2012 十一月

用于智能手机的薄膜射频(RF)元件

越扁平越好

智能手机的开发人员面临的主要挑战之一就是设计外形纤薄的手机,以满足用户的需求。最终,OEM要求具有更薄的模块和元件,以便生产出纤薄的手机。TDK正在利用它所拥有的先进薄膜工艺技术制造小型元件,这些小型元件的特点在于它们的性能得以提高而外形更加扁平。

薄膜工艺技术最初是由TDK开发并改进的,用来制造硬盘驱动的读/写磁头。这些极其可靠的磁头由用于铁氧体材料的超薄铜导电层制成的小型线圈组成,从而制成高度敏感和非常扁平的线圈用于读取和写入硬盘。

现在,TDK正在采用尖端的技术特别为智能手机和结构紧凑的移动设备开发和制造RF元件。利用该技术能开发新系列的结构紧凑有优异性能的低剖面元件。由于能精确利用薄膜工艺,可以制造有极其严密容差的元件。

如今,RF应用的各种TDK元件都是采用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺进行制造,例如定向耦合器、滤波器、平衡-不平衡转换器和用于RF电源电路的电容器。然而,目前的LTCC工艺对于进一步小型化相关分立元件的能力已经达到了极限。利用薄膜技术生产的元件达到严格的厚度要求和体积减少要求,因此这类元件可以代替标准的LTCC分立元件。

图1:LTCC产品和薄膜元件的截面比较

用薄膜技术生产的铜导体(右图)的形状和尺寸都要比LTCC元件中由银膏制成的内电极(左图)的更加匀称和精确。



性能改进
从图1中导体部件的截面图中,我们可以看到用薄膜技术制造的导体截面边缘显得更加精确和轮廓分明,这些导体截面的表面比LTCC元件的表面更加光滑。这就意味着,在更高频率下,使用薄膜技术比使用LTCC工艺能预期获得更小的方差和更有利的电性能。图2显示了耦合器的电性能。在2-GHz频段中,利用薄膜工艺制造的RF耦合器具有较低的插入损耗和更优越的性能。

图2:使用LTCC和薄膜技术制造的耦合器的插入损耗

与具有同样耦合度的传统LTCC耦合器相比,TDK TFSC薄膜耦合器重点突出更低的插入损耗。



创新性薄膜RF元件
TDK引进了采用薄膜技术制造的插入高度仅为0.25 mm的超低剖面薄膜耦合器。除了具备TDK TFSC定向耦合器的优越性能之外(图2),这款新型的薄膜元件-尺寸只有0.65 × 0.50 × 0.25 mm³-比以前使用传统LTCC工艺(1.0 × 0.5 × 0.35 mm³)制造的元件明显更小更薄。

根据薄膜技术,TDK智能手机设计的滤波和保护性能而开发了一款小型组合元件。TDK TCE1210系列构成了第一款薄膜共模滤波器,以便能在单一元件中提供高速共模噪声抑制和ESD保护。为了做到这一点,该系列产品在共模滤波器中集成了微差距ESD防护元素。通过把TDK尖端的薄膜图形化技术和紧凑高精确度的线圈图案和终端形成工艺结合使用,我们实现了元件小型化的里程碑。 由于此款新滤波器的尺寸更小,它可以支持安装高密度的电子元件,并且有利于大大节省电子设备的空间。TCE1210系列用于显示端口的输入/输出部分和智能手机的USB终端。

薄膜微接线技术同样使得RF元件的尺寸变小。新的TDK TFSB 和TFSD系列带通滤波器和双工器的尺寸只有1.0 × 0.5 mm²,而插入高度仅有0.3 mm。该滤波器实质上是一系列谐振器,每只谐振器都含有由被介电膜和有导体图案的电感器隔开的上下两部分导体所构成的最佳调谐电容器。以这种方式,TFSB和TFSD系列就能获得尺寸更大的LTCC元件的相同性能。这些滤波器专为2.4-GHz 和 5-GHz的频段而设计,使它们适合用于智能手机和其它手机的蓝牙和无线局域网应用。TFSZ和TFSL系列的薄膜平衡-不平衡转换器和低通滤波器以0.65 × 0.50 × 0.25 mm³的尺寸进行测量,它们意味着实现元件小型化的进一步推进,以便满足智能手机制造商的要求。

用在高频率模块的阻抗匹配的Z-匹配电容器与采用多层技术开发的尺寸为0.4 × 0.2 × 0.2 mm³的更早时期的产品有着相同的外形尺寸。最终,我们获得了一系列性能卓越的结构紧凑低剖面新元件。由于在陶瓷介电材料薄层上建立薄膜导电层而获得的TDK薄膜工艺,Z-匹配电容器能够获得一个极其严密的容差,而且,新元件提供了6.8 GHz (2.2 pF)的优良高自谐振频率(SRF)。

薄膜电容器的特点是具有误差在±0.05 pF的更低的等效串联电感值和低的等效串联电阻值,同时,其更加紧凑、质量更高且误差更小,这正是RF模块的设计者所梦寐以求的。具备了这些特性,新系列的薄膜电容器更是在阻抗匹配电路中展示了优越的射频特性。除此之外,通过把终端放在基片上来改造终端结构并通过使用高精度切割工艺,该电容器能获得比以前的产品更精确的尺寸,而且它还能稳定地安装在需要高密度安装的模块上。

图3:TDK薄膜RF元件的组合

由于RF元件的小型尺寸和低插入高度,基于薄膜技术的各种RF元件非常适合外形纤薄的智能手机设计。

由于薄膜元件的低剖面特性和结构紧凑的尺寸,它们同样非常实用用于集成模块,例如,用TDK的SESUB(内置于基板的半导体)技术。请参见 “非常小极其扁平”的文件,以便了解高度复杂而厚度大约50 µm的半导体芯片是如何被准确地内置于基板中来创造先进的小型化SIP(封装的系统)模块的。

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