作者：Mark Murphy and Pat McGuinness

集成無源器件在我們的業(yè)務(wù)中并不是什么新鮮事——它們由來已久，并且廣為人知。事實上，ADI過去曾為市場生產(chǎn)過此類元件。當(dāng)獨(dú)立的分立無源甚至集成無源網(wǎng)絡(luò)作為芯片組的一部分時，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)計管理。雖然集成無源器件在行業(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，它們最重要的價值才能開始實現(xiàn)。

ADI公司幾年前啟動了一項新的集成無源技術(shù)計劃（iPassives?）。該計劃的目的是提供無源元件、二極管、電阻、電感和電容，使ADI能夠涵蓋更多的信號鏈，同時克服過去采用無源元件的現(xiàn)有方法的局限性和復(fù)雜性。ADI的客戶群對空間高效封裝的更完整解決方案的需求也推動了這些發(fā)展。從設(shè)計人員的角度來看，iPassives可以被視為一種靈活的設(shè)計工具，可以在極短的開發(fā)周期內(nèi)設(shè)計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。無需開發(fā)高度復(fù)雜的集成工藝，ADI可以利用其現(xiàn)有產(chǎn)品的多樣性來生產(chǎn)具有卓越性能特征的即插即用系統(tǒng)。集成的無源技術(shù)用于將這一切捆綁在高度可定制的網(wǎng)絡(luò)中，并通過系統(tǒng)級封裝技術(shù)進(jìn)行封裝，以創(chuàng)建完全合格、測試和表征的μModule器件。以前是板級解決方案的系統(tǒng)現(xiàn)在可以簡化為單個器件。從我們的客戶的角度來看，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箱即用性能、較短的開發(fā)周期和成本節(jié)約 — 所有這些都在非常緊湊的封裝中。

無源技術(shù)

因此，讓我們簡要地回到基礎(chǔ)知識，并提醒自己什么是無源元件。無源元件是無源器件，電流和電壓之間的關(guān)系相對簡單。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，電流-電壓關(guān)系非常簡單，例如在電阻器中，電流與電壓呈線性關(guān)系。對于二極管，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 顯示了為四個基本無源元件定義這些關(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，是模擬信號處理（RLC用于放大、衰減、耦合、調(diào)諧和濾波）、數(shù)字信號處理（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)雜的庫存控制和存儲挑戰(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，這是一個明顯的缺點(diǎn)。對于要匹配的器件，組件之間的唯一性和差異會導(dǎo)致誤差，從而降低零時間電路性能。此外，這種性能下降在電路的工作溫度和使用壽命內(nèi)總是會變得更糟。

分立式無源器件的另一個缺點(diǎn)是單個組件的組裝和布線需要時間，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。表面貼裝組件使開發(fā)更小的無源元件成為可能;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通過焊接回流工藝，其中焊料液化并建立電氣連接，冷卻時，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)的主要問題是焊接過程可能非常不可靠，并且在缺陷目標(biāo)為百萬分之一的行業(yè)中，這正變得越來越令人擔(dān)憂。有幾個因素對于確保焊料可靠性很重要：焊料的實際成分（現(xiàn)在通常是無鉛的，因此可靠性較低）、焊料回流過程中的機(jī)械穩(wěn)定性（機(jī)械振動會使焊點(diǎn)干燥）、焊料的純度（任何污染物都會對焊料可靠性產(chǎn)生不利影響）以及焊料回流過程中的時間和溫度。焊料的加熱速度、實際溫度和溫度均勻性以及焊料加熱多長時間至關(guān)重要。此處的任何變化都可能導(dǎo)致著陸墊或通孔損壞，或者可能會在組件上引起機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致隨著時間的推移而失效。

在PCB上使用無源元件的另一個限制是，由于它們分散開來，走線長度需要很長。這可能會引入無法解釋的寄生元件，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。PCB板上更嚴(yán)格的公差成本更高.

