湊在一起一樣簡(jiǎn)單。

圖2.iPassives 的構(gòu)建塊。

如本文前面所述，集成無(wú)源器件比分立式無(wú)源器件具有許多優(yōu)勢(shì)。ADI通過(guò)在μModule器件中使用這些優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升了這些優(yōu)勢(shì)。這些模塊利用了各種集成電路的功能。這些電路是通過(guò)量身定制的工藝制造的，這些工藝提供增強(qiáng)的性能，并且無(wú)法通過(guò)任何一個(gè)單一工藝實(shí)現(xiàn)。ADI公司使用i無(wú)源器件將這些集成電路連接在一起，從而在單個(gè)器件內(nèi)構(gòu)建完整的精密信號(hào)鏈。圖3中的兩個(gè)μModule器件示例包含數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、放大器和其他元件，將它們組合在一起的是采用集成無(wú)源器件構(gòu)建的無(wú)源增益和濾波網(wǎng)絡(luò)。

圖3.使用無(wú)源器件的μModule產(chǎn)品示例。

ADI生產(chǎn)高度可定制的精密信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。通過(guò)采用大量經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的IC產(chǎn)品組合的可重用性方法，并將這種方法與iPassives的多功能性相結(jié)合，開(kāi)發(fā)周期時(shí)間和成本都大幅下降。這一決定為客戶帶來(lái)了巨大的好處，他們自己可以更快、更有效地以最先進(jìn)的性能進(jìn)入市場(chǎng)。

結(jié)論

乍一看，與更成熟的方法相比，使用集成無(wú)源器件似乎只是逐漸更具優(yōu)勢(shì)。然而，事實(shí)證明，這些優(yōu)勢(shì)是顯著的，ADI采用的i無(wú)源器件不僅重新定義了可以做什么，而且還重新定義了對(duì)客戶有利的速度、成本和尺寸。

審核編輯：郭婷