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在過去的幾十年里，氧化鈹（BeO）一直是用于高功率應用的射頻電阻器和端接的主要基板材料。雖然BeO非常適合電子行業的大功率應用，但其粉塵顆粒是有毒的;如果吸入BeO顆粒，它們可能會導致鈹中毒，即肺部炎癥。由于全球新興的健康和安全法規，各行各業都在限制使用BeO作為陶瓷基板材料。因此，電子行業正在尋找環保的基板材料來替代BeO。氮化鋁 （AlN） 的早期開發發生在 1960 年代，用于陶瓷封裝。AlN的導熱系數遠優于氧化鋁，介電常數不高于氧化鋁。當時，AlN在電子應用方面的全部潛力尚未完全實現。

AlN 和 BeO 的性質

經過廣泛的研究和開發，以及導熱系數的提高，AlN已成為基板材料BeO的替代品。雖然它不能作為BeO的100%直接替代品，但它是無毒的，處理安全，并且具有遠高于氧化鋁（鋁2O3）并接近BeO。表 1詳細說明了 AlN、BeO 和 Al 的電學和物理特性2O3.AlN的介電常數為8.9，高于BeO，這是電路設計人員關注的問題，因為它會導致高分流電容。因此，為BeO建立的設計規則不能用于AlN襯底?？梢栽谑褂肁lN器件的設計中引入調諧電路，以克服額外電容的影響。下一節將介紹用于調諧電容的設計指南。AlN 上提供的熱分析數據使設計人員能夠將這種基板材料用于高功率微波應用。1996 年，AlN 的電阻器和端接潛力首次被意識到。

表1

AlN、BeO和Al的典型屬性值2O3

財產 氮化 鋁 BeO的 鋁2O3

介電常數 （1 MHz @ RT） 8.9 6.7 9.8

介電損耗 （1 MHz @ RT） 0.0001 0.0003 0.0002

電阻率 （Ohm-cm） < 1014 < 1014 < 1014

導熱系數 （W/m K） 170-190 260 36

熱膨脹系數 （ppm/°C） 4.6 8.5 8.2

密度 （g/cm）3) 3.30 3.85 2.89

抗彎強度 （mPa） 290 230 380

硬度（努氏） （GPa） 11.8 9.8 14.1

楊氏模量 （GPa） 331 345 372

為鋁材開發的標準厚膜漿料系統2O3幾十年前，BeO陶瓷被發現不適合AlN陶瓷材料。厚膜漿料制造商不得不投入資源來開發與AlN兼容的新型厚膜漿料和工藝。無論是使用 AlN、BeO 還是 Al2O3，厚膜漿料系統成功的關鍵在于燒制厚膜對陶瓷基板的長期粘附可靠性。在AlN的情況下，在應用厚膜漿料之前，必須適當地準備表面。這通常涉及研磨表面或使用特殊溶劑進行清潔過程。為了比較 BeO 和 AlN 之間的表面光潔度，使用 3D 表面掃描輪廓儀 KLA-Tencor P-11 進行了表面掃描。圖 1詳細介紹了“燒制”10 至 15 分鐘的 BeO 的表面輪廓，該表面看起來不均勻、粗糙且密度較低，表面缺陷較低。同樣，圖 2顯示了 32 分鐘研磨的 AlN 的表面輪廓，它看起來均勻、粗糙度較低且密度高。表2比較了BeO和AlN的3D掃描粗糙度值。

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這樣的表面光潔度對于厚膜是可以接受的，但對于薄膜應用來說是不可接受的。研磨過程中引入的任何表面缺陷都可能嚴重降低組件的性能。表面粗糙度對電阻器的影響會導致整個基板表面的電阻值發生變化。對于薄膜應用，2 至 6 分鐘的表面光潔度是合適的，這樣可以最大限度地減少整個表面的任何電阻變化。這種表面光潔度是通過拋光粗糙表面直到達到所需的表面光潔度來實現的。

與BeO不同，AlN需要選擇合適的供應商，然后調整制造工藝以使基板合格。由于不同的供應商在成分和表面光潔度方面存在差異，因此選擇正確的供應商非常重要。合適的供應商還可以減少批次之間的不一致。

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薄膜技術已成功應用于AlN陶瓷基板，用于制造用于高功率應用的射頻電阻器和終端。由于AlN表面，無論是薄膜還是厚膜應用，在高溫下與水接觸時都會分解為無定形氫氧化鋁，因此在進行薄膜加工時必須進行嚴格的控制。AlN與含有氨的清潔溶液發生反應。氨將蝕刻基材并產生多孔表面光潔度。所有這些反應都會導致薄膜和基材之間的附著力差，并且還會導致整個基材的電阻值發生變化。

同樣，當AlN高功率電阻元件在潮濕條件下在100°C及以上工作時，可以預見到潛在的可靠性問題。為了克服這個問題，薄膜元件在SiO加工過程中受到保護，防止因處理而受到濕氣和損壞2或聚酰亞胺涂層。

使用 AlN 進行設計

無論使用哪種類型的基板材料，設計都必須與材料的電容特性相抗衡。BeO和AlN的電容可以通過使用匹配網絡來抵消電容。150 W 的片式和蓋板端接將用作設計示例，以揭示材料的電容，并演示如何使用匹配網絡來抵消電容的影響。

設計細節是 0.250“ x 0.375” AlN 襯底、鎳鉻薄膜、駐波比< 1.06、DC 至 2.0 GHz 頻率范圍和 150 W 功耗。開始設計需要使用穩態熱流公式確定薄膜面積，如下所示

