用于射頻功率應(yīng)用的氮化鋁電阻元件

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EAK推出了新的厚膜氮化鋁 （AlN） 電阻器和端接系列，以補(bǔ)充公司現(xiàn)有的產(chǎn)品。傳統(tǒng)上，射頻功率電阻元件采用氧化鈹（BeO）陶瓷材料作為陶瓷基板;然而，由于國(guó)際上要求從產(chǎn)品中去除BeO的壓力，AlN等替代材料在無(wú)線行業(yè)受到廣泛關(guān)注。雖然BeO在陶瓷形式下是無(wú)害的，但如果吸入足夠量，粉塵或粉末形式可能是有害的。OSHA將BeO粉塵列為有害物質(zhì)，并可能對(duì)人類(lèi)致癌。法定空氣允許暴露限值 （PEL） 為 0.002 mg/m3平均超過(guò)八小時(shí)的輪班。AlN材料已成為BeO的主要替代品。

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BeO/AlN陶瓷比較

與BeO陶瓷相比，AlN在許多方面都很接近，由于應(yīng)用的高功率性質(zhì)，主要參數(shù)是導(dǎo)熱性。表 1 列出了兩種材料的特性。在電氣學(xué)上，AlN 的介電常數(shù)高于 BeO，這導(dǎo)致電容部分略高。必須采用謹(jǐn)慎的布局和薄膜設(shè)計(jì)來(lái)減輕這種差異。

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應(yīng)用

AlN 電阻器和端子被設(shè)計(jì)為當(dāng)今使用的現(xiàn)有 BeO 產(chǎn)品的直接替代品。然后，這些AlN器件定義了一類(lèi)通用的非BeO射頻電阻功率產(chǎn)品。應(yīng)用包括射頻功率放大器、隔離器、吸收濾波器、天線饋電和功率合路器。

AlN 歷史

AlN陶瓷在射頻行業(yè)中作為通用的絕緣散熱器和薄膜基板已使用多年。傳統(tǒng)上，AlN電阻器件采用薄膜技術(shù)構(gòu)建;但由于薄膜工藝成本高昂，其應(yīng)用受到限制。隨著無(wú)線行業(yè)的興起以及隨之而來(lái)的對(duì)具有成本效益和安全的BeO替代品的需求，制造商已轉(zhuǎn)向成本較低的厚膜技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足需求。

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厚膜AlN

氧化鋁厚膜系統(tǒng)（Al2O3）和BeO是多年前開(kāi)發(fā)的，一直是射頻功率電阻行業(yè)的主力軍。鋁2O3用于高達(dá)約 5 W 的功率水平，而 BeO 用于高達(dá) 800 W 的更高功率。然而，厚膜技術(shù)向AlN陶瓷的轉(zhuǎn)移并不是一件簡(jiǎn)單的事情。為鋁開(kāi)發(fā)的厚膜電阻器和導(dǎo)體系統(tǒng)2O3和 BeO 不適用于 AlN 陶瓷，因?yàn)檠趸U玻璃鍵合系統(tǒng)發(fā)生在厚膜漿料和 Al 之間2O3或BeO陶瓷材料在燒制時(shí)，可被AlN陶瓷還原。應(yīng)用專(zhuān)為 Al 設(shè)計(jì)的厚膜漿料2O3或 AlN 陶瓷上的 BeO 將實(shí)現(xiàn)電阻器和金屬膜對(duì) AlN 陶瓷的不一致粘附，這通常歸因于 AlN 陶瓷材料的不一致。厚膜與陶瓷的粘附力是組件長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵。由于無(wú)線行業(yè)最近對(duì)具有成本效益且安全的 BeO 替代品的需求，厚膜漿料制造商最近開(kāi)發(fā)了厚膜 AlN 漿料系統(tǒng)。使用這些漿料系統(tǒng)以及適當(dāng)制備的 AlN 陶瓷基板，可以在 AlN 陶瓷基板上提供厚膜電阻元件的新產(chǎn)品。

厚膜附著力的另一個(gè)關(guān)鍵是AlN陶瓷材料的適當(dāng)制備。在AlN燒結(jié)過(guò)程中，Al3O3+ Y2O3被驅(qū)動(dòng)到陶瓷表面，這將阻礙厚膜的附著力，必須通過(guò)研磨基板來(lái)去除。

