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™
- 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
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).
- 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).
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. 
- Таблица 2. Показатели DA различных диэлектриков
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. - White George, Ulrich Michael. Multilayer Organic (MLO) Technology for RF/Wireless Components in Multiband Applications. AVX Corporation. 2013.
- Pease R. A. Understanding Capacitor Soakage to Optimize Analog Systems // EDN. October 13, 1982.
- Analog Circuits. MT-090 Tutorial: Sample and Hold Amplifiers, www.analog.com.
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
Сергей 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.
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.
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
Авторы статьи:
Эдгардо Менендес (Edgardo X. Menendez)
Джордж Вайт (George White)
Майкл Ульрих (Michael Ulrich)
Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №4 2014