哪里

T = 薄膜溫度 （°C）

T一個= 環境溫度 （°C）

P = 功耗 （W）

D = 基板厚度 （m）

A = 薄膜面積 （m2)

k = 導熱系數 （W/m°C）

基板厚度為40密耳，環境溫度假定為25°C。 最高膠片溫度將限制在125°C。 AlN在200°C時的導熱系數為130 W/m°C。 求解 A 的公式 1 可得到 24,226 mil 的薄膜面積2.使用基板材料的功率密度的更保守的公式也可用于計算面積

哪里

PD= 功率密度 （W/m2)

P = 器件功率 （W）

A = 薄膜面積 （m2)

AlN 的功率密度為 619 至 883 W/m2取決于耗電元件的布局和工藝。找到薄膜面積后，可以找到一些方形薄膜圖案的等效電路元件值。使用公式 1 中的面積，線寬和長度必須為 155.6 mil。

要找到等效的電路元件，需要使用無損傳輸線的標準微帶公式。使用計算出的寬度為155.6 mil，基板厚度為40 mils，該方程得出的特征阻抗為26.53W，相速度為5.32 x 109in/s.計算這些值后，集總電路每單位長度電感為7.687 x 10-10H 和 3.708 x 10 的電容-13F被發現。Microwave Office用于使用先前的計算值創建以下數據圖。圖3顯示了未調諧電路的電容與頻率的關系。圖4是未調諧阻抗的史密斯圖。

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圖5未調諧電路。 圖6150 W端接的調諧電路電容與頻率的關系。 圖7調諧電路的史密斯控制圖阻抗。

如數據所示，該器件開始時幾乎是純電容的，隨著頻率的增加，開始出現一些電感。未調諧部分的布局如圖 5所示。設計的下一步是計算消除電容的阻抗匹配方案。通過在2 GHz電抗下使用未調諧設計的復阻抗，可以找到可以有效消除大部分（如果不是全部）電容的值。一個簡單的匹配網絡可用于計算使設備達到 50W所需的組件。圖6顯示了應用匹配網絡后整個頻率范圍內的新電容值。請注意，當頻率接近其極限時，電容是如何減小的。該圖還顯示了添加匹配網絡后電容的顯著變化。圖7是調諧電路的新史密斯圓圖。通過添加匹配網絡，最大 SWR 從 1.70 更改為 1.04。與完美匹配的偏差是由于匹配組件的精度不足。帶有調諧的新布局如圖 8所示。

設計過程的最后一步是通過分布式近似實現適當的集總單元。一般來說，長寬比大于 1 將實現電感器，長寬比小于 1 將實現電容器。另一個考慮因素是驗證制造過程是否能夠構建實現電路元件所需的尺寸。

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實驗數據

樣品是按照公司的程序制造和組裝的。對于這些測試，使用錫鉛鍍片制備芯片，使用Sn62焊料焊接到焊盤上，并使用預成型Sn62焊料焊接到芯片上的鍍鎳法蘭。以下測試是使用 Chatillion 測力計按照 MIL-STD-883 規范進行的。對所得數據進行分析并制成表格如下。

對卡舌施加水平力，直到將其從墊子中拉出。拉動測試如圖9所示，在元件頂部有一個蓋子，因為其中許多組件都是通過蓋子提供給用戶的，蓋子連接到基礎芯片上。拉取測試結果如表 3所示。

圖11和圖12中的耐久性測試數據顯示，AlN和BeO上的電阻趨于穩定在電阻的指定容差范圍內。在150 W耐久性測試期間，在蓋板上測得的薄膜溫度對AlN達到190°C，對BeO達到184°C。正如預期的那樣，BeO由于其高導熱性而保持了比AlN更低的溫度。

熱分析

圖13芯片中發生的三個月傳熱模式。

根據AlN器件中不同功率水平的散熱實驗數據，使用熱模型分析了器件內部的溫度變化。圖13所示的三種基本傳熱模式用于分析。

輻射

q =SEr（噸4s-T4一個)

哪里

q = 輻射功率，單位為 W/m2

er= 固體的發射率 （0

s= 稱為 Stefan 常數的通用常數 （5.670 x 10-8） W/m2K4

Ts= 固體 K

T 的溫度一個= 芯片附近的空氣溫度

對流

q = h（Ts-T一個)

哪里

q = 單位表面的傳熱 W/m2

h = 對流系數 （W/m2K） 它是自然冷卻表面空氣速度的函數

傳導

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哪里

q = 單位表面的傳熱 W/m2

k = 導熱系數 （W/mK）

DX = 熱路厚度

當功率高達 75 W 時，根據熱分析確定的芯片傳熱百分比為

輻射< 0.01%

對流< 0.01%

傳導> 99.98%

該分析適用于75 W（歸一化）的AlN芯片，基溫保持在100°C。

圖14AlN熱分析數據的溫度曲線。

圖14中的熱分析曲線顯示了芯片內部的溫度變化，電阻元件在75 W時達到最高溫度為161°C，而基溫度保持在100°C。 相比之下，電阻元件在BeO上75 W時達到的溫度僅為144°C，AlN上的電阻元件溫度為158°C。 這表明BeO由于其更高的導熱性，能夠比AlN更快地散熱。對于帶蓋和低功耗的芯片，可以進行類似的比較，分別如圖15和圖16所示。

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圖15熱分析的溫度與功率耗散百分比曲線。 圖16實驗數據中的溫度與功率耗散百分比的關系。

結論

關于BeO和AlN作為BeO的替代品，在高功率電阻器和端接應用中已經完成了廣泛的比較研究。從內部生產的產品中收集和分析的BeO和AlN實驗數據表明，盡管在電氣、機械和熱性能方面存在相當大的差異，但基于AlN的高功率電阻元件可以成功地與BeO元件并排競爭，并具有AlN無毒的額外優勢。

?審核編輯 黃宇