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對(duì)比測(cè)試

作為比較的基準(zhǔn)，厚膜AlN與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的厚膜BeO和薄膜AlN產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試。由于薄膜附著力是主要問(wèn)題，測(cè)試的重點(diǎn)是指出這些類(lèi)型故障的實(shí)驗(yàn)。為了保持一致性，所有三個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試都在同一部件上進(jìn)行 - 一個(gè)150 W，法蘭安裝，50端接。照片中所示的部件是一個(gè) 0.250“ x 0.375” 陶瓷芯片，安裝在帶有 SN96 焊料的鍍鎳銅法蘭上。對(duì)每種系統(tǒng)類(lèi)型的多個(gè)部件進(jìn)行了引線拉力測(cè)試、剪切測(cè)試、熱循環(huán)測(cè)試、薄膜溫度和電阻飽滿(mǎn)性測(cè)試。

引線拉力測(cè)試

將 0.050 英寸寬、0.006 英寸厚的銀帶引線焊接到三種類(lèi)型零件上相同尺寸的導(dǎo)體焊盤(pán)上，然后拉至銷(xiāo)毀，平均結(jié)果如表 2 所示。這三種系統(tǒng)的水平拉力都非常出色，而薄膜AlN和厚膜BeO的垂直拉力測(cè)試似乎更好。

剪切試驗(yàn)

每種類(lèi)型的零件都用 SN96 焊料焊接到鍍鎳法蘭上，然后破壞性地剪切掉法蘭，平均結(jié)果如表 3 所示。純粹的測(cè)試表明，所有體系的初始附著力都非常出色，正如預(yù)期的那樣，BeO力更好，厚膜AlN略?xún)?yōu)于薄膜AlN體系。

熱循環(huán)試驗(yàn)

雖然剪切測(cè)試是衡量漿料與陶瓷的初始附著力的良好指標(biāo)，但零件的熱循環(huán)可以很好地衡量長(zhǎng)期可靠性。AlN陶瓷和銅法蘭之間的熱膨脹系數(shù)（TCE）差異會(huì)在材料中產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力必須被焊料/厚膜漿料界面吸收。零件的熱循環(huán)可作為出色的加速壽命測(cè)試。在接近恒定的溫度下，簡(jiǎn)單地在零件中耗散功率并不能指示零件的長(zhǎng)期可靠性，也不能代表零件的最壞工況。粘附層必須從熱到冷反復(fù)受力，才能真正獲得粘附層吸收應(yīng)力而不失效的有用量度。該測(cè)試相當(dāng)于反復(fù)來(lái)回彎曲金屬棒，直到金屬棒斷裂。

選擇銅法蘭材料和 SN96 焊料，以比較加速測(cè)量厚膜與陶瓷基板的長(zhǎng)期粘附力。銅的TCE是AlN的TCE的3.6倍，SN96焊料的抗拉強(qiáng)度接近6000psi。該零件的所有三個(gè)版本都用螺栓固定在微處理器控制的冷卻板上，法蘭下方有少量導(dǎo)熱硅脂。這些部件在額定功率 （DC） 的 100% 和最高法蘭溫度下循環(huán)。如圖 1 所示，循環(huán)曲線旨在提供非常加速和惡劣的環(huán)境，以加速故障。結(jié)果列于表4中。

所有三個(gè)部件在 300 之間都失敗了第和 378第熱循環(huán)。由于焊料和/或厚膜中形成微裂紋，這些微裂紋隨著每個(gè)額外的熱循環(huán)而傳播，從而增加了陶瓷和法蘭之間的熱阻，從而發(fā)生了故障。當(dāng)熱阻增加到整個(gè)系統(tǒng)的熱梯度變得足夠大時(shí)，就會(huì)建立熱失控條件，并且器件會(huì)失效。從數(shù)據(jù)來(lái)看，所有三種系統(tǒng)類(lèi)型都在同一范圍內(nèi)失敗。

膠片溫度

三個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)系統(tǒng)的部件都安裝在100°C和150 W耗散的受控散熱器上。薄膜溫度測(cè)量可以很好地指示端接的熱阻。使用紅外熱探頭進(jìn)行膠片溫度測(cè)量。結(jié)果列于表5中。正如預(yù)期的那樣，由于陶瓷的熱阻較低，BeO部分表現(xiàn)出較低的薄膜溫度。薄膜和厚膜AlN部分彼此之間的距離在幾度以?xún)?nèi)。

結(jié)論

厚膜AlN陶瓷電阻器件將補(bǔ)充該公司提供的全系列電阻器和端接器。由于圍繞BeO的安全問(wèn)題，AlN系列將是一個(gè)受歡迎的替代方案。厚膜AlN工藝的可靠性和可重復(fù)性取決于AlN陶瓷的正確制備以及專(zhuān)門(mén)為AlN開(kāi)發(fā)的漿料的使用。所提出的測(cè)試表明，為AlN陶瓷設(shè)計(jì)的厚膜漿料的性能至少與薄膜AlN產(chǎn)品一樣好，并且接近厚膜BeO產(chǎn)品。

?審核編輯 黃宇