MLO – новые возможности для РЧ-устройств автоэлектроники, работающих в тяжелых условиях эксплуатации

Опубликовано: 27 июля 2015 г. в 13:58, 17 просмотровКомментировать

В статье обсуждаются особенности некоторых семейств пассивных компонентов с высокими эксплуатационными характеристиками для применения на радиочастотах (РЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частотах. Их характеристики сравниваются с характеристиками традиционных керамических элементов. Обсуждаются возможности диплексеров MLO™ при использовании в V2V-устройствах и их потенциальное влияние на производительность системы.

В 1999 г. Федеральное агентство по коммуникациям (FCC) выделило полосу 75 МГц на несущей частоте 5,9 ГГц для использования в автомобильной промышленности. С тех пор началась разработка средств связи для систем обмена данными «автомобиль–автомобиль» (V2V) и «автомобиль–инфраструктура» (V2I) с целью повышения эффективности движения и безопасности на дорогах. Предположительно, устройства V2V в сочетании с V2I будут в состоянии предотвращать происшествия на дорогах и помогать водителям реагировать на них соответствующим образом, а также сделают движение более эффективным за счет сокращения количества пробок.

Многие пассивные компоненты, используемые для автомобильной промышленности, проходят сертификацию по стандарту AEC-Q200. В первую очередь, это относится к элементам устройств, обеспечивающих безопасность автомобиля, таких как системы срабатывания подушек безопасности и антиблокировочные системы. Задачей устройств V2V и V2I является предотвращение аварий в тяжелых и постоянно меняющихся условиях работы транспортных средств.

Пассивные РЧ-компоненты, такие как конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы и фильтры, должны обеспечивать высокую производительность высокочастотных (ВЧ) устройств, используемых на автотранспорте. Для производства радиочастотных компонентов чаще всего используется технология низкотемпературного спекания керамики (LTCC), которая обеспечивает улучшенную примерно на 60% повторяемость параметров и достаточно хорошие технические характеристики. Новое поколение RF-элементов на основе органических материалов демонстрирует отличную производительность в ВЧ- и СВЧ- диапазонах при сохранении высокой надежности и хорошей повторяемости.

Характеристики многослойных органических материалов MLO™

mlo_novie_vozmoznosty_avx_1
Рис. 1. Типовое поперечное сечение многослойного элемента MLO

Компоненты MLO состоят из одного или более РЧ диэлектрических слоев, встроенных между другими слоями, которые обеспечивают трассировку, защиту и формирование выводов элементов, предназначенных для поверхностного монтажа (SMT). Технология MLO может также использоваться при производстве высокочастотных или широкополосных подложек, слои которых допускают размещение как радиочастотных, так и цифровых интегральных схем.

Возможны различные вариации этой технологии, например если требуется создать компоненты меньшей толщины. Диэлектрический слой должен иметь низкие потери на частотах беспроводных применений и в то же время обладать большой диэлектрической проницаемостью (Dk) для получения высокой плотности емкости. К сожалению, для большинства материалов эти требования являются противоречивыми.

Высокое значение Dk обычно получается путем наполнения полимеров диэлектрическими материалами, что может привести к увеличению потерь. Вследствие этого диэлектрические слои должны быть очень тонкими. В последнее время появился ряд материалов с малыми потерями на основе полимеров политетрафторэтилена (PTFE) и жидкокристаллических полимеров (LCP), покрытых медной пленкой толщиной 8 мкм. При производстве PTFE используются усовершенствованные наполнители, позволяющие повысить Dk без значительного увеличения потерь.

Полимеры LCP отличаются низким значением Dk, они имеют очень хорошие характеристики для широкого спектра радиочастотных и высокоскоростных применений. При тщательном выборе материалов для производства ламинированных структур и контактных слоев можно использовать стандартные многослойные технологии для изготовления высокопроизводительных RF-компонентов.

После завершения разработки металлические и диэлектрические слои протравливаются и ламинируются. Типовая шестислойная конструкция показана на рис. 1. Подобные заказные пассивные элементы имеют патентную защиту, они обеспечивают наивысшую плотность структуры и улучшенную функциональность. Чтобы достичь желаемой плотности структуры, размеры граней и объемов, не превышающие 15 мкм, могут быть получены с использованием полуаддитивных способов производства.

Внедрение лазерной технологии (Laser Direct Imaging, LDI) имеет первостепенное значение, так как она позволяет реализовывать структуры с тонкими геометрическими гранями и жесткими допусками. Как правило, они имеют вид резонансных структур со встроенными компонентами, которые должны быть воспроизведены с высокой точностью на большой площади. Явным преимуществом MLO по сравнению с технологиями на основе керамики и кремния (Si) является стоимость. Благодаря высокой плотности упаковки более 0,2 млн элементов типоразмера 0402 могут быть размещены на одной плате 18x24’’.