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

集成無源器件的優(yōu)勢

在深入研究集成無源器件相對于離散無源器件的優(yōu)勢之前，讓我們首先概述集成無源器件的起源。集成電路現(xiàn)在包含許多晶體管（實際上是數(shù)百萬個），這些晶體管通過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源元件組合。為了實現(xiàn)這些精密模擬應(yīng)用所需的性能，我們開發(fā)了非常高質(zhì)量的無源元件。正是這些高質(zhì)量的無源元件用于構(gòu)建集成無源器件。正如集成電路包含許多晶體管一樣，集成無源器件可以包含許多高質(zhì)量的無源元件，封裝在非常小的區(qū)域內(nèi)。與集成電路一樣，集成無源器件是在同時生產(chǎn)多個無源網(wǎng)絡(luò)的大面積基板（晶圓）上制造的。

與分立無源器件相比，集成無源器件最引人注目的優(yōu)勢之一是可以實現(xiàn)精確匹配。當(dāng)制造集成無源網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)中的所有組件都是在相同的條件下同時制造的，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源元件比分立式無源替代品有更好的匹配機(jī)會。為了說明這一點(diǎn)，假設(shè)我們有一個需要兩個匹配電阻的應(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，一個批次內(nèi)會有一定程度的電阻變化，多個批次之間甚至?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)。對于標(biāo)準(zhǔn)分立器件，兩個電阻器中的每一個都可能來自不同的制造批次，如紅色所示的兩個獨(dú)立電阻器所示。在兩個分立電阻之間可以觀察到過程的全容差范圍，因此匹配不是很好。由于有特殊的訂購限制，可以從同一批次中選擇兩個分立電阻器，如藍(lán)色所示的兩個獨(dú)立電阻器所示。在兩個電阻之間可以觀察到一個批次內(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，對于集成無源器件，兩個電阻來自同一個芯片，如圖1中黑色的電阻所示。一個芯片內(nèi)的容差范圍是兩個電阻之間唯一可觀察到的范圍。因此，兩個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)來進(jìn)一步收緊兩個電阻器之間的分布，最終形成極其匹配的組件。集成無源元件之間的匹配不僅比零時間的分立無源元件好得多，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.分立電阻與無源電阻的匹配。

集成無源器件中的各個元件緊密地放置在一起（實際上是微米級），因此，走線電阻和電感等互連寄生效應(yīng)保持在絕對最小值。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。使用集成無源器件，由于制造過程中采用光刻工藝，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，因此可以可靠地解釋。

通過集成無源器件實現(xiàn)無源網(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，并允許將越來越多的功能和性能封裝到更小的尺寸中。當(dāng)使用集成無源器件時，構(gòu)建具有高通道數(shù)的系統(tǒng)變得更加實用。

集成無源器件的另一個顯著優(yōu)勢是其周圍完整布線網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。集成的無源器件基本上是一個完整的單元鍛造在一起，用玻璃密封，然后用堅固的塑料封裝劑進(jìn)一步保護(hù)，而不是需要大量的焊接連接。在集成無源網(wǎng)絡(luò)中，不存在焊點(diǎn)干、腐蝕或元件錯位的問題。集成無源網(wǎng)絡(luò)密封良好的另一個好處是，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存是一項相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù).在一個器件中具有多個無源元件的集成無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)過全面測試并證明良好的集成無源網(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)測性。

ADI使用集成無源器件（i無源器件）

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

圖2.iPassives 的構(gòu)建塊。

如本文前面所述，集成無源器件比分立式無源器件具有許多優(yōu)勢。ADI通過在μModule器件中使用這些優(yōu)勢，進(jìn)一步提升了這些優(yōu)勢。這些模塊利用了各種集成電路的功能。這些電路是通過量身定制的工藝制造的，這些工藝提供增強(qiáng)的性能，并且無法通過任何一個單一工藝實現(xiàn)。ADI公司使用i無源器件將這些集成電路連接在一起，從而在單個器件內(nèi)構(gòu)建完整的精密信號鏈。圖3中的兩個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源器件構(gòu)建的無源增益和濾波網(wǎng)絡(luò)。

圖3.使用無源器件的μModule產(chǎn)品示例。

ADI生產(chǎn)高度可定制的精密信號調(diào)理系統(tǒng)。通過采用大量經(jīng)過現(xiàn)場驗證的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，開發(fā)周期時間和成本都大幅下降。這一決定為客戶帶來了巨大的好處，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。

結(jié)論

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

審核編輯：郭婷