Характеристики диплексера MLO

mlo_novie_vozmoznosty_avx_2

Диплексер – это пассивный элемент, состоящий из двух фильтров, объединенных по входу, и позволяющий выбрать диапазон выходных частот. Использование таких устройств, содержащих два фильтра в одном компактном корпусе, позволяет уменьшить размер антенного блока и сэкономить место на плате.

Диплексеры MLO являются уникальными по типу примененных при разработке материалов, а также конструкции и технологии производства. Изначально они создавались с использованием стандартных средств проектирования РЧ-устройств и затем оптимизировались с помощью специально разработанных методик для улучшения характеристик. Проектирование их структуры осуществлялось с помощью моделирования методом конечных элементов. Базовый вариант конструкции может варьироваться по размеру и диапазону частот путем простого линейного масштабирования элементов и/или повторного использования существующих параметров элементов. На рис. 2 показаны результаты измерений параметров двухдиапазонного MLO WLAN диплексера, все полученные характеристики относятся к компоненту типоразмера 0603.

Сравнение двух диплексеров типоразмера 0805 (один сделан с использованием технологии LTCC, другой – MLO) показывает явные эксплуатационные преимущества варианта MLO. Благодаря особенностям внутренней структуры диплексера MLO и описанным выше уникальным методам производства, подобное устройство может быть изготовлено с более тонким профилем (менее 0,6 мм против 1,0 мм для LTCC-диплексера). Кроме того, диплексер MLO отличается меньшим значением ослабления и более высоким уровнем подавления сигналов вне диапазона рабочих частот (табл. 1).

mlo_novie_vozmoznosty_avx_3
Таблица 1. Сравнительные характеристики диплексеров MLO и LTCC

Диплексеры MLO для связи на коротких дистанциях (DSRC)

DSRC-радиостанции используют диапазоны частот 5,9 ГГц и GPS для получения и передачи информации, необходимой для определения местоположения транспортного средства, а также передачи данных на окружающие автомобили и элементы инфраструктуры. По своей природе диплексеры состоят из двух фильтров, их использование позволяет уменьшить количество компонентов в DSRC-радиостанциях. Один диплексер может обеспечить работу GPS и 5,9 ГГц Wi-Fi-трансивера от одной антенны, тем самым устраняя необходимость в применении двух независимых дискретных фильтров (рис. 3).

mlo_novie_vozmoznosty_avx_4
Как показывают тесты, по сравнению с керамическими диплексеры MLO имеют более высокую крутизну частотной характеристики и бóльшую добротность. Эти устройства обеспечивают лучшую повторяемость и меньший разброс параметров при изготовлении. Коэффициент теплового расширения (КТР) диплексеров MLO хорошо согласован с КТР наиболее распространенных типов печатных плат (PCB) FR4, что способствует повышению надежности RF-устройств. При изменении температуры линейные размеры MLO-компонентов будут изменяться в том же соотношении, что и PCB FR4. Это исключает возникновение термомеханических нагрузок, которые могут стать причиной повреждения компонентов в процессе эксплуатации, сопровождающейся постоянными температурными колебаниями.

Показано, что тепловые характеристики диплексеров MLO являются оптимальными для применения в автомобильной промышленности. В обычный летний день температура в салоне припаркованного автомобиля способна превысить +50 °С. Включение двигателя и кондиционера автомобиля и быстрое охлаждение салона до +25 °С может вызвать тепловой стресс некоторых электронных компонентов. Вызванное изменениями температуры сжатие или расширение керамических компонентов, установленных на печатной плате, с течением времени способно вызвать проблемы с надежностью.

Комментарий специалиста

sergej_kuz'minСергей Кузьмин, инженер по внедрению СВЧ-продукции, к.ф.-м.н., sergey.kuzmin@ptelectronics.ru
Традиционным применением для СВЧ-устройств в быту является связь. Все пользуются мобильным телефоном или Wi-Fi роутером, большинство имеет спутниковую телевизионную антенну…
Сейчас наметилась тенденция увеличения рабочей частоты и расширения областей применения. Парктроник в автомобиле работает на частоте 24 ГГц, рассмотренная в статье система V2V – на частоте 5,9 ГГц, бытовой высокочастотный измеритель влажности – на частоте 10 ГГц. Устройства и технологии, которые ранее использовались в специальной аппаратуре (спецсвязь, радиолокация) становятся доступны большинству рядовых пользователей. При этом, как ни странно, требования по надежности, пригодности к серийному производству и цене в бытовой технике не менее жесткие, чем в специальной.
Компания AVX помогает нам в освоении новых областей применения для СВЧ-устройств в медицине, бытовой технике, автомобилях и других, пока еще не охваченных применениях, а после поглощения компании ATC она стала лидером на рынке пассивных СВЧ-устройств.

MLO-конденсаторы и индуктивности

MLO-технология также позволяет создавать другие компоненты, такие как конденсаторы, индуктивности, направленные ответвители и специализированные фильтры. Как и все MLO-структуры, пассивные элементы по КТР хорошо согласованы с большинством PCB FR4, что обеспечивает высокую надежность монтажа, поскольку их расширение и сжатие при изменении температуры соответствует характеристикам печатных плат FR4.

mlo_novie_vozmoznosty_avx_5
Таблица 2. Показатели DA различных диэлектриков

Как было показано, MLO-конденсаторы обладают крайне низким показателем диэлектрической абсорбции (DA), которая составляет примерно 0,0015%. Диэлектрическая абсорбция создает проблемы при работе устройств выборки/хранения (S/H). В течение времени хранения напряжение на накопительном конденсаторе S/H схемы должно поддерживаться на определенном уровне. Из-за наличия диэлектрической абсорбции это требование может нарушаться. В зависимости от продолжительности периода хранения, в течение которого накопительный конденсатор находится в разомкнутом режиме, он должен восстанавливать часть своего заряда, что приводит к искажению уровня выходного напряжения Vout S/H цепи [2]. С этой точки зрения к выбору конденсатора следует относиться очень ответственно, поскольку другие типы емкостей демонстрируют более высокий показатель DA (табл. 2).

Конденсаторы MLO тестируются в соответствии со стандартом MIL-STD-202F, который предусматривает 1000 ч испытаний при температуре +125 °C и удвоенном номинальном напряжении, а также температуре +85 °C при относительной влажности 85% и номинальном напряжении.

mlo_novie_vozmoznosty_avx_6
Дроссели, изготовленные с использованием MLO-технологии, отличаются высокой добротностью, большим значением предельного тока и меньшим разбросом параметров. В зависимости от размеров компонентов диапазон возможных значений индуктивности ограничен, что связано с особенностями конструкции MLO-компонентов. Для дросселя MLO типоразмера 0402 максимальный диапазон индуктивности составляет 0,8–68 нГн. Компоненты MLO демонстрируют высокую добротность, близкую к показателям стандартных витых керамических чип-дросселей аналогичного размера (рис. 4). Индуктивности MLO прошли испытания на электростатический разряд (ESD), который подтвердил их устойчивость к воздействию ESD напряжением 15 кВ.

Заключение

Многослойные органические материалы (MLO) по своей природе обладают низким коэффициентом рассеяния и, соответственно, высокой добротностью, что делает их весьма пригодными для ВЧ- и СВЧ-применений. MLO-технология позволяет использовать более толстые и широкие медные полоски и делать сквозные межслойные отверстия, которые действуют в качестве теплоотводов, что увеличивает нагрузочную способность компонента.

Для автотранспортных применений MLO-компоненты обеспечивают более высокую надежность, что связано с особенностями их характеристик, в том числе хорошим согласованием коэффициента теплового расширения с наиболее распространенными печатными платами FR4. Благодаря хорошему согласованию КТР могут быть скомпенсированы большие перепады температуры, свойственные автомобильным применениям, что устраняет необходимость в применении дорогостоящих сборок медь–инвар–медь.

Повышенная надежность MLO-компонентов по сравнению с керамическими аналогами связана с меньшей склонностью к растрескиванию и возникновению усталостных процессов благодаря нулевому рассогласованию тепловых характеристик. Кроме того, на печатной плате могут быть смонтированы бóльшие по размеру (по сравнению с керамическими аналогами) MLO-компоненты без ухудшения показателей надежности. Они обладают лучшей, чем керамика, устойчивостью к воздействию повышенных вибраций, что также объясняется меньшим механическим стрессом, испытываемым сборкой MLO-элементов на печатной плате.

Литература

  1. White George, Ulrich Michael. Multilayer Organic (MLO) Technology for RF/Wireless Components in Multiband Applications. AVX Corporation. 2013.
  2. Pease R. A. Understanding Capacitor Soakage to Optimize Analog Systems // EDN. October 13, 1982.
  3. Analog Circuits. MT-090 Tutorial: Sample and Hold Amplifiers, www.analog.com.

Авторы статьи:
Эдгардо Менендес (Edgardo X. Menendez)
Джордж Вайт (George White)
Майкл Ульрих (Michael Ulrich)
Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №4 2014

Контакты:

Ф.И.О. Блохина Екатерина  нет отзывов
Компания: «PT Electronics»
Страна:  Россия
Телефон: +7 (812) 324-63-50
Сообщите, что нашли информацию на сайте «Элек.ру»
Web: http://ptelectronics.ru/
Зарегистрирована: 11 августа 2014 г.
Последний раз была на сайте 24 дня назад
  Отправить сообщение

